变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统研究与实现

摘要以计算机入手，采用先进的S7-300型PLC为心核控制器硬件设计，利用MCGS组态软件进行控制器设计，通过完善的软件与硬件相结合，设计了一种变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统。在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况。变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制。本文针对国外某知名风电公司液压变桨距风力机，采用可编程控制器(PLC)作为风力发电机的变桨距控制器。这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。关键词：变速恒频，变桨控制，PLC，风力发电ABSTRACTTostartthecomputer,usingadvancedPLCS7-300typenuclearcontrollerhardwaredesignfortheheart,usingtheconfigurationsoftwareMCGScontrollerdesign,byimprovingthesoftwareandhardwaretodesignavariablespeedconstantfrequencywindpowerunitpitchcontrolsystem.Inthewindpowersystem,variablepitchcontroltechnologyrelatedtowindturbinessafeandreliableoperation,affectedthelifeofwindturbinebycontrollingthepitchanglesothattheoutputpowerstable,reducingthetorqueoscillation,reducecabinvibration,notonlyoptimizetheoutputpower,andeffectivelyreducethenoise,stableoutputpowergeneratorstoimprovethebladeandthestressstateofthewholemachine.Pitchthanthefixedpitchwindturbinewindturbinestocapturewindenergywithbetterfeatures,mostmodernlarge-scalewindturbineswithpitchcontrol.Inthispaper,awell-knownforeigncompanieswindpowerhydraulicvariablepitchwindturbine,usingprogrammablelogiccontroller(PLC)asawindturbinepitchcontroller.Thispitchcontrolmodecontrollerwithaflexible,programmingissimple,andstronganti-interferencecharacteristics.Keywords:VSCF，Pitchcontrol，PLC，Windpower目录TOC\o"1-2"\h\u1绪论 11.1文献综述 11.2风力发电机的历史与现状 31.3选题背景及其意义 52变桨控制系统工作原理 72.1变桨控制 72.2角距控制系统 92.3变浆控制功能模块设计 93FC-2A风速传感器的介绍 123.1FC-2A风速传感器 123.2FC-2A风速传感器结构 133.3现场安装调试及使用 134PLC控制系统的介绍 154.1PLC的概述 154.2西门子S7-300的选择原因及主要模块介绍 184.3模拟值的表示 214.4PLCS7-300的模块选择及其介绍 225系统设计 245.1I/O对照表 245.2系统流程图 245.3硬件接线图 245.4序实现说明 245.5PLC程序 256.结论 26参考文献 27致谢 281绪论基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统研究与实现，变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统是风力发电机组电控系统的重要组成部分，变桨控制可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。本课题的实现需要综合风力发电技术，风力发电机组变桨控制技术、传感器技术，电子电路技术、PLC硬件技术、PLC软件编程技术，上位机组态技术等多门技术的研究与应用。该课题不仅可以锻炼学生进行系统的整体结构和软件架构的设计，进行PLC硬件的选型，进行PLC的软件编程，系统调试，还可以锻炼学生根据课题进行技术开发与技术创新的意识和能力以及实际的工程开发意识和能力，符合学校本科教育的实际需要，该课题还提高学生对新能源的关注力。该课题来自导师的实际科研项目，具有较好的科研和技术应用研究意义。1.1文献综述1.1.1变桨距调节技术为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，在定桨距风力机的基础上加装桨距调节环节，便构成了变桨距风力机组。变桨距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角的改变来进行调节。在额定风速以下时，叶片攻角处于0°附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，基本上可看作是定桨距风力机组。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风力机的桨距控制系统，通常采用典型的转速、功率和桨距角三模态控制，速度控制和直接桨距控制系统，用于风力发电机的启动、停止和紧急事故处理。因而，变桨距风力机的启动风速比定桨距风力机低，但对功率的贡献没有意义，停机时对传动机械的冲击应力相对缓和。变桨距调节技术的主要优点是，叶片受力较小，可以做的比较轻巧，同时，由于攻角可以随风速的大小进行自动调节，因此能够尽可能多的捕获风能，提高发电效率，又可以在高风速段保持输出功率平稳，不至于引起异步发电机的过载。但是，这种系统的结构比较复杂，故障率相对较高，并且由于风的随机性和间歇性特点，使风力机的出力变化很大，机组的动态负荷增加，对电网的冲击增大[1]。1.1.2可编程控制器应用技术S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。中央处理单元(CPU)：各种CPU有不同的性能，例如，有的CPU上集成有PROFIBUS—DP通讯接口等。信号模块(SM)：用于数字量和模拟量输入/输出。通讯处理器(CP)：用于连接网络和点对点连接。功能模块(FM)：用于高速计数，定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)：用于将SIMATICS7-300连接到120/230V交流电源，或24/48/60/110V直流电源。接口模块(1M)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。SIMATICS7-300适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。SIMATICS7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：高速的指令处理：0.1~0.6us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。方便用户的参数赋值：一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值。人机界面(HMl)：方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内、因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMl)从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。诊断功能：CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时、模块更换等)。口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的STEP7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。SIMATICS7-300具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接AS-I接口和工业以太网总线系统；串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(MPl)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。CPU支持下列通讯类型：过程通讯：通过总线(AS-I或Pronbus)对I/O模块周期寻址(过程映象交换)。数据通讯：在自动控制系统之间、人机界面(HMl)和几个自动化功能块间相互调用[2]。1.1.3液压变桨控制系统独立变桨驱动装置的自动防故障操作，可通过在独立液压元件之间建立逻辑连接器来实现。其功能基于纯机械原理，可靠性很高，然而，系统的复杂性也随之升高。在失去外部控制动力的情况下，液压蓄能器可以驱动叶片旋转到安全终端位置。其带内部处理器和存储器的比例阀，能够执行从简单的开环控制到复杂的闭环控制等所有的功能任务。这样可以减小作用在控制系统和总线系统上的载荷。该系统采用了高品质的液压元件，配备了高纯度的液压油和精细的过滤器，以及保持最佳操作温度的冷却器和加热器，保证了液压元件的长使用寿。使用带液压蓄能器的液压控制式变量柱塞泵，可以输出很高的驱动力且占据空间小，能源利用率也极高。液压系统中的独立功能模块无需排列布置。使用柔性连接器连接各独立模块，可以使得整个液压系统最大化地集成在风力发电机组中[3]。1.1.4传感器与变送器以检测功能为主线，将将以风速传感器为主。是一种应用范围很广的风速（空气流速）变送器，可应用于监测、控制及风速调节和通风系统等。特性：·可将空气流速转换为4~20mA或一个0~10V信号·线性信号输出·由可调电阻材料制成·全电子仪表读空气流速·交流或直流供电·具温度补偿·套筒式传感器利于安装·0~10V的温度输出信号·保险丝保护运用：ESF-35-2空气流量转换器运用范围极广·通过PLC/远程站点/EMS来测量空气流速·调节空气流速·监测空气流速。1.2风力发电机的历史与现状风能使太阳能的一种表现形式。它是由太阳的热辐射引起的空气流动。太阳把自己能量的绝大部分以热的形式给了地球，而到大气求得太阳能约有2%转变为风。所以，地球上风能资源蕴藏丰富。人类对于风能的开发利用也很早就开始了。对风能的利用首先出现在波斯，在荷兰和英国的风车磨坊大约从公元七世纪就广泛应用，在中国对风能的利用至少不晚于13世纪中叶，主要用于磨面和提水灌溉。利用风力发电的设想始于1890年的丹麦，到1918年，丹麦已拥有120台风力发电机。1931年前苏联采用螺旋桨式的叶片建造了一台大型风力发电机。随后，各国相距建造了一大批大型风力发电机。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。20世纪70年代后，由于能源短缺，人类生存环境的进一步恶化，环境与能源问题成为当今世界面临的两大挑战。因此寻求无污染、可再生的能源成为科技界的一大目标。风能这一古老而丰富的自然资源，以其易于获得并转换，且分布广泛无污染又能够不断再生，而被重新认识，开发和利用。此时的风力发电机设计应用了航空器的成熟理论，使得风力机的效率比老式的风车提高了几倍乃至十倍。欧美工业发达国家凭借其先进的科技和工业水平，投入数以亿美元计的研制经费，相继制造了兆瓦级风力发电机，形成了风能工业，使风力机的概念由单机运行发展到并网运行和建成有相当规模的风车田。据报道，截止1990年底的报道材料统计，全球风力发电设备总装机容量已经达到3800MW，其中美国约200MW，而且各国正在不断加大对风能开发的投入。面对新世纪的来临，美国、丹麦、荷兰、德国、日本和英国等国家纷纷制定出能源规划的长远目标[3]。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期由过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（<1KW）、小型（1~10KW）风力发电机的技术日渐成熟，已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面[4]。图1-1风力发电机历史图图1-2风力发电机历史图1.3选题背景及其意义随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得更加突出：既能提高风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速和风向下适当的调节风桨，使输出功率最大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋。目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种[7]。现在市场上的一些风力发电机系统存在着以下缺点：1．制造体积过于庞大，但是效率还是和以前一样。2．对于现有的技术，还不能完全的利用风能（在风小的时候）。3．现有的风力发电机组的维修率过于频繁，而且安全性有待提高。4．并且保持恒转速或恒功率状态，更好的利用风能，降低发电机组的超负荷运行。图1-3双馈型风力发电机组机舱内部结构示意图

2变桨控制系统工作原理本课题为变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统是风力发电机组电控系统的重要组成部分，变桨控制可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。变浆执行机构采用液压控制方式，变浆控制的主要工艺操作过程包含以下几个方面，在低风速时，桨叶节距角可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。风力发电机组起动时，调节桨叶使发电机转速保持恒定，有利于发电机的并网。并网成功后，桨距角保持0°不变。当发电机组需要脱网时，可以先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。以S7-300型PLC为核心控制器，以计算机为人机交互界面，以MCGS组态软件开发平台，通过对变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统的硬件设计、PLC的控制程序设计、计算机程序的设计，从而实现变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统[6]。2.1变桨控制变桨距技术可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。变浆执行机构采用液压控制方式，变浆控制的主要工艺操作过程包含在运行过程中，变桨控制框图如图6-10所示。图2-1变桨控制框图由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角的调节是直接或者间接通过发电机输出功率的反馈信号来控制的，因此可以避免因温度和海拔高度的变化而引起气流密度的变化对风力发电机组输出功率的影响。在低风速时，桨叶节距角可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。风力发电机组起动时，调节桨叶由顺桨位置（90°到0°），风机叶轮速度不断上升，当发电机转速达到700rpm时，主控制发出并网指令，由变换器输出一定频率和幅值的正序励磁电流，使得发电机定子输出电压与电网电压等幅值同相位，然后控制并网接触器并网,并网成功后，由变换器返回一个并网成功信号给主控制器。并网成功后，在额定风速以下，由主控制器对发电机组的转速进行控制，桨距角保持0°不变。额定风速以上，调节桨距角限制风力机接受的风能的增大，限制发电机转速的增加，通过改变桨距角来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。当发电机组需要脱网时，可以先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。当有紧急情况需要停机时，通过变桨机构可以使桨叶迅速调节到顺桨位置，起到气动刹车的作用，使发电机组迅速停下来。对于我们研究的1.25MW风力发电机组，变桨距控制系统地节距控制是通过比例阀来实现的。主控制器根据功率或者转速信号给出一个4~20mA的电流信号，由变桨机构内的比例阀控制器转换成较大的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。比例控制就是根据输入电信号电流值的大小，通过放大器，将该输入电流信号(一般在4~20mA之间)转换成相应的电流信号，这个电流信号做为输入量被送到比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量－力或位移，该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力，这样不但能控制机械部件运动方向，而且能对其作用力和运动速度进行无级调节。变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距角在-6°~88°之间变化。主控制器输出的直接控制量是变桨速度，达到控制节距角（位置）的目的。液压缸分为2部分，-6°~45°之间由一个液压缸控制，为了提高变桨调节的静态和动态性能，在该液压缸上设置有位置传感器，控制实现桨距角（位置）的闭环控制。对桨距角的闭环控制一般采用PID控制。45°~88°由一个安全液压缸控制，安全液压缸上在88°的位置处设置有限位开关。在风力机组正常工作时，节距角的工作范围在0°~45°之间，只需要对第一个液压缸进行控制即可，安全停车和紧急停车时才需要对安全液压缸进行控制。需要说明的是，变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将桨叶节距角置于0°附近，不作变化，可以认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨机构开始动作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是对于MW级风力发电机组，单个叶片的重量已达数吨，变桨机构操作如此大的惯性体，要求其响应速度跟得上风速的变化是不可能的，因此，仅仅靠变桨机构的话变桨距风力发电机组对于高频风速变化仍然是无能为力的，由于风力机可获取的能量随风速的三次方增加，因此在输入量大幅度、快速地变化时，要求控制增益也随之改变，对于双馈变速恒频风力发电来讲，就是要求变桨机构对节距角（位置）的控制能够达到足够的精度。变桨距技术可以使得风力发电机组在较大的风速范围内获得较高的风能利用系数。变桨执行机构可采用液压控制或电机驱动方式，变桨控制的主要工艺操作过程包含在运行过程中[7]。2.2角距控制系统由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角的调节是直接或者间接通过发电机输出功率的反馈信号来控制的，因此可以避免因温度和海拔高度的变化而引起气流密度的变化对风力发电机组输出功率的影响[8]。主控制器对变桨系统的控制规律如下：在低风速时，通过控制桨叶节距角转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，起动容易。风力发电机组起动时，调节桨叶由顺桨位置（90°）到0°，风机叶轮速度不断上升，当发电机转速达到同步速的50%，主控制器发出并网指令。并网成功后，在额定风速以下，由主控制器控制桨距角保持0°不变。额定风速以上，调节桨距角限制风力机接受的风能的增大，限制发电机转速的增加，通过改变桨距角来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。当发电机组需要脱网时，先转动叶片使之减小功率。在机组与电网断开之前，使之输出功率减小到0，对电网的冲击最小。当有紧急情况需要停机时，通过变桨机构可以使桨叶迅速调节到顺桨位置，起到气动刹车的作用，使发电机组迅速停下来。由此可见，主控制器对变桨系统的控制与风机所处的运行状态密不可分，并且控制量单一（只需向变桨控制器发送桨距角的期望值即可），因此可将这部分控制功能归入风机流程控制中去实现[10]。2.3变浆控制功能模块设计主控制器中包含一个变浆PID调节控制器对变浆进行控制，变浆执行机构采用液压控制方式，变浆控制的主要工艺操作过程包含在运行控制功能中，变浆过程中需要进行变浆的润滑控制。图图2-2闭环控制比例系统比例控制：根据输入电信号电压值的大小,通过放大器,将该输入电压信号(一般在0至±9V之间)转换成相应的电流信号。这个电流信号做为输入量被送到比例电磁铁,从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移。该力或位移又作为输入量加给比例阀,后者产生一个与前者成比例的流量或压力。这样不但能控制机械部件运动方向,而且能对其作用力和运动速度进行无级调节。位置传感器：位于比例阀心的反馈传感器。它产生一个净输出电压,其大小和运动量成比例而相位移指示运动方向。控制放大器：输入信号是可变的电流或电压,根据输入信号的极性,比例阀两端的电磁铁将有一个通电,使阀心向某一侧移动。放大器为两个运动方向设置了单独的增益调整,可用于微调阀的特型或者设定最大流量。还设有斜坡发生器,进行适当的接线可启动或者禁止该发生器,并且设置了斜坡时间调整。还针对每个输出级设置了死去补偿时间。使用位置传感器的比例阀意味着阀心位置是可以控制的,即阀心在阀体中的位置仅取决于输入信号,位置传感器提供了反馈信号,此反馈信号和输入信号相加得到的误差信号通过PID调节器驱动放大器的输出级。变桨控制：通过比例阀实现。控制器根据功率或转速信号给出一个(-10~10V)的控制电压,通过比例阀控制器转换成一定范围内的电流信号,控制比例阀输出流量的方向和大小。流压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶节距在-5°至88°之间运动。变桨距控制原理：风力发电机组的变桨距系统包含两种控制方式,即并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步电机的功率与速度严格对应,功率控制最终也是通过速度控制来实现的。变桨距风轮的叶片静止时,桨距角为90°,这时气流对叶片不产生力矩,整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时,叶片向0°转动,直到气流对叶片产生一定的攻角,风轮开始起动。风轮从起动到额定转速,其叶片的桨距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值,调整桨距角,进行所谓的速度控制。变桨距控制系统实际上是一个随动系统。变桨距控制是一个非线性比例控制控制器,它可以补偿比例阀的死区和极限。变桨距系统的执行机构是液压系统,变桨距控制器的输出信号经过D/A转换后,变成电压信号控制比例阀,驱动流压缸,推动变桨距机构,使叶片桨距角变动[12]。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量,经转换后输入比较器：图2-3变桨距控制系统

3FC-2A风速传感器的介绍3.1FC-2A风速传感器本次在选择硬件方面我选择（北京飞超风速控制仪器有限责任公司生产的“FC-2A风速传感器”）。首先它测速范围比较大，而且功耗低等优点。3.1.1主要技术参数如表3-1FC-2A风速传感器主要参数`型号TC-2A1TC-2A2TC-2A3TC-2A5型号输出电流信号普通脉冲电压信号RS485/232信号型号输出4~20mA1.5/M*S0~5V、1~5VRS485/232输入电压DC24V/DC12V/DC5V响应时间<2S传输距离>1km测量范围0~5M/S、0~30M/S、0~70M/S可选测量精度±0.5%启动风速<0.7M/S环境温度E:-20~85℃（常用）L:-55~150℃电位引线三线制或二线制FC-2A风速传感器是建筑机械（起重机、履带吊、门吊、塔吊等）、铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖等领域用于测量风速的传感器。用它可以外界环境的实际风速并输出相应的信号。FC-2A风速传感器是风速传感器和电缆线二部分组成。本风速传感器采用海洋军用的高精度测量风速传感器，它与传统产品相比，具有精度高、量程宽、输入线电阻高、观测方便、稳定可靠等优点。3.1.本产品融电子技术、微电脑技术为一体。其主要功能如下：能够自动检测风速信号并输出各种信号：脉冲信号、4~20mA电流信号、0~5V或1~5V电压信号。3.1.4主要特点（1）低功耗，数字电路全部采用CMOS芯片；（2）可以长期连续工作；（3）有很强的抗电磁干扰功能；（4）安装方便。3.2FC-2A风速传感器结构FC-2A风速传感器由风速传感器、传输电缆等附属装置构成。3.2.1测风传感器风速传感器的风杯由高耐候性、高强度、防腐蚀和防水金属制造，传感器壳体使用铝镁合金成形，内部电路均经过喷涂三防漆处理，整个传感器具有很好的耐恶劣环境的适应性。风速传感器输出为：脉冲信号、4~20mA电流信号、0~5V或1~5V电压信号。3.2.2电路模块具有极可靠的抗电磁干扰能力，高低电压保护能力，能保证主机在－20℃~60℃,湿度10％~95％范围内均能正常工作。3.3现场安装调试及使用测风传感器的安装：（1）风速传感器应安装在相距500~600mm水平面距地面或船甲板高度的支架上。（2）传感器下方安装法兰直径Ф65mm，四个安装孔为Ф6mm，安装使用法兰固定安装，安装尺寸如下：图3-1FC-2A1风速传感器尺寸安装图图3-2FC-2A1风速传感器事物图

4PLC控制系统的介绍4.1PLC的概述可编程序控制器（ProgrammableControllerPC或PLC）于1969年在美国数字设备公司（DEC）出现以来，经过30多年的发展，现在已经成为一种应用范围很广泛的新一代工业自动控制装置。它是应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，已经和计算机辅助设计和制造及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。4.1.1可编程序控制器的主要特点可编程序控制器主要有以下特点：（1）编程方法简单易学。梯形图是使用最多的可编程控制器的语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，形象直观，易学易懂。（2）功能强，性价比高。一台小型可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现比较复杂的控制功能，与相同的继电器系统相比，有很高的性能价格比。（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强。现有的可编程控制器已经标准化，系列化，模块化，配备有齐全的各种硬件装置供用户选用；用户可以根据需要灵活方便的进行系统设置，组成不同规模和功能的系统，而且有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。（4）可靠性高，抗干扰能力强。可编程控制器用软件代替了大量的中间继电器，时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10—1/100，因接触不良造成的故障可大为减少，另外还采用了一系列的硬件和软件抗干扰措施，有很强的抗干扰能力，可以直接应用于有强烈干扰的工业生产现场。（5）系统的设计，安装，调试工作量少。用软件功能代替了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间继电器，计数器等元件，使控制器的设计，安装，接线工作量大大减少。（6）维修工作量小，维修方便。PLC故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，当PLC或外部的入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程控制器上的发光二极管提供的信息迅速的查明故障原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。（7）体积小，能耗低。由于PLC可编程控制器的以上优点，根据喷油泵试验台系统的工作要求和工作地点实际情况，采用PLC来控制喷油泵试验台系统是比较好的方案。4.1.2PLC的基本组成（1）CPUCPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场I/O信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户的指令列的格式和语法错误，并具有系统电源、I/O系统、存储器及其它接口的测试与诊断功能，CPU与其他部件之间的连接是通过总线进行的。（2）存储器：存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。系统程序是由生产厂家预先编制的监控程序、模块化应用子程序、命令解释和功能子程序的调用管理程序及各种系统参数等。用户程序包括由用户编制的梯形图，输入、输出状态，技术、定时器以及系统运行必要的初始值及其他参数等。（3）输入/输出系统：PLC的输入/输出系统是过程状态与参数输入到PLC以及PLC实现控制时控制信号输出的通道，它提供了各种操作电平和驱动能力的输入/输出接口模板，以实现被控过程与PLCI/O接口之间的电平转换，A/D与D/A转换等功能，根据功能不同，I/O通道可以分为：模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、开关量输入通道（DI）、开关量输出通道(DO)。PLC的基本组成和结构见图4-1。4.1.3可编程控制器的工作原理（1）可编程序控制器的工作过程：按照可编程控制器系统的构成原理，可编程控制器系统有传感器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，可编程序控制器的操作过程分析见图4-2。PLC将内部数据存储器分成若干个存储器区域，其中过程映像区域又称为I/O映像寄存器区域。过程映像区域的输入映像寄存器区域(PII)用来存放输入端点的状态，输出映像寄存器区域（PIQ）用来存放用户程序（OB1）运行的结果[11]。PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感信号经过运行的结果。PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感信号经过。I/O扩展接口I/O扩展接口I/O扩展机编程器外设I/O接口电源CPU系统和用户内存用户程序存储器输入接口输入输出寄存器输出接口图4-1PLC的基本组成CPUCPU输入模块PIIOB1PIQ输出模块现场输入信号图4-2PLC的工作原理隔离和滤波后的有效信号。开关量输入信号只能识别传感器的0、1电平，不能识别开关的通断。CPU在每个扫描周期的开始扫描输入信号的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到输出映像寄存器区域。PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，可以直接和负载相连，驱动相应的执行器。（2）可编程序控制器的技术性能指标可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选用不同技术性能指标的PLC。可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面：①I/O点数可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的综合，又称主机。②存储容量PLC的存储器有系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。③扫描速度可编程控制器采用循环扫描工作方式，完成1次的扫描时间叫扫描周期，扫描速度与周期成反比。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运算速度。④指令系统指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。⑤可扩展型小型PLC的基本单元（主机）多为开关量I/O接口，各厂家在PLC基本单元的基础上大力发展模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块。智能扩展模块的多少及性能也已成为衡量PLC产品水平的标志。⑥通讯功能通讯有PLC之间的通信和PLC与计算机或其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。另外，生产厂家还提供PLC的外形尺寸、重量、保护等适环境温度、相对湿度、大气压等性能指标参数，供用户参考。4.2西门子S7-300的选择原因及主要模块介绍4.2.1选择西门子S7-300的原因首先在开始本次毕业设计时，我并没有注意到“为什么要用西门子PLCS7-300，而不是用我们学习过也熟悉的西门子PLCS7-200？”，并且在开题报告中答辩老师也在这问题上提出了质疑。最后在指导老师的帮助下，我终于明白为什么本次课题要要用西门子PLCS7—300，而不是我们学习过也熟悉的用西门子PLCS7-200。虽然在编写程序上二者都可以实现本次毕业设计所要求的功能，但是毕竟这是毕业设计我们要在从开题到答辩这二十周内完成（将近一个学期），所以我们不能在利用原有旧的知识，而是要在旧的知识学习基础上学习新的知识，而且当今电气工程及其自动化领域西门子PLCS7-200已经开始逐渐被淘汰，而西门子PLCS7-300、西门子PLCS7-400已经逐渐替代了西门子PLCS7-200原有在电气工程及其自动化领域的地位（换句话说时下最流行的就是西门子PLCS7-300和西门子PLCS7-400）。所以基于实效性和对新知识的渴求性，在这次毕业设计中我们选择了西门子PLCS7-300，而不是PLCS7-200。4.2.2西门子S7-300的主要模块介绍电源模块：有多种电源模块可以为S7-300PLC和DC24V的传感器/执行器供电，如PS305、PS307。PS305电源模块是直流供电，PS307是交流供电，如表4-1所示为电源模块在非正常工作状态下的指示灯情况。表4-1电源模块在非正常工作状态下的指示灯情况如果则24V直流指示灯输出电流过载I>3.9A（动态）电压跌落，电压自动恢复闪烁3A<I<=3.9（稳态）电压下降，缩短使用寿命输出短路输出电压0V；短路故障排除后，电压自动恢复暗在一次侧过电压可能彻底损坏—在一次侧欠电压自动切断；欠电压排除后，电压自动恢复暗CPU模块：西门子PLCS7-300有了20种不同种类型号的CPU，以适应不同等级的控制系统。有的CPU上集成有I/O点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP的通信接口，有的CPU上集成有PtP接口等，目前大致可以分为以下几类：1)6种紧凑型CPU，带有集成功能和I/O：CPU312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。2)3种重新定义的CPU：CPU312，314，315和315-2DP。3)5种标准的CPU：CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。4)4种户外型CPU：CPU312IFM，314IFM，314户外型和315-2DP。5)高端CPU：317-2DP和CPU318-2DP。6)故障安全型CPU：CPU315F和CPU317F-2DP。输入输出模块：西门子PLCS7-300有多种型号的信号模块供用户选择，以组成不同的控制系统，满足不同的要求，下面先介绍几种数字量和模拟量模块。1)数字量输入/输出模块西门子PLCS7-300有多种数字量输入/输出模块，其输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。(1)数字量输入模块SM321数字量输入模块将来自现场的数字信号电平转换成PLC内部信号电平，经过光电隔离和滤波后，送到输出缓冲区等待CPU采样，采样后的信号状态经过背板总线进入输入映像区。根据输入信号的极性和输入点数，SM321共有14种数字量输入模块。(2)数字量输出模块SM322数字量输出模块将S7-300内部信号电平转换成现场所需要的外部信号电平，可直接驱动电磁阀线圈、接触器线圈、微型电动机、指示灯等负载。根据负载回路使用电源的要求，数字量输出模块有：①直流输出模块（晶体管输出方式）；②交流输出模块（晶闸管输出方式）；③交直流输出模块（继电器输出方式）。(3)数字量输入/输出模块SM323SM323是S7-300的数字量输入/输出模块，它有两种型号可供选择。一种是8点输入和8点输出的模块，输入点和输出点均只有一个公共端；另一种有16点输入（8点1组）和16点输出（8点1组）。这两种模块的输入/输出特性相同。输入、输出的额定电压均为DC24V，输入电流为7mA，最大输出电流为0.5A，每组总输出电流为4A。输入电路和输出电路通过光耦合器与背板总线相连，输出电路为晶体管型，有电子保护功能。1)模拟量输入/输出模块西门子S7-300的模拟量输入/输出模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入/输出模块SM334和SM335。(1)模拟量输入模块SM331SM331模块主要由A/D转换器、切换开关、恒流源、补偿电路、光隔离器及逻辑电路组成，它将控制过程中的模拟信号转换为PLC内部处理的数字信号。其主要功能有：①分辨率可调，可从9~15位加符号位；②A/D转换器采用积分法，4挡积分时间为2.5ms、16.7ms、20ms和100ms；③测量范围广，电压和电流传感器、热电偶、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与之连接；④具有极限诊断和中断诊断。在实际应用中，应该用STEP7的组态工具对未使用的模拟量通道进行屏蔽。(2)模拟量输出模块SM332SM332模拟量输出模块目前有4种型号，即AO4×12位模块、AO2×12位模块、AO4×16位模块。如AO4×12位模块，有4个通道，每个通道都有可单独设置为电压输出或电流输出，输出精度为12位，模块对CPU背板总线和负载电压都有光隔离。在输出电压时，可以采用二线回路或四线回路两种方式与负载相连。其主要功能：①分辨率可从12位到15位；②模拟量输出通道的转换时间和模块的循环时间：每个通道的最大转换时间为0.8~1.5ms，建立时间为0.1~0.5ms，模块的循环时间为所有激活的AO通道的转换时间与建立时间的总和；③输出的电流和电压范围可调，用参数化软件可以为每个通道设定独立的调节范围；④具有诊断能力，可将大量的诊断信息送到CPU中；⑤具有中断能力，当发生错误时，可将诊断信息和极限中断值传送到CPU中。(3)模拟量输入/输出模块SM334和SM335在一块SM334模块上同时具有模拟量输入/输出功能，目前主要有两种规格，都有4AI/2AO，一种是输入/输出精度为8位的模块，另一种是输入/输出精度为12位的模块。输入测量范围为0~10V或0~20mA，输出范围为0~10V或0~20mA。SM335的主要功能有①4个快速模拟量输入通道，基本转换时间最大为1ms；②4个快速模拟量输出通道，每个通道最大转换时间为0.8ms；③10V/25mA的编码器电源；④1个计算器输入（24V/500Hz）。SM335有两种特殊的工作模式：①只进行测量：模块不断地测量模拟量输入值，而不更新模拟量输出，它可以快速测量模拟量（<0.5ms）；②比较器：SM335对设定值与测量的模拟量输入值进行快速比较[2]。4.3模拟值的表示模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码定点数来表示，最高（第15位）为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。模拟量模块的模拟值位数（即转换精度）可以设置为9~15位（与模块的型号有关，不包括符号位），如果模拟值的精度小于15位，则模拟值左移，使其最高位（符号位）在16位字的最高位（第15位），模拟值左移后未使用的低位则填入“0”，这种处理方法称为“左对齐”。4.3.1测量范围的模拟值首先本次毕业设计的内容是以电流的输入/输出为标准，所以电流测量范围在0~20mA和4~20mA的模拟值表示如表4-2所示。表4-2电流测量范围在0~20mA和4~20mA的模拟值系统电流测量范围十进制十六进制0~20mA4~20mA327677FFF23.70mA22.96mA上溢325127F00325117EFF23.52mA22.81mA高于正常276496C01276486C0020mA20mA正常范围20736510015mA15mA11723.4nA4mA+578.7nA000mA4mA-1FFFF低于正常-4864ED00-3.52mA1.185mA-4865ECFF下溢-3276780004.4PLCS7-300的模块选择及其介绍4.4.1CPU模块本次毕业设计所选用的CPU模块为，标准型CPU315-2DP。因为标准型CPU315-2DP的CPU的处理速度高，具有等规模的I/O配置，适用用于对程序量有中等要求和指令执行速度有中等要求的系统，对二进制和浮点数有较高的处理性能。并且有四路集成的模拟量输入。主要参数如下：集成式RAM/KB：128；集成装载存储器RAM/Flash：无；最大位操作指令执行时间/μs：0.1；浮点数指令执行时间/μs：6；集成DI/DO：16/16；位存储器/B：2048；定时器/计数器：256/256；全部I/O地址区：1024B/1024B；最大模拟量I/O总数：1024；S7通信作服务器/客户机：可以/可以；最大连接数量：12。4.4.2模拟量输入输出模块本次毕业设计所选用的是SM335系列模拟量输入/输出模块的335-7HG01-0AB0。主要参数如下：输入点：4；输入范围/输入阻抗：±1V，±10V，2.5V，0~2V，0~10V：10MΩ/10mA，0~20mA，4~20mA：100Ω；输入分辨率：双极性13位+符号位，单极性14位；输入转换时间：200μS，4通道最大1ms；输出点：4；输出范围：0~10V，±10V；输出分辨率：双极性11位+符号位，单极性12位；输出转换时间：每通道最大0.8ms。

5系统设计5.1I/O对照表表5-1变量分配表输入代码地址号信号名称注释DI0I0.0启动电源“1”有效DI1I0.1关闭电源“1”有效DI2I0.2叶桨手动转到45°“1”有效DI3I0.3叶桨手动转到90°“1”有效DI4I0.4启动恒转速模式“1”有效DI5I0.5启动恒功率模式“1”有效AI0IW0手动调节叶桨在（0°~45°）4-20MAAI2IW2风速传感器输入4-20MAAI4IW4发电机转速反馈输入4-20MAAI6IW6发电机功率反馈输入4-20MA输出DO8Q1.0液压系统数字量输出端口“1”有效DW0QW0液压系统模拟量输出端口0-10V5.2系统流程图程序流程图见附录1。5.3硬件接线图硬件接线图见附录2。5.4序实现说明(1)在实际1.25WM风力发电组中所有额定状态下对于转速（即恒转速）700rpm和功率(即恒功率)1.25WM时，对于PLCS7-300的输入/输出电流为15mA。(2)数字量开关I0.0和I0.1，分别为启动或关闭程序和系统。(3)数字量开关 I0.2和I0.3，分别控制叶桨上升或下降到45°和90°。(4)数字量开关 I0.4和I0.5，分别控制系统进入“恒转速模式”和“恒功率模式”，并且有互锁功能（防止二种模式同时运行）。(5)由于本系统我只负责“控制台”这部分，所以数字输出量只有一个Q1.0（即液压系统数字量输出端口）和一个模拟量输出量QW0（即液压系统模拟量输出端口），只要发出信号后就由液压系统（原先设置好的）自动对当时情况进行对叶桨的改变。(6)模拟量检测检测（以风速检测为例）：首先要用风速传感器来测量当前风速（风速在3~25m/s是为正常，其他风速时系统自动停止），那么把风速模拟量IW2赋值给风速存储单元MD0，然后乘以1105（根据计算风速每提升或下降1m/s时，PLCS7-300的电流模拟值为十进制数1105）。并且把所的十进制数存储在单元MD1,即MD1里的数据位当时风速对应于PLCS7-300里的十进制数。手动调节叶桨（0°~45°）、发电机转速反馈输入和发电机功率反馈输入同理。5.5PLC程序梯形图程序见附录3。

6.结论本次毕业设计课题内容是根据现阶段我国风力发电的情况以及未来几十年后世界对新能源的要求，所提出的研究方案：研发一种较新颖的控制系统，对风力发电机组的叶桨角度进行改变。而改变又分二种，一种是手动调节（0°~45°无极调节以及45°或90°的数字量调节）；另一种是自动调节，其中又分为恒功率调节和恒转速调节。本系统是基于西门子公司所生产的PLCS7-300的编写程序实现的，其中硬件方面还选用北京飞超风速控制仪器有限责任公司生产的“FC-2A风速传感器”。设计控制系统的硬件配置方案、软件设计思想，并对系统进行实验调试。论文详细地阐述了基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组变桨控制系统设计过程中所涉及的关键技术及方法。综观全文，主要内容如下：学