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1、,金风1.5兆瓦机组主控制系统工作原理讲解,作者：孙伟,主要内容：,一、1.5MW风力发电机组电气控制系统的组成二、 1.5MW风力发电机组电气控制系统的拓扑结构三、PLC模块的功能及组态结构四、现场总线profibusDP五、主控系统的功能,一、1.5MW风力发电机组电气控制系统的组成,各个部分之间的关系,二、 1.5MW风力发电机组电气控制系统的拓扑结构,金风1.5MW风力发电机组的主控系统以德国beckhoff公司生产的嵌入式PLC控制器为核心。PLC控制器主要实现风力发电机组的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定、数据记录、数据显示以及人工操作，配备有多种通讯接口，能够实现就地通讯和
2、远程通讯。采用PROFIBUS-DP现场总线组网，安全可靠。其中主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜及变桨控制系统通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信号；与中央监控系统通讯、传递信息。,三、PLC模块的功能及组态结构,3.1、PLC的基础知识,什么是PLC？,可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设
3、计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。,PLC有什么特点？,1、通用性强，使用方便； 2、功能强，适应面广； 3、可靠性高，抗干扰能力强 ；4、编程方法简单，容易掌握 ；5、PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作量少，极为方便。控制程序变化方便，具有很好的柔性；6、体积小、重量轻、功耗低。,PLC的应用,1、开关量逻辑控制 ；2、运动控制 ；3、闭环过程控制 ；4、数据处理
4、 ；5、通讯联网,PLC的组成,PLC由四部分组成 ：中央处理单元（CPU板）、输入输出（I/O）部件和电源部件,3.2、PLC的工作原理,PLC采用分时操作原理，从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。,PLC执行程序的过程, 集中采样： 在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁
5、，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。,集中输出： 在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。,输入和输出,PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。,3.3、PLC输入和输出模块的基本原理,数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。输入电路中一般设有R
6、C滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。（如图所示）,数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等负载。数字量输出模块将CPU内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器。（如图所示）,模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成是A/D转换器。（如图所示） 模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换成为比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制
7、，其主要组成部分是D/A转换器。（如图所示）,3.4、倍福PLC模块,KL9010是K_BUS终端端子(模块),KL9010总线末端端子可用于总线耦合器和总线端子之间的数据交换。每一个站都可在右侧使用KL9010作为总线末端端子。总线末端端子不具有任何其它功能或连接能力。,机组的主控制器,CX1500-M310,CX1020,CX1100,KL9210,KL6904,KL9010,主控器由CX1500-M310模块负责DP通讯，由CX1020负责机组程序的逻辑判断，由CX1100负责CPU的供电及后续模块的通讯，由KL9210负责后续模块的供电，由KL6904负责安全链的判断和管理。,各个功能
8、模块内部的通讯图,主控制器通过现场总线Profibus-DP与各个子站进行交互通讯，各个功能模块通过K-Bus总线进行通讯，主CPU通过PC104总线进行内部通讯。,PC 104总线,以太网口1,以太网口2,CX1020内部的通讯结构,各个子站内部及对外的通讯结构,K-Bus总线,BC/BK3150,Profibus-DP,3.5、倍福PLC模块的组态运行,在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态英文是“Configuration”,其意义究竟是什么呢？简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。使控制逻辑与硬件相对应，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事
9、先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。PLC的组态过程其实就是通过软件将控制逻辑程序与各个功能模块的输入或输出联系起来过程，并生成固定的组态文件。PLC在运行过程中不断读取组态文件，并按照组态文件中的规则 对相应的硬件输入或输出。,输入/输出按组态文件进行,四、现场总线Profibus-DP,4.1 Profibus-DP定义了三种设备类型,4.2 Profibus-DP单主系统,注意：我们1.5MW的电控系统就是采用的Profibus-DP单主系统。,4.3 Profibus-DP多主系统,注意：我们的机组一般的通讯速
10、率是3MBit/s,所以总线循环时间低于10ms。,4.4 1.5MW机组的Profibus-DP结构,五、主控系统的功能,主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系
11、统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，低于切入风速时自动停机。,5.1 机组几种主要动作关系图,5.2 启动和并网控制,风力发电机的启动和并网过程如下：由风向传感器测出风向主控制器使偏航驱动机构动作，从而使风力发电机组对准风向。同时检测风速（只要有风发电机转子就有转动，随着风速的增加发电机的感应电压也逐步增加，即电机端电压逐步升高），当风速超过切入风速时，机组开始启动，当机组达到一定条件时，通过全功率变流器控制的功率模块和变流器网侧电抗器、电容器的LC滤波作用使系统输出电压等于电网电压、频率也达到并网条件，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相位差，当其为零或相等（过零点）时实现并网发电（
12、这些条件在金风1.5MW机组里全部通过变流装置的控制来实现，变流装置通过锁相控制和SPWM调制等使机组输出达到并网条件）。,启动并网流程,5.3 主控系统的控制及安全保护,整个运行过程都处于主控PLC严密控制之中。其安全保护系统分三层结构：主控制PLC系统，独立于PLC的安全链，器件本身的保护措施。在机组发生超常振动、过速、电网异常、出现极限风速等故障时保护机组，对电流、功率等的保护，采用两套相互独立的保护机构。当电网电压过高，风速过大等不正常状态出现后，电控系统会在系统恢复正常后自动复位，机组重新启动。具体运行过程为：,A、当风速持续10分钟（可设置）超过3m/s，风机将自动启动。叶轮转速大
13、于10转分时向电网送电。,B、随着风速的增加，发电机的出力随之增加，当风速大于12m/s时，达到额定出力，超出额定风速机组进行恒功率控制（通过变桨控制和变流器的扭矩控制实现）。,C、当风速高于22米/秒持续10分钟，将实现正常停机（变桨系统控制叶片进行4/s顺桨，转速低于切入转速时，风力发电机组脱网）。,D、当风速高于28米/秒并持续10秒钟时，实现正常停机；当风速高于33米/秒并持续1秒钟时，实现正常停机。,E、当遇到一般故障时，实现正常停机（变桨4/s 顺桨）。,G、当遇到特定故障时，实现紧急停机（变流器脱网，网侧断路器断开，叶片以7/s的速度顺桨）。,F、当遇到某些固定故障时，实现快速停机（变桨6/s 顺桨）。,主控制系统的设计和实施结果能够满足风力发电机组无人值守、自动运行、安全保护的要求。,谢谢！,
