基于PLC的风力发电控制系统设计

毕业设计(论文) I定性的特点，本文用西门子可编程限制器S7-200来对风力发电进行限制。主要内容包编程软件对PLC程序进行调试、仿真运行和在线诊断等，使仿真结果满足设计要求。ⅡAbstract:Inrecentyears,withthecontinuouslivingstandardscontinuetoimprove,inthescopeofworldpetroleum,oilandCombustionpowergenerationofpollutantsgenerenvironmentoftheearth.However,thewindenergyisaclean,renewableenergytheprogressofscienceandtechnology,computerandprogrammablecontrolofthelevelofscientificresearchinapaper,aimingatthesecharacteristicsofunandelectricaltransformercontrolandsoon.Inthispaper,itgivesdetaiprincipleandthefunctionofeacsimulation,usingofSTEP7-Micro/WIN32proKeywords:windpowergeneration;programmablecontro I Ⅲ 11.1选题背景与意义 11.2国内外发呈现状 2 2 31.3主要内容及章节支配 42风电机组组成与风能理论 62.1风电机组组成部分介绍 62.1.1风轮及其组件 62.1.2机舱及其组件 7 82.1.4限制系统 82.2风能理论简介 92.2.1风速和风能 92.3本章小结 93设计方案和电气元件选型 3.2I/O地址安排与电气元件选型 3.2.1I/0地址安排 3.2.3其他器件的选型 203.3本章小结 4.1.1PLC的基本结构 2 4.1.3PLC的特点 4.2.2偏航限制程序 264.2.3温度限制程序 4.2.4变压器限制程序 4.3本章小结 5系统调试与仿真 5.2系统仿真 5.3本章小结 426结论 43 46第1页共46页1.1选题背景与意义第2页共46页2010年风电装机1000万千瓦的目标。在2010年，我国的风电装机容量已超过3000万第3页共46页第4页共46页过238000KW。这表明去年风电市场的年增长率达6%,总量同比增长超过21%。另一在始终在巨大压力下前行。”第5页共46页2风电机组组成与风能理论风能发电的原理，是风力带动风电机的轮片旋转，轮片的一端连接发电机的机械联动杆，发电机内导体切割磁感应线而产生电流，这样实现了风力发电的目的。依据现在的风机技术，风速3m/s左右的微风即可以起先发电。本章简洁介绍风力发电机组的组成以及相关的空气动力学学问，即可清晰了解风力发电的原理和过程。2.1风电机组组成部分介绍风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组 (10KW以下),中型风电机组(10~100KW),大型风电机组(100KW以上);按其主轴与地面的相对位置，可以划分为水平轴风力发电机组(主轴与地面平行),垂直轴风力发电机组(主轴与地面垂直)。最早最简洁的风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于肯定高度的塔上。由于外界因素影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低下，没有实际运用价值。所以在原有的基础上，增加了偏航系统，齿轮箱，限制系统，停机系统等部件更加有效地运用风能。在现有技术基础上大致可以把一个一般的风电机分为四大部分：风轮组件，机舱组件，塔架组件以及限制部分。图2-1表示风机各个部分的组成。风轮由三部分组成：叶片、轮毂、风轮轴[4。风轮是风力发电机最重要的部件，也是风力发电机区分于其他发电机的显要标记，其作用是获得和汲取风能，它将风能转化为机械能。而风轮轴则将能量给传动机构。叶片是风力发电机获得风能的部件，风能利用率的好坏大都取决于良好的叶片外第7页共46页 第8页共46页2.1.3塔架部件塔架的功能是支撑位于空中的机舱、轮片等风力发电主要器件，一般要求高度达到六十米以上，且塔架与地基相连接处要求坚固，能够承受强大的风力冲击以及有风力发电系统运行引起的不同载荷，将这些载荷接地消退，使得整个系统能够平稳平安地运行下去。塔架内部配置线缆还必需将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，必需配有爬梯与平安导轨，备以工作人员操作、维护。塔架的几种基本形式：单管拉线式，衍架拉线式，衍架式和锥筒式。2.1.4限制系统限制系统是整个风力发电机组的核心部分，它关系到系统中每一个部件的动作和状态。通常运用PLC,或者DSP微机处理器作为限制器件，它们功能强大，能够应付恶劣的工作环境，所以受到广泛应用。限制系统的功能主要有对运行过程的模拟量和数字量进行采集、传递、分析、运算，从而做出吩咐限制风电机组的运行，使得功率输出稳定，转速在合理的范围内；若出现故障或者遇到异样状况可以快速精确地检测到并且分析缘由，做出相应的爱护措施或停机。限制系统通常由各种传感器，微机处理器，编程限制器，软件系统和执行机构组成。图2-3为风力发电机组限制系统示意图。发电机启动控制偏航控制温度控制功率调整其他控制第9页共46页2.2风能理论简介2.2.1风速和风能2.3本章小结第10页共46页3.1设计方案图3-1表示这个系统流程框图：YN3.1.2具体模块设计依据系统不同方面的功能，将整个系统分为四个主要模块：发电机启动模块、偏航限制模块、温度限制模块和变压器限制模块。下来具体说明每个模块的主要功能、限制过程以及限制流程图。(1)发电机启动模块这一模块的功能是启动系统总开关，PLC初始化。风速传感器采集了外界风速模拟值，将风速反馈给PLC,假如风速过大，不符合发电的风速要求，若风速太大或者太小，不稳定状况时，PLC则可以向工作人员报警，工作人员可以选择手动停机；假如风速在合理的范围内，系统则启动发电机，发电机将风能转换为电能，并在此时发电机信号灯显示发电机在工作，系统信号灯显示表示系统运行。第12页共46页NY(2)偏航限制模块因此确定对风目标为风轮回转面与风向垂直。当风向发生变更，超出允许误差范围时，正动作。使得机舱能够精确地对风7。转动。依据风向传感器信号得到的风向标夹角信号给出偏航限制指令，当角度为180°第13页共46页向右偏转机舱水平轴0°机舱水平轴0°向左偏转风轮回转面风轮回转面误差范围，不做任何动作机舱水平轴0°第14页共46页YNYYNYNYNYN图3-4偏航限制流程图(3)温度限制模块常州高校本科生毕业设计(论文)要被控对象的数学模型，结构简洁简洁实现，有很强的敏捷性、好用性，运用便利等优点，所以将有效地提高PLC设计效率。图3-5为机舱和塔架内部温度闭环限制系统：pu(t)其中Kc为比例系数，T₁为积分时间常数，Tp为微分时间常数9]。比例系数Kc反应限制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调整作用马上产生调整作用，使得系统偏差快速向减小的趋势变更。积分系数Ti使得系统消退稳态误差，提高系统的无差度，以保证明现对设定值的无静差跟踪。微分系数Tp反应系统偏差的变更率，预见偏差变更的趋势，因此能产生超前的限制作用。直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消退偏差。在这个温控系统中，限制器的参数的整定方法是工程整定法，主要依靠于工程阅历，干脆在限制系统的试验中进行，并且方法简洁、简洁驾驭。试验凑试法是通过闭环运行或模拟，视察系统的响应曲线，然后依据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满足的响应曲线，从而确定PID限制参数。试验凑试法的整定步骤为“先比例，再积第一进行整定比例限制。将比例限制作用由小变到大，视察各次响应，直至出现反应快、超调量小的响应曲线。E其次进行整定积分环节。在比例限制下稳态误差不能满足要求时，则须要加入积分限制。将第一个步骤中选择的比例系数削减到原来的50%-80%,再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并且相应调整比例系数，反复凑试至得到较满足的响应，确定比例和积分的参数。第三进行是微分环节。经过步骤二，PI限制只能消退稳态误差，而动态过程不能令人满足，此时应当加入微分限制，构成PID限制。首先置微分时间Tp=0,渐渐加大Tp,同时相应地变更比例系数和积分时间，反复凑试直至获得满足的限制效果。依据上述试验凑试法，对这个温控系统进行分析，分别反复凑试各个参数，得到最满足的响应曲线，图3-9为系统经PID各系数整定后的阶跃响应曲线。在测试比例系数Kc时，发觉当系数越小，响应曲线反应越快，超调量越小，过渡过程越平稳，但余差变大。系数越大，偏差也随之变大，过渡过程简洁震荡。反复凑试确认系统的比例系数为0.01,但余差比较大。测试积分系数T₁时，将比例系数0.01减小到原来的一半，首先置积分系数为10.0,发觉不能很好地消退由比例系数整定后产生的余差。逐步减小积分时间，积分作用由弱变强，消退余差的实力由弱变强。在凑试积分系数为3.0时，发觉系统能够较好地将余差消退，。消退了偏差，输出停止变更。因为该温控系统的特点具有大惯性、大滞后性，所以运用微分系数调整没有效果。通常运用PI限制方式。因此，设定微分系数为0.0。设定系统采样时间为0.1s。在这个温度限制系统中，机舱和塔架内部的温度设定值、增益、采样时间、积分时间和微分时间都已在程序中设定，温度设定值为0.616,增益为0.01,采样时间为0.1,积分时间为3.0,微分时间为0.0。温度PID机舱PID设定参数和塔架内部PID设定参数一样。温度设定值0.616表示实际温度为25℃。计算25℃由公式3.1带入各系数具体值得到的。只要启动温控系统，进气阀就会放冷气流进入降温，检测室温，过程变量高于温度设定值，接着进气，若过程变量低于温度设定值，马上停止进气。机舱和塔架温度闭环限制流程图如下：NNPID算法PID算法Y第18页共46页机舱是风力发电系统中很重要的组成部分，假如温度过高将会影响发电机、主塔架排气阀塔架排气阀机舱排气阀塔架排气阀总进气阀限制室内温度时满1小时后进行排气；按下停止按钮后，关闭送分电动机和排气闸门。用到模拟量输入模块EM231和模拟量输出模块EM232。(4)变压器限制模块在变压器限制系统中，将发电机产生的电压转为标准的高压(此电压为传输到高压输电线路的高电压)。这有利于电压的传输与利用，电压过低或过高会引起线路的负载第19页共46页开关量输入点数为11个，开关量输出点数为11个，扩展模拟量输入模块EM231模拟量输入点数为4个，扩展模拟量输出模块EM232模拟量输出点数为2个。3.2.2PLC的选型数为4个，模拟量输出点数为2个。选择西门子S7-200CPU226型号，有24点开关量模块EM231CN和EM232CN。模拟量输入模块EM为24VDC状态。模拟量输出模块EM232CN具有2路模拟量输出通道，也为24VDC第20页共46页分类名称数据类型I/O口地址系统总启动变压器启动机舱温控系统启动机舱温控系统急停塔架内部温控系统启动塔架内部温控系统急停温度限制系统总启动温度限制系统总停止输出系统启动显示灯发电机启动向左偏航向右偏航合适风向显示灯风速过大警报显示灯温控进气阀进气变压器运行变压器停运风速风向机舱温度塔架内部温度机舱进气阀进气塔架内部进气阀进气变压器选用干式自冷变压器SCB10-M-630/10,低压侧为380V,高压侧则在30第21页共46页通用协助存储器M0.1风速参数大于3m/s通用协助存储器M0.2风速参数大于15m/s通用协助存储器M0.3风向参数在145°~155°区间风向参数在155°~165°区间通用协助存储器M0.5风向参数在165°~171°区间风向参数在171°~189°区间风向参数在189°~195°区间风向参数在195°~205°区间通用协助存储器M1.1风向参数在205°~215°区间通用协助存储器M2.1通用协助存储器M3.1PLC运行时这一位始终为1,是常ON继电器特别存储器SM0.1PLC首次扫描时为1,一个扫描周期。常用特别存储器SM0.5该位供应了一个周期为1秒钟，占空比为0.5的时钟累加寄存器ACO、AC1用于存放数据，如运算数据、中间数据和结果数据限制外部负载的开关信号3.3本章小结第22页共46页4可编程限制器及限制程序4.1可编程限制器简介第23页共46页第24页共46页(2)运动限制(3)闭环过程限制(4)数据处理(5)联网通信第25页共46页标准电信号为A0-Am(例如：4-20mA),A/D转换以后的数值为D0-Dm(例如：6400-32000),模拟量的标准电信号是A,A/D转换后的相应数值为D,由于是线性关系，D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+DO在以下程序中遇到模拟量转换，用公式4.1和公式4.2对数据进行计算便可以有效入模块读入，该模块的第一个通道连接一块带4-20mA变送输出的风速显示仪表，转换为数值6400-32000。该仪表的量程设置为0-20m/s,即0m/s时输出4mA,20m/s时输出20mA。风速显示仪的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器。可以用公式4.3说明X=(20-0)×(D-6400)/(32000-6400 模拟量转换后存在VD220,将VD220中数值与正常风力发电比较，在3m/s-5m/s风速范围内有信号则启动发电机(Q0.0);假如大于风速范围，则发出停机警报(Q0.5),工作人员察觉后可以手动停机。风速参数>3m/s))))4.2.2偏航限制程序转换。外部风向模拟量AIW2由EM231输入模块读入。该模块的其次个通道连接一块带即0°时输出4mA,360°时输出20mA。风速显示仪的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器。可以用公式4.5说明模拟量转换过程。X表示输入的第27页共46页 风向模拟量转换SM0.0N2图4-3风向模拟量转换梯形图VD222VD222M0.5网络12风向参数189-195角度区间VD222VD222M0.7VD222VD222R)第28页共46页风向参数205-215角度区间VD222VD222)>=R)7个角度区间进行不同的限制策略。180°表示正对迎风面。接下来将对这7个角度区间启动向右偏航的电动机。机舱偏转角度的大小由电动机工作时间确定，偏转角度越小， 145-155:向右偏航(002)90s155-165:向右偏航(Q0.2)50s165-171:向右偏航(002)20s)))第29页共46页 171-189:合适风向，显示灯亮(004))4.2.3温度限制程序第30页共46页名称数据大小32位32位32位32位机舱采样时间32位机舱积分时间32位机舱微分时间32位机舱积分前项32位32位32位32位32位32位塔架内部采样时间32位塔架内部积分时间32位塔架内部微分时间32位塔架内部积分前项32位32位机舱温度16位塔架内部温度16位机舱PID输出16位塔架内部PID输出16位温控初始化：中断设置图4-7温控系统初始化梯形图第31页共46页)断INT_1的中断时间为10,定时中断的时间间隔为20ms。钮I1.7,Q1.2被置0表示总进气阀停止进气流(Q1.2=0)。)第32页共46页为0~5V。然而模拟量输出模块EM232供应的电压为0~10V。EM232模块0~10V的电PLC送到EM232的最大数字量为16000,在PID的输出值送到模块EM232时，要乘以16000不是乘以32000,保证送至冷却机电路的电压在5V之内。 分析程序网络28,首先分别对机舱温度限制启动(I1.0)和停止(I1.1)的运行标模块EM232的AQWO值设为16000,这表示进气阀关闭。4-20mA变送输出的风向显示仪表，转换为数值6400-32000。该仪表的量程设置为0-100℃,即0℃时输出4mA,100℃时输出20mA。风速显示仪的铂电阻输入端接入一X=(100-0)×(D-6400)/(32000-6400)-0 网络1网络标题INENO-VD112网络2中传送机舱温控PID参数(第三章说明参数的整定),VD104中存放机舱温度设定值0.616,VD112中存放增益0.01,VD116中存放采样时间0.1,VD120中存放积分时间3.0,VD124中存放微分时间0.0。塔架内部的温控子程序和机舱的类似，塔架内部温度输入模拟量为AIW6,塔架内部温度PID参数和机舱温度PID参数相同。图4-11为机舱温控中断子程序。中断子程序的作用是对机舱与塔架内部进行PID网络1中中断计时用SM0.5秒脉冲时钟，上升沿有效起先执行程序。首先将机舱模拟量(过程变量)进行转换为标准值(0.00-1.00之间的标准化实数)从而利于PID运算。第34页共46页A0UTAC00UTAC0L0UT不不图4-11中断子程序INT_1中机舱温控梯形图(1)将16位整数转为浮点数—实数。第35页共46页模拟量AIW4送至AC0,DTR指令使得ACO内的值转为实数，再送单元VDO,4.2.4变压器限制程序网络34)网络35变压器停止运行网络36)网络37)在运行状态(Q0.1),按下启动按钮(I0.1)变压器才会运行(Q2.0)。同样道理，变压第36页共46页点流过Q0.1常开触点和M3.1的常闭触点至线圈M3.0,M3.0仍为ON,这种限制方法第37页共46页RS-232接口、RS-485接口、S7-200CPU、计算机等。采纳PC/PPI电缆建立PC与PLC然后启动管理器，在线通信进行STEP7的参数设置。打开SIMATIC管理器管理项目和库，在STEP7-Micro/WIN32运行时打开“视图”菜单中的“通信”建立对话框，检查各个参数的属性是否正确，确定系统是否连接了CPU主机。5.1程序调试(1)在吩咐菜单中选择Debug>ProgramEditinRun。(3)若程序输入有误，系统会提示错误，不能运行。(4)修改程序，直至系统提示没有错误可以运行为止。(5)用程序状态测试程序，在GettingStartedONLINE项目窗口上打开OB1。把LAD/STL/FBD编辑窗口打开，激活功能Debug>Monitor。(6)或者可以通过监视和修改功能测试各个程序变量。下载和运行程序后，按下工具栏的图标距并设置程序检测变量后，便可在变量表中监视输入和输出。(7)退出RUN模式。5.2系统仿真MCGS(MonitorandControlSystem)是基于Windows平台且用于快速构造和形成上