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1、摘 要在风力发电控制系统中，基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于PLC的风力发电控制系统，旨在解决风力波动对输出功率的影响，从而实现恒功率输出；通过选择合适的控制方法，使系统能更快更准确的达到稳定状态，进而可以有效提高风力利用率。设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路及变浆距控制电路和工作情况进行了设计，并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I/O接线图；在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在变浆距电路中，完成了变浆距功能。同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序，并进行了相
2、关调试，另外利用S7-200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。关键词：可编程控制器；偏航；变浆距；控制系统；风力发电ABSTRACTIn the wind power control system based on Programmable Logic Controller (PLC), mainly is the design of future development direction. This design based on PLC control system, the wind turbines aimed at resolving power output of
3、 wind wave, so as to achieve the effect of constant power output, Through the choice of appropriate control method, the system can be faster and more accurate and stable state, can effectively improve the utilization rate of wind.In the design of generator control circuit, control circuit and yaw co
4、ntrol circuit and work from pulp the design drawing, and the corresponding electrical diagram. In the control circuit also that the PLC and inverter air pressure and the corresponding motor type selection, rendering the I/O wiring diagrams, The generator control circuit, the design of the speed cont
5、rol, generators, The design of the circuit, wind, cable function, Changes in the plasma from circuits, the slurry is completed.In the design of the detailed written parts control program, and the relevant debugging, while using S7-200 simulation software simulation system, and the simulation results
6、 and meet the design requirements.Key word: Programmable Logic Controller;Yaw;Pitch-controlled; Control system;Wind power第1章 引 言1.1 选题背景和意义风力发电机利用风轮将风能转变为机械能1, 然后在用发电机将机械能转变为电能。控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题2：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电
7、机组3，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的4，桨叶的节距角在安装时已经固定；而发电机转速由电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的5。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。 到了20世纪90年代中期6，变桨距风力发电机组和基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的
8、根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，使供电效率、质量有所提高。 随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域7，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测
9、量值进行反馈控制，或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统8。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。 我国风电产业起步较晚，目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究，在控制系统的产业化项目中，缺乏最优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略9，由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电
10、系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此，对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。传统的风力发电控制方法存在诸多不足10，引起较大的能量损失，基于PLC为主控制器的控制系统，结构简单，通用性强，编程方便，抗干扰能力强，可靠性较高，并且维护起来比较方面，能够直观的反应现场信号的变化状态，通过编程工具可以直接观察系统的运行状态，极大的方面了维护人员查找故障，缩短了对系统维护的时间。随着新型控制算法的研究和应用，可以有效提高风能利用效率，对于提高风电机组的发电量，减小风电成本具有重要意义。1.2 风
11、力发电在国内外的发展现状风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展11，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大
12、型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家12，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国着名的
13、Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续13。截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多14，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。2005年国际风电市场份额的
14、分布多样化进程呈持续发展趋势15：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为48%。2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为风力 12（Wind Force 12）的报告16，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历
15、程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国2020年风电装机有可能达到1.7亿千瓦。根据国家气象科学院的估算17，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。内蒙古 实际可开发量 0.618亿kW西藏 实际可开发量 0.408亿kW新疆 实际可开发量 0.343亿kW青海 实际可开发量 0.242亿kW黑龙江 实际可开发量 0.172亿kW2005年中国除台湾省外新增风电机组592台18，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年
16、当年新增装机增长率为254%。 截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区）。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h。 中国十一五国家科技支撑计划项目大功率风电机组研制与示范支持1.5 MW以及2.5MW和2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制19；1.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系
17、统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制20；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。十一五末21，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。目前大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机22。采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。并与其他功能模块保持通信，发出各种控
18、制指令。目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备24，目前功能上有较大提高。很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。在今后的20年内，国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期25；在中国，并网型风力发电机组装机容量增长速度将明显加快，令世界瞩目，离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大，装机总容量最终将超过并网型风力发电机组，同时基于PLC为主控制器的控制系统也
19、将会得到越来越多的应用。1.3 设计的主要内容及要求本次设计要求是设计一个风力发电机组控制系统，主控制器为PLC，主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、具有恒功率输出的功能、在风机转动超出设定角度值时，具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测，并根据需要采取相应的措施。根据设计的要求，主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的发电机系统，实现发电机与电网的并网；拟通过偏航系统的设计，完成对风功能的实现，并且完成解缆报警的功能；拟通过设计变浆距控制机构来达到恒功率输出的目的；拟通过仿真软件的应用，可以实现对机组运行的监测。本设计从工业实用角度出发，研究基于PLC的风力发电控制系统。这就要求既要
20、掌握PLC相关知识和特定PLC的编程语言，也要有懂得一定的风力发电方面的知识。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PLC控制和风力发电电路成功连接。第2章 可编程控制器简介2.1 PLC的产生与发展可编程序控制器简称为PLC，是一种新型的控制装置，一项先进的控制技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程控制的艰巨任务，可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电
21、器的损害，甚至某个继电器的触电接触不良，都会影响整个系统的正常进行。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。因此，人们迫切需要一种工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种26。为此要解决汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，就要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能
22、更强大的通用工业控制器。为此GM公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器。早期的PLC主要由分立式电子元件和小规模集成电路组成，它采用了一些计算机的技术，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能，它简化了计算机的内部结构，使之能够很快地适应恶劣的工业现场环境。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：一、早期的PLC(60年代末70年代中期)早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器27。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物
23、的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。二、中期的PLC(70年代中期80年代中、后期)在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国
24、、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。三、近期的PLC(80年代中、后期至今)进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提
25、高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软硬件功能发生了巨大变化。近年来，PLC技术得到了长足的发展28，其结构和功能不断改进，应用范围迅速扩大，各PLC厂商相继推出功能更强大的产品。随着技术的不断创新，在PLC中也出现了模拟量I/O模块和专门用于模拟量闭环控制（过程控制）和智能PID模块，实现了PID控制功能的软件化。某些PLC的过程控制甚至还具有自适应、参数自整定功能，使调节时间大为减少，控制精度显著提高。如果PLC系统与微型计算机通过相应的通讯协议实现实时通讯和数据共享，还能够进一步实现数据的图形界面显示以及数据的采集、记录、打
26、印等一系列实用的后续处理功能。可以说，由于PLC能够实现的功能越来越强大，现在一些大型PLC与集散控制系统的界限已经越来越模糊，它的应用前景非常好。2.2 PLC基本构成2.2.1 PLC的系统组成PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图3.1所示。1、中央处理单元中央处理单元（CPU）是PLC的核心，起神经中枢的作用，一般由控制电路、运算器和寄存器组
27、成。它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。指示灯CPU存储器电源部分编程器或其他编程设备输 出 单 元输 入 单 元按钮继电器触点行程开关电磁阀接触器图3.1 PLC结构框图2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基
28、本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以分为RAM、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。3、输入/输出单元I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好
29、的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器则是交流型和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。4、电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。5、扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。7
30、、编程器编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。2.2.2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后再返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停止状态时，只进行内部处理和
31、通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1、输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。2、程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入
32、的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。3、输出处理程序执行完毕后，将输出映像寄存器，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。2.3 PLC的特点与应用2.3.1 PLC的特点PLC经过半个世纪的发展，与继电器和微机控制相比，有以下显著特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械震动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常
33、工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。（2）控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种较多，可由各种组建灵活组成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线
34、即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修给程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和相应软件的不同。PLC的输入/输出可直接与交流220V，直流24V等电源相连，并有较强的带负载能力。（3）编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。
35、（4）功能完善PLC的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主控继电器以及位移寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便的实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC具有极强的适应性，能够很好的满足各种类型控制的需要
36、。（5）设计、施工、调试的周期短用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入/输出点数、内存大小）等选用组装。而大量具体的程序编制工作也可以在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期。因为PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。（6）体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输
37、出系统能够直观的反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。2.3.2 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线
38、、电镀流水线等。2、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电
39、梯等场合。4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作。数据处理一般用于大型控制系统，如
40、无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6、机器人控制机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的三大支柱之一。现在许多机器人制造公司选用PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制中的应用必将更加普遍。7、通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.4 本章小结本章重点叙述了PL
41、C的产生、发展、特点、应用及PLC的结构和工作原理。工业控制中使用的PLC种类很多，不同厂家的产品各有特点，它们虽有一定的区别，但作为工业标准控制设备，PLC在结构组成、工作原理和编程方法等许多方面是基本相同的。PLC是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。第3章 硬件设计3.1 风力发电机组控制系统总体方案控制系统由微机控制器11（包括监控显示运行控制器、并网运行控制器、发电机功率控制
42、器）、运行状态数据监测系统、控制输出驱动电路模板（输出伺服电动机、液压伺服机构、机电切换装置）等系统组成。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。根据设计的要求，本设计对偏航系统进行了着重分析，拟采用风向传感器采集信号，将信号进行处理，然后通过偏航电动机转向，使机舱完成对风工作；为了保护电缆不至于扭绞，在机舱沿同一方向旋转了两圈之后，会有相应的报警程序。为了实现机组的恒功率输出，控制器通过采集主发电机转速信号，看发电机是否工作在额定转速，然后通过伺服电机调
43、整叶片对风的角度，使风力得到最大程度的应用，也就是变浆距功能的实现，从而实现恒功率输出。本系统采用S7-300PLC为控制器，其基本控制框图如图3.1所示。PLC驱动器驱动器偏航电机变浆电机状态显示 图3.1 系统控制框图3.2风力发电机组主要结构概述水平轴风力发电机一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、变桨距装置、塔架和控制系统等主要部分所组成8，如图3.2所示。风轮：风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前大型商用风电机组一般为23个)装在轮毂上组成。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架
44、举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据1-轮毂（装叶片）；2-传动系统；3-塔架；4-偏航装置；5-风速风向仪；6-发电机；7-刹车系统；8-增速齿轮箱；9-变浆距机构； 图3.2 风力发电机组主要结构图风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风。轮毂是风轮的枢纽，是叶片根部与主轴的连接部分，也是控制叶片变桨距的所在。增速齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。发电机：风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同：风电机发电
45、机需要在波动的机械能条件下运转。通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机，有的也使用永磁同步发电机。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。值得注意的是，小功率级别的风电机都是通过统一的偏航装置调整所有叶片的角度，而最新的风电机大都是每个叶片设置单独的偏航系统。变浆距装置：变浆距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输
46、出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。塔架：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。600千瓦风电机的塔高为 40至60米，5兆瓦级别的塔高则超过100米。根据底座的不同，支撑塔可以为管状，也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它重量轻，技术相对成熟（与海上石油钻井台原理相同）。控制系统：控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关
47、重要的影响。其控制软件根据风力发电基础理论研究成果和机组实际运营过程中的数据，能够准确的实现风力发电机组的特殊控制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。风速计及风向标：用于测量风速及风向。3.3 风力发电机组控制电路设计3.3.1 发电机控制电路设计本设计关于主发电机控制电路的设计主要是速度信号的采集，通过模拟量输出传感器将信号传递给PLC。主电路设计如图3.3所示，图中M1为发电机，由接触器QA2控制。热继电器FR1为电动机作过载保护。图3.3 发电机主电路图图2.3 发电机主电路图电机由接触器QA2来实现起动。起动时，应将电源引入开关QA1闭合，若PLC输出信号接口发出高电平，则使Q
48、A2线圈通电吸合，其主触头接通发电机，M1起动。若信号为低电平，则线圈失电，从而主触点断开，发电机停机。3.3.2 偏航控制电路设计偏航控制电路主要有作用如下：（1） 正常运行时自动对风。当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，直到达到允许的误差范围内，自动对风停止。，传感器接收到风向信号后传递模拟量给PLC，然后经过PLC的分析，输出相应的信号给伺服驱动器器，然后控制器驱动伺服电机旋转，从而完成对风的任务。（2） 绕缆时自动停机。当机舱向同一方向累计偏转2圈后，控制停机，否则会使电缆扭绞，影响系统安全。 （3） 失速保护时偏离风向。当有特大强风发生时，风力传感器会传递模拟
