2.1 金风2.0MW机组控制系统介绍ppt课件

金风2 0兆瓦风力发电机组主控制系统 课程内容 一 金风2 0兆瓦风力发电机组总体介绍二 金风2 0兆瓦风力发电机组的电气控制系统三 机组主控制系统的组成及功能四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理五 金风2 0兆瓦机组内的部分模块及传感器六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统七 手持移动终端 金风2 0MW风力发电机组是基于金风1 5MW风力发电机组平台开发的新型机组 1 叶片2 变桨系统3 轮毂4 发电机转子5 发电机定子6 发电机开关柜7 测风系统8 辅助提升机9 偏航系统10 底座11 发电机散热系统12 机舱罩13 塔架 一 金风2 0兆瓦风力发电机组总体介绍 2 0MW机组控制系统拓扑图 一 金风2 0兆瓦风力发电机组总体介绍 金风2 0兆瓦机组的电气控制系统的组成 二 金风兆瓦风力发电机组的电气控制系统 控制系统各个部分的主要功能 二 金风兆瓦风力发电机组的电气控制系统 金风2 0MW主控系统系统由变桨子站 机舱控制子站 低电压控制子站 水冷控制子站 变流控制子站 轮毂测控子站和主控器组成 控制系统采用Profibus DP通信 主站 子站分配不同的通信地址 二 金风兆瓦风力发电机组的电气控制系统 金风2 0MW风力发电机组的主控系统以德国倍福公司生产的嵌入式PC控制器为核心 组成了机组的PAC控制系统 控制器实现了机组的过程控制 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的功能 配有多种通讯接口 可实现就地通讯和远程通讯 采用PROFIBUS DP现场总线组网 安全可靠 二 金风兆瓦风力发电机组的电气控制系统 主控系统组成 三 机组主控制系统的组成及功能 三 机组主控制系统的组成及功能 部分功能系统介绍 配电系统配电变压器90kVA干式变压器 690V 400V 二次侧单套绕组 绝缘等级H级 自然冷却 420kg 过流保护ABBS200系列微型断路器 MS系列马达过流保护器 触电保护ABBF202 F204漏电保护器 接地 浪涌保护Phoenix电源浪涌保护器 三 机组主控制系统的组成及功能 由两个独立的散热系统组成 每个系统主要由进风道 出风道 离心双速电机组成 出风道内安装有Pt100用于监测出风口温度 两套散热设备位于主轴两侧对称位置 双速电机实现冷却风扇电机高低速运行机制 2极高速运行 4极低速运行 部分功能系统介绍 发电机冷却系统 三 机组主控制系统的组成及功能 部分功能系统介绍 变流器冷却系统 水冷 冷却控制柜中的测量控制系统以德国贝福PLC扩展模块为控制核心 PLC模块将传感器采集到的信号传递给主控制器 对冷却循环系统进行实时监控 冷却系统的运行参数和报警信息都在主控制器中 并由主控制器进行统一管理 主控制器与冷却控制系统的通信采用现场总线 冷却控制系统是主控器的扩展单元 部分功能系统介绍 安全链保护系统双安全链回路系统 与1 5MW回路设计的最大不同是引入了变流安全链 使其能够成为完全独立的硬件安全输入 输出保护系统 三 机组主控制系统的组成及功能 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 金风2 0兆瓦机组的主控制器组成 金风2 0兆瓦风力发电机组的主控器由CX5020 KL9210 KL1104 KL2134 KL6021和KL9010组成 其中CX5020模块既负责DP通讯又负责机组程序的逻辑判断 是整个系统的CPU单元 KL9210负责CPU的供电及后续模块的通讯 KL1104是数字量的输入模块 KL2134是数字量的输出模块 KL6021是modbus通信模块负责与电量采集模块的通信 KL9010是主站终端模块 CX5020 KL9210 KL1104 KL2134 KL6041 KL9010 主控系统是机组可靠运行的核心 主要完成以下工作 采集数据并处理输入 输出信号 判定逻辑功能 对外围执行机构发出控制指令 与机舱柜及变桨控制系统进行通讯 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 执行机构 输出模块 主控程序 输入模块 检测器件 组态 数据交换 组态 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 BX3100 BK3150 在金风2 0兆瓦机组的控制系统中 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 主控制器通过PC104总线接口进行内部通讯 各个子站内部及子站与主站之间的通讯结构 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 机组中用到的贝福模块 或功能端子 1 主控制器CX50202 总线供电端子KL9210 电流信号 3 子站通信模块BK3150 总线耦合器 4 子站通信模块BX3100 总线端子控制器 5 4通道数字量输入端子KL11046 4通道数字量输出端子KL21347 8通道数字量输出端子KL24088 4通道模拟量输入端子KL32049 4通道模拟量输入端子KL340410 1通道模拟量输出端子KL400111 SSI传感器接口端子KL500112 4通道模拟量输入端子KL345413 RS422 RS485串行接口端子模块KL604114 K Bus总线终端端子KL9010 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 金风2 0MW主控系统选用CX5020为主控系统的核心控制器CX5020带有两个独立的以太网端口 可定义两个独立的IP地址 和四个USB2 0接口 一块位于盖板后面并可从外部拆装的可互换的CF卡作为CX5020的引导和存储介质 CX5020还内置了一个1秒钟UPS 可确保在CF卡上安全备份持久性应用数据 目前CX5020选用的操作系统是WindowsCE 可以通过CERHOST软件进行访问 1 控制器CX5020 KL9210供电端子可插入输入和输出端子之间的任意位置 以构建一个电位组 或给右侧端子供电 供电端子提供的电压最高为交流230V 具有诊断功能的端子可向控制器报告电压故障或短路 在机组中主要给后续端子模块进行直流24V供电 2 总线供电端子KL9210 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 PROFIBUS DP 紧凑型 总线耦合器BK3150扩展了Beckhoff总线端子系统 比较小巧且经济 可以连接多达64个总线端子 若采用端子总线扩展技术 则可连接多达255个总线端子 PROFIBUS总线耦合器具有自动波特率检测功能 速率最大可以达到12Mbaud 2个地址选择开关用于分配地址 为了方便现场总线信号的通讯 提供1个D sub9针接口 3 子站通信模块BK3150 总线耦合器 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 4 子站通信模块BX3100 总线端子控制器 BX系列总线端子控制器由带现场总线和总线端子接口的可编程IEC61131 3控制器组成 另外 BX设备配备有两个串行接口 一个用于编程 另一个供自由使用 设备自身还配备有2行x16字符的LCD液晶显示器 一个摇杆开关和一个实时时钟 例如 CANopen从站 可通过集成的Beckhoff智能系统总线 SSB 连接 显示一个基于CANopen的总线子系统 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL1104数字量输入端子 从现场设备获得二进制控制信号 并以电隔离的信号形式将数据传输到更高层的自动化单元 KL1104带有输入滤波 每个总线端子含4个通道 每个通道都有一个LED指示其信号状态 5 4通道数字量输入端子KL1104 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL2134数字量输出端子将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信号形式传到设备层的执行机构 KL2134有反向电压保护功能 每个总线端子含4个通道 每个通道都有一个LED指示其信号状态 6 4通道数字量输出端子KL2134 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL2408数字量输出端子将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信号形式传到设备层的执行机构 KL2408有反向电压保护功能 其负载电流输出具有过载和短路保护功能 每个总线端子含8个通道 每个通道都有一个LED指示其信号状态 它所连接的元件必须和KL2408为同一接地 在闭环中所有电源触点互相连通 在KL2408中由24V电源触点为输出供电 7 8通道数字量输出端子KL2408 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL3204模拟量输入端子可直接连接电阻型传感器 总线端子电路可使用2线制连接技术连接传感器 整个温度范围的线性度由一个微处理器来实现 温度范围可任意选定 总线端子的标准设置为 PT100传感器 分辨率为0 1 故障信号显示灯显示传感器故障 例如断线 KL3204含4个通道 在机组中主要用于采集温度信号 8 4通道模拟量输入端子KL3204 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL3404模拟量输入端子可处理直流 10V和 10V范围的信号 分辨率为12位 在电隔离的状态下被传送至上一级自动化设备 在KL3404总线端子中 有4个输入端为2线制型 并有一个公共的接地电位端 输入端的内部接地为基准电位 运行LED显示端子与总线耦合器之间的数据交换 9 4通道模拟量输入端子KL3404 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL4001模拟量输出端子可输出直流0V到10V范围的信号 该端子可为处理层提供分辨率为12位的电气隔离信号 总线端子的输出通道有一个公共接地电位端 KL4001是单通道型 适用于带有接地电位的电气隔离信号 它通过运行信号灯显示端子与总线耦合器之间的数据交换状态 在机组中主要用于控制变桨输出信号 10 1通道模拟量输出端子KL4001 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL5001SSI接口端子可直接连接SSI传感器 传感器电源由SSI接口提供 接口电路产生一个脉冲信号以读取传感器数据 读取的数据以字的形式传送到控制器的过程映像区中 各种操作模式 传输频率和内部位宽可以永久地保存在控制寄存器中 在机组中主要用于旋转编码器的数据采集 11 SSI传感器接口端子KL5001 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL3454模拟量输入端子模块可处理4 20mA范围内的信号 电流信号被转化成数字信号后 其分辨率为12位 并在电隔离的状态下被传送至上一级自动化设备 在KL3454总线端子模块中 有4个输入端为2线制型 并有一个公共接地电位端 24V电源触点连接到端子模块 用于连接2线制传感器 而无需外部电源 12 4通道模拟量输入端子KL3454 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 13 RS422 RS485串行接口端子模块KL6041 金风2 0MW主控系统使用KL6041与电能表的RS485接口端子相连进行串口通信 用于获取电能表传输过来的风机电网测量信号 KL6041串行接口可与带RS422或RS485接口的设备相连 与端子模块相连的设备通过总线耦合器直接与自动化设备通讯 这种主动的通讯通道独立于上一层的总线系统 并在全双工模式下工作 其通讯速率可达19200baud或115 2kbaud KL6041 差分信号传输符合RS422协议规范 由于信号经过电气隔离处理 该接口具有很强的抗干扰能力 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 KL9010总线终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作为总线终端端子 总线末端端子不具有任何其它功能或连接能力 14 K Bus总线终端端子KL9010 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 数字量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RC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 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 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 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 模拟量输入和输出模块的基本原理 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 主要由A D转换器组成 模拟量输出模块将CPU送给它的数字信号转换成电流信号或电压信号 对执行机构进行调节或控制 主要由D A转换器组成 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 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 逐条执行程序 直到程序结束 然后再从头开始扫描执行 并循环执行 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 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 PLC执行程序的过程 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 倍福的控制系统支持所有的IEC61131 3编程语言 文本编程语言 指令表 IL 结构化文本 ST 图形编程语言 功能块图 FBD 梯形图 LD 顺序功能图 SFC 连续功能图 CFC 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 在倍福提供的编程软件TwinCAT中 根据机组实际运行的环境及所要达到的控制目标进行机组程序的编写 机组的控制程序由组态和控制逻辑程序两部分组成 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 组态 PLC的组态过程即通过软件将控制逻辑程序与各个硬件功能模块的输入或输出联系起来 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 组态是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 组态的执行过程与组装类似 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 PLC的输入和输出是按程序中配置好的组态文件进行的 四 主控系统的倍福PLC及其基本控制原理 五 金风2 0兆瓦机组内的部分模块及传感器 电能表 金风2 0MW机组使用Woodward电能表或横河TW130电能表作为电网监测模块 通过KL6041串行通讯模块与PLC进行通讯 配置了4个继电器分别配置电能表故障 低电压穿越标志 高电压穿越标志 电网频率故障 用以对电网极端故障的辅助检测和保护功能 两款电能表的接线端子定义以及主控程序的软件解析方式均相同 对于已经分别配置好参数的两款电能表 可以直接互换使用 Woodward电能表 横河TW130电能表 五 金风2 0兆瓦机组内的部分模块及传感器 凸轮计数器 五 金风2 0兆瓦机组内的部分模块及传感器 接近开关 金风2 0MW机组主控系统中 有两处功能采用了接近开关作为传感器 发电机转速接近开关测量发电机轴承齿形盘 获得一组正比例于发电机转速的脉冲信号 送入OverSpeed模块 由OverSpeed模块转换为0 10V的电压信号后送入PLC 计算出发电机转速 偏航位置双接近开关安装于偏航轴承齿前 通过识别两只接近开关的高低电平状态可以计量偏航过程中偏航位置增量数据 同时可以判定偏航方向 双接近开关测得的偏航位置 偏航计数值 4 179 360 五 金风2 0兆瓦机组内的部分模块及传感器 风向标 风速仪 数据计算 Output 4 20mA Output 4 20mA 风速 0 50m s 风向角 0 360 数据计算 安装于机舱顶部的风速仪和风向标 将机械信号转化成电信号传给测量模块 主控软件根据产品参数 换算得到风速与风向角 五 金风2 0兆瓦机组内的部分模块及传感器 GW测速模块 GW测速模块由两个模块组成 电压转换模块 GW POT 和信号处理模块 GW SPEED 通过直接测量机侧电压 690V 经模块处理后转换为与转速成正比的0 10V电压信号送入PLC 连线示意图如下 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 金风2 0兆瓦机组主控系统软件组成 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 主控软件工程化设计 1 概述 执行机构 输出模块 主控程序 输入模块 检测器件 组态 数据交换 组态 主控软件工程化设计 2 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 主控软件工程化设计 3 数据采集 例如 偏航位置数据采集的直观描述 电压信号 位置数据 转速比采样周期位置差值 数据计算 偏航位置 凸轮计数器 偏航速度 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 偏航位置采集的数据转化过程 0 10V 0 32767 1955 1955 滑线变阻器本身的电压输出范围 KL3404将0 10V模拟量转化成0 32767的数字量 根据凸轮小齿的数量 偏航齿数量 核算为对应的偏航角度 电压 组态 profi in yaw position WEB网页 手持终端 变桨控制 监测机制 热能量控制 偏航控制 并网控制 启停机控制 自启动控制手动启动控制复位控制故障停机小风停机大风停机手动停机环境温度异常导致停机 网侧预充电网侧合空开机侧合空开调制控制有功功率控制无功功率控制低电压穿越控制 自动对风解缆润滑加脂侧风控制 维护变桨停机顺桨主动变桨 柜体加热柜体散热柜体除湿发电机散热水冷系统加热器启停 设备状态监测振动监测转速监测机舱位置监测温度监测压力监测电网监测安全链监测总线监测故障文件数据统计文件 保证机组的安全可靠 高效率运行 主控软件功能控制系统软件 赋予整个机组思想和灵魂 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 机组的运行状态 0初始化1停机过程2停机状态3待机状态4启动状态5并网发电状态9维护状态 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 机组各个流程的动作 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 机组内部的等级控制 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 机组内部的安全链控制 启动和并网控制 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 停机控制 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 紧急停机控制 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 故障参数定义Err Def 专用读写工具 二进制文件 读取二进制文件至专用数组 读取成功 AND 其他条件 主控软件外部实现 初始化完成 Initialization Standstill AND 按故障号调用故障定义 若 温度值在故障区间内则 全局停机等级 0 Stop 机组的故障判断 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 故障判断 故障数据记录F文件 风机在并网发电时刻发生了故障 主控系统PLC会将故障发生时刻机组的关键信息及运行状态自动记录下来 并保存为网页格式 命名方式为时间加故障编号的方式 如f140508 1626 315表示2014年5月8日16 26分发生315号故障时生成的f文件 f文件被保存在ftp根目录下 也可以登录WEB网页在功能区选择B F文件中进行查看 f文件中故障变量状态值会以红色字体显示 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 故障判断 故障数据记录B文件 风机并网运行发生故障时 除生成f文件外 还会生成相应的b文件 b文件也以时间和故障编号方式命名 如b140508 1626 315表示2014年5月8日16 26分发生315号故障时生成的b文件 b文件保存在ftp根目录下 也可以登录WEB网页在功能区选择B F文件进行查看 b文件以0时刻为故障时刻 记录故障发生前90s和故障后30s的模拟量和数字量信息 因此通过f文件确认故障名称后 再对相应的b文件进行分析可以查看故障相关变量在故障前后的变化趋势 并结合故障说明中的故障判定条件 有助于深入理解故障发生的原因 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 数据分析 M文件 10分钟均值数据记录 m文件每天生成一个 以日期进行命名 如m140508表示2014年5月5日生成的m文件 m文件包含了风机的各测量点温度 风速以及电网等关键变量 数据用分号进行分隔 存储间隔为10分钟 即数值为各变量的10分钟平均值 可通过excel或其他数据分析软件对m文件进行分析 六 金风2 0兆瓦机组主控的软件系统 机组运行动作记录文件myActionList 动作记录是指将风力发电机组的状态改变和人为操作等信息记录下来 方便在某些特殊的情况下对风机进行分析 现场维护人员可通过登录FTP查看动作记录文件myActionList txt 也可以登录WEB网页查看功能区的动作记录 控制系统的控制及安全保护 机组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