基于組態王的風力發電的偏航系統的研究畢業設計論文-資料下載頁

【導讀】在某種意義上講，人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。風能作為一種可持續發展的新能源，不僅可以節約常規能源，而。且減少環境污染，具有較好的經濟效益和社會效益，越來越受到各國的重視。非線性不確定系統，因此，控制技術是機組安全高效運行的關鍵。偏航控制系統成為水。平軸風力發電機組控制系統的重要組成部分。前者多用于小型的獨立風力發電系統，由。尾舵控制，風向改變時，被動對風。后者則多用大型并網型風力發電系統，由位于下風。向的風向標發出的信號進行主動對風控制。本文在介紹風力機的偏航控制機構、驅動機構的基礎上，采用PLC作為主控單元，系統根據風向、風速傳感器采集的數據，采取邏輯控。制主動對風，實現了對風過程可控。

　　

【正文】 微處理器，微處理器計算出風向信號與機艙位置的夾角，從而確定是否需要調整機艙方向以及朝哪個方向調整能盡快對準風向。當需要調整方向時，微處理器發出一定的信號給偏航驅動機構，以調整機艙的方向，達到對準風向的目的。 偏航系統控制過程分析 自動偏航 為了使風力發電機吸收的功率最大，發揮最大效能，機艙必須準確對風；因此必須使葉輪法線方向與風向基本一致。當風向改變，超過允許誤差范圍時，系統計算機發出自動偏航指 令，傳感器和偏航電機組成的對風系統執行校正動作，使機艙準確對風。 在實際的偏航控制中，帶有解纜傳感器的自動偏航控制過程分析：連續一段時間檢測風向情況；根據自動偏航風向標傳感器 ASS 信號給出偏航控制指令。當 ASS=00 時，表明機艙己處于對風位置；若 ASS=11，則表明進行的是鈍角偏航，為了有效地防止電纜纏繞，讀上次鈍角偏航方向并取其反方向，記錄此次偏航方向；若 ASS=01，設置偏航電機正轉，若 ASS＝ 10，設置偏航電機反轉；偏航電機工作后啟動偏航計時器計時，控制偏航電機運轉一定時間，再判斷 ASS 是否為 00，若 ASS=00，表明機艙已對風，否則判斷計時時間是否超過偏轉 360 度所需時間，若計時時間超過偏轉 360 度所需時間偏航電機仍未停止工作，則停止偏航，向中心控制器發出安全停機信號和風向標故障信號。若 ASS＝ 00，偏航計時時間不超過偏轉 360 度所需時間時，控制偏航電機繼續運轉，直到 ASS=00，向中心控制器發出自動偏航完成信號并復位自動偏航標志位。自動偏航傳感器 ASS 狀態示意圖，如圖 所示，參數說明和電機運行狀態如表 所示。 運 行 時 監 測 風速 和 風 向自 動 偏 航 還 是 手 動 偏 航 ?風 速 超 過 4 m / s ？左 偏 航 = 1 并 且 右 偏 航 = 1 ？計 算 風 向 角 與 偏 航角 的 角 度 差 θ左 偏 航 = 左 偏 航 手 動 信 號右 偏 航 = 右 偏 航 手 動 信 號θ 超 過 允 許 值 θ 1？偏 航 電 機 運 行左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0YYNY自動偏航手 動偏 航YNNY開 始θ ＞ = 0 ？θ ＞ = 允 許 的 角 度 差 θ 2？ θ ＜ = 允 許 的 角 度 差 θ 2* （ 1 ） ？左 偏 航 = 0右 偏 航 = 1左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 1右 偏 航 = 0YNYNYN 圖 自 動偏航傳感器狀態示意圖（虛線表示風向標 0 度位置） 24 表 自動偏航傳感器 ASS 說明和電機運行狀態 ASS 設置 電機狀態 00 已對風 停止 01 銳角偏航 偏航電機正轉 10 銳角偏航 偏航電機反轉 11 鈍角偏航 視上次偏航情況 自動解纜 自然界中的風是一種不穩定的資源，它的速度與風向是不定的。由于風向的不確定性，風力發電機就需要經常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發電機的轉動而扭轉。如果風力發電機多次向同一方向轉動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚 至絞斷，因此必須設法解纜。不同的風力發電機需要解纜時的纏繞圈數都有其規定。當達到其規定的解纜圈數時，系統應自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉動纏繞圈數解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。若因故障，自動解纜未起作用，風力發電機也規定了一個極值圈數，在紐纜達到極值圈數左右時，紐纜開關動作，報紐纜故障，停機等待人工解纜。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。 自動解纜包括計算機控制的凸輪自動解纜和紐纜開關控制的安全鏈動作計算機報警兩部分，以保證風電機組安全。 凸輪控制的自動解纜過程如下 :根據角度傳感器 CW 和 CCW 所記錄的偏轉角度情況，確定順時針解纜還是逆時針解纜。首先松偏航閘，封鎖傳感器故障的報告，當需要解纜且記錄 CW 為 1 時，控制偏轉電機正轉，當需要解纜且記錄 CCW 為 1 時，控制偏轉電機反轉。在此過程中同時檢測偏航中心傳感器信號，直到偏航傳感器中心信號為 0，則結束解纜；此時停止偏航電機工作，系統處于待機狀態，向中心控制器發出自動解纜完成信號。紐纜開關控制的安全鏈保護；若凸輪控制的自動解纜未能執行，則紐纜情況可能會更加嚴重，當紐纜達到極值圈數時（比如設定 3 圈），紐纜開關將動作，此開關動作將會觸發安全鏈動作，向中心控制 器發出緊急停機信號和不可自復故障信號，等待進行人工解纜操作 。 阻尼剎車 為了保證剎車過程的穩定性，風力發電機的偏航系統中的阻尼剎車裝置都是成對對稱分布的，至少有兩組四個剎車盤組成。 阻尼剎車的工作過程：當風力發電機收到偏航指令時，剎車機構動作。根據風速、風向及偏航系統調向的速度，來確定阻尼力矩的大小。阻尼力矩大小的調節是通過調節 25 比例閥的開度的大小，從而調節液壓流量的大小和液壓力的大小。液壓力的大小的改變同時也改變了剎車力矩的大小，剎車力矩的大小的變化也就反映了阻尼力矩的大小的變化。 偏航控制系統設計流程圖 運 行 時 監 測 風速 和 風 向自 動 偏 航 還 是 手 動 偏 航 ?風 速 超 過 4 m / s ？左 偏 航 = 1 并 且 右 偏 航 = 1 ？計 算 風 向 角 與 偏 航角 的 角 度 差 θ左 偏 航 = 左 偏 航 手 動 信 號右 偏 航 = 右 偏 航 手 動 信 號θ 超 過 允 許 值 θ 1 ？偏 航 電 機 運 行左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0YYNY自動偏航手 動偏 航YNNY開 始θ ＞ = 0 ？θ ＞ = 允 許 的 角 度 差 θ 2 ？ θ ＜ = 允 許 的 角 度 差 θ 2 * （ 1 ） ？左 偏 航 = 0右 偏 航 = 1左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 1右 偏 航 = 0YNYNYN 圖 偏航控制系統設計流程圖 如圖 所示偏航控制系統設計流程圖，首先，通過 EWind Turbine 采集風速和風向；然后，判斷是采用手動偏航還是自動偏航；如果是采用手動偏航，在確定是左偏航還是右偏航；如果是采用自動偏航的話，當風速超過 4m/s，計算風向角與偏航角的差，再判斷是否偏航，最后，確定是左偏航還是右偏航。 解纜控制系統設計流程圖 如圖 所示解纜控制系統設計流程圖，首先，監測風速和風向；然后 ，再判斷偏航幾圈，超過 5 圈則手動偏航；超過 3 圈但不到 5 圈的則自動偏航；不到 3 圈則不用偏航。 26 運 行 時 監 測 風速 和 風 向偏 航 角 = 1 8 0 0 ？偏 航 角 = 1 8 0 0 ？偏 航 角 ＜ = 1 0 8 0 ？偏 航 角 ＞ = 1 0 8 0 ？正 常 停 機正 常 停 機手 動 左 偏 航手 動 右 偏 航YY開 始自 動 左 偏 航自 動 右 偏 航YNNNY左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0N 圖 解纜控制系統設計流程圖 PLC 簡介 PLC 與組態王監控系統組成的控制系統主要用于對偏航系統的控制 ,系統結構基于PROFIBUS 一 DP 網絡 ,采用可編程控制器 PLC300 和上位機兩級控制結構： PLC300 通過PROFIBUS 一 DP 網絡控制偏航系統，上位機組態王監控系統監控偏航系統運行；組態王可通過 MPI 或 TCP/IP 與 PLC 通訊 ,本試驗臺選用 TCP/IP 通訊方式，上位機組態王還可通過 OPC 與風電偏航系統在線監控系統通訊 ,實現數據的共享。 國際電工委員會（ IEC）對可編程序控制器的定義為：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令。并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關外圍設備，都按易于工業系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 定義強調了 PLC 直接應用于工業環境， 具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應能力和應用范圍。這是區別于一般微機控制系統的一個重要特征。這也是本課題選用 PLC 作為控制系統的重要原因。 PLC 的主要功能： （ 1）開關量（數字量）控制 這是 PLC 最基本的功能。 PLC 具有強大的邏輯運算能力，可以實現各種簡單和復 27 雜的邏輯控制，常用于取代傳統的繼電器控制系統。 （ 2）模擬量控制 在工業生產過程中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。而 PLC 中的微處理器 CPU 只能處理數字量。所以 PLC 中配置了 A/D 和D/A 轉換模塊，把 現場輸入的模擬量經 A/D 轉換后送 CPU 處理。而 CPU 處理數字量結果，經 D/A 轉換后，轉換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續量的控制。 （ 3）定時監控 PLC 具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器。定時器的時間可以由用戶在編寫用戶程序時設定，實現定時或延時的控制。 （ 4）計數控制 PLC 具有計數控制的功能，它為用戶提供了若干個計數器。計數器的計數值可以由用戶在編寫用戶程序時設定，實現計數控制。 （ 5）數據處理 現代 PLC 具有數據處理的能力。它不僅能進行數字運算（包括四則運算、矩陣運算、函數 運算、字邏輯運算以及求反、循環、移位、浮點數運算等）和數據傳送，而且還能進行數據比較、數據轉換、數據顯示以及數據通信等。 （ 6）通信和聯網 現代 PLC 具有網絡通信功能，它既可以對遠程 I/O 進行控制，又能實現 PLC 與 PLC、 PLC 與計算機之間的通信，從而構成 “集中管理、分散控制 ”的分布式控制系統，實現工廠自動化。 PLC300 CPU315 一 PN/DP 型 PLC300 具有中等規模的程序存儲容量和程序框架 ,對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力 ,與集中式 1/0 和分布式 UO 一起使用 ,可用 作生產線上的中央控制器 ,集成的 PROFINET 接口 ,組合了 MPI/PROFIBUS 一 DP 主 /從接口 ,在PROFINET 上實現基于組件的自動化 ,PROFINET 代理 ,用于基于組件的自動化 (CBA)中的 PROFIBUs 一 DP 智能設備 ,PROFINET1/0 控制器 ,用于在 PROFINET 上運行分布式1/0,CPU 運行需要微存儲卡 (MMC)。 PROFIBUS 一 DP PROFIBUS 是國際化和開放式的標準現場總線。它廣泛地應用在生產和過程自動化。用國際標準 EN50170 和 IEC6ll58 來保證其中立性和 開放性，可分為 PROFIBUS 一DP,PROFIBUS 一 PA,PROFIBUS 一 FMS 三種。其中 PROFIBUS 一 DP 應用于現場級 ,它是一種高速低成本通信 ,用于設備級控制系統與分散式 1/0 之間的通訊 PROFIBUS 主要使用主一從方式 ,周期性地與傳動裝置進行數據交換 但經過改進 ,現在擴展的PROFIBUS 一 DP 除周期型數據傳送外 ,也具有非周期型數據傳送同時進行周期性數據傳送和報警過程功能 主站決定在總線上的數據傳送而且也被設計作為主動結點。有兩種類型 :第 1 類 DP 一主站 (DPMI)是一些中心站 ,按規定的通訊周 期與從站交換信息。第 2 類 28 DP 一主站 (DPM2)這類站點主要是一些編程 ,計劃及監控站點 ,主要用于配置、啟動及運行監控系統。從站僅能在主站要求時確認所接收或發送的信息 ,從站也能夠被設計作為被動結點。如圖 所示 PROFIBUS—DP 實物圖，如圖 所示實驗實物連接圖。 圖 PROFIBUS—DP 實物圖 圖 實驗實物連接圖 29 組態王監控系統 組態王簡介 組態王軟件是新型的工業自動控制系統，它最大的亮點在于可視化的操作界面；自動建立 I/O 點；分布式存儲報警和歷史數據； 設備能力強，可連接幾乎所有設備和系統。 組態王軟件結構由工程管理器（ Project Manage）、工程瀏覽器（ TouchExplorer）及運行系統（ TouchVew）三部分構成。 工程管理器：用于創建工程、備份和恢復工程以及數據詞典的管理 工程瀏覽器：是工程開發設計的工具，在工程瀏覽器中可以繪制工程界面、制作動畫、編寫命令語言以及設備驅動程序、配方、報警、網絡等工程元素的制作與管理。 運行系統：工程的運行界面。工程瀏覽器中設計開發的畫面工程在運行環境中運行，實現人與控制設備的交互操作。 組態王軟件作為一 個開放型的通用工業監控軟件，支持國內外常見的 PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、板卡等上千種工業自動化設備。它可以通過常規通信接口實現組態王與其它工業設備之間的數據通信。