基于plc的风力发电机偏航控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的风力发电机偏航控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

作为风电机偏航控制系统的主要控制元件 [13]。 偏航系统硬件的选型 风力发电机偏航系统主要由偏航电机、接近开关、限位开关、风速风向仪和解缆系统等部分 组成。 电动机选型 由于是用于偏航控制，需要电动机有下面这些特性： （ 1） 制动迅速 （ 2）结构简单 （ 3）可靠性高 （ 4）准确性好 （ 5）通用性强。 根据以上几点要求，本系统选用带刹车装置的交流异步电动机作为偏航驱动电机 [14]。 它是全封闭自然风冷式鼠笼型三相异步电动机，完全符合上述所需要求。 YEJ 系列三相异步电动机的制动器是直接安装在电机非轴伸端的端盖上的。 电动机接通电源，制动器也会接通电源。 由于制动器的电磁铁就会形成电磁力，铁吸引衔铁向后压缩弹簧，制动盘就会从轴盖上松开，电动机就能工作了。 当断开电源时，制动器后端的电磁铁失电，同时电磁铁失去吸力，在弹簧的弹力的作用下衔铁会使制动盘紧紧卡在电机非轴伸端的端盖上增加电机转动时的摩擦力矩，使电动机停止。 11 图 32 偏航电机 限位开关选型 限位开关开关又叫做行程开关因为主要在并网型风力发电机的解缆系统中应用，因此又等于扭缆传感器，主要是控制机械设备在一定的形程范围内运动并提供位置保护的一种电路切换元件。 在实际应用中，限位开关都被安装在预先设计的位置，当限位开关的触点被触发后，就会对电路进行切换。 所以，限位开关是利用运动元件位置的 变化来自动切换电路的电器，它的作用原理与按钮基本相同、不同的是按钮需要手动，限位开关的动作是自动的。 限位开关在风电机偏航系统中的作用是为扭缆角度提供保护。 在选择用于风力发电机组中的限位开关是必须注意以下内容： （ 1） 根据安装的位置的不同，选择合适的形状以及重量。 （ 2） 根据保护动作范围大小的不同，选择合适的凸轮个数。 （ 3） 根据电路所需要动作的信号的不同，选择触头对数及开关的状态（常开或常闭）。 （ 4） 根据工作环境条件的不同，选择合适的型号，以保证其稳定工作。 12 综合上述注意事项，最终选用 BCOMMAND 公司生产的 FCN 型限位开关 [15]。 其主要参数如表 31 所示。 表 31 FCN 型限位开关参数 额定电压（ V） 250 最大工作电压（ V） 250 工作温度（ ℃） 20~+60 绝缘等级 二级 防护等级 IP65 轴直径（ mm） 12 重量（ g） ≈ 300 转速比 1： 1 1： 2 1:3 1:50、 1： 75 凸轮及驱动角（ 176。 ） 4 90、 180 限位开关结构如图 33 所示。 图 33 限位开关结构图 接近开关选型 接近开关是一种不需要和运动部 件进行直接接触就可以操作的一种位 13 置开关，当物体到达接近开关的感应距离之内时，接近开关就会自动动作，从而切换电路来驱动电器或者将位置信号传送给 PLC 等中央控制单元，来使相应的元件动作。 接近开关作为开关型传感器的一种，不但有一般行程开关和微动开关的功能，同时也有传感功能，除此之外还有动作可靠，性能稳定，响应速度快，使用寿命长，抗干扰能力强等许多优点。 可以分为电感式、电容式、霍尔式、交 直流型。 接近开关可以分为两线制接近开关和三线制接近开关，三线制接近开关根据组成结构的不同又分为 NPN 型和 PNP 型两种类型，它 们的接线方式也有区别 [16]。 如图 34 所示。 红 / 棕红 棕黑 / 黑蓝 / 蓝+ 10 ～ 30 DC0 V DC 红 / 棕红 棕黄 / 黑蓝 / 蓝+ 10 ～ 30 DC0 V D C (a)NPN 型三线制 (b)NPN 型三线制 红蓝+ 10 ～ 30 DC0 V D C 红蓝90 ～ 250 AC (c)NPN 型直流二线制 (d)NPN 型交流二线制 图 34 接近开关分类接线图 两线连接式的接近开关接线方式很简单，只要把接近开关和负载以串联的方式接到电源就可以。 三线连接的接近开关的接线方式则较为复杂，红 (棕 )线需要连接电源的正极，蓝线必须接电源负极，黄 (黑 )线作为接近开关的信号线要与负载连接。 而 NPN 型和 PNP 型接近开关的负载接线方式也是有区别的， NPN 14 型接近开关要求将负载接到电源正极， PNP 型则要求将负载接到电源负极。 接近开关的负载可以是多种形式的。 信号灯、继电器线圈或 PLC 的数字量输入模块等 都可以。 特别要注意接到 PLC 数字输入模块的三线制接近开关的型式的选择。 PLC 的数字量输入模块在一般情况下分为公共输入端是阴极，电流直接从输入模块进入的情况，遇到这种情况就必须选用 NPN 型接近开关。 如果遇到公共输入端为电源的阳极，电流输出由公共端输入到模块，遇到这种情况就必须选用 PNP 型接近开关。 两线连接式的接近开关容易受到工作条件的制约，在开关导通的时候开关本身会消耗一定电压，截止的时候又会有一定的残流流过，选用时应当考虑这个因素。 三线制接近开关仅仅比两线制多了一根线，就解决了残流流过的影响，使得三线制 接近开关的工作更为可靠。 本设计采用 NPN 型三线制接近开关如图 34（ b）所示。 风向传感器的选型 风向传感器是专门用于测量水平风向的专业气象仪器。 风向传感器的外形十分小巧轻便，因此也方便于携带和组装，它的外壳基本都采用优质铝合金型防腐蚀材料。 风向标是风向传感器的感应元件，当风向标随风向变化时，风向仪中的格雷码盘会将风向标的角位移信号转换成相应的格雷码并以电信号的形式输出给 PLC 控制器。 风向传感器根据其工作原理的不同可以分为光电式、电压式和罗盘式等，并被广泛应用于气象、电力、科研、农林水 牧鱼等领域。 风向传感器的风杯具有高耐候性、防腐蚀、高强度和防水等特性；传感器主体由铝镁合金制作而成，内部电路经过特殊的处理后，能够适应各种恶劣环境。 光电式风向传感器是把格雷码盘编码（四位或七位格雷码）作为最重要的元件，通过利用 A/D 转换原理实现传递不同的风向信息的功能。 电压式风向传感器利用精密的导电塑料作为传感器的最重要的元件，通过输出不同的电压信号来传递不同的风向信息的功能。 电子罗盘式风向传感器是利用电子罗盘定位系统为重要元件，然后输 15 出不同的风向信息。 本文设计采用光电式风向传感器作为偏航系统风向 检测设备。 PLC 选型 PLC 是一种专为适应在工业环境中工作而设计的数字运算操作的电子控制系统。 它内部程序的存储是采用可编程的存储器，支持逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等用户指令，并通过数字或模拟式 I/O 控制各种类型的生产过程。 PLC 的分类及功能介绍如表 32 所示。 表 32 PLC 的分类及特点 分 类 特 点 按构 造分 固定式 固定式是把 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等组合成一个不可拆卸的整体。 模块式 模块式是把 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底 板或机架等模块按照一定规则组合配置。 按结构形式分 整体式 整体式 PLC 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。 它将电源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内。 小型 PLC多采用整体式结构。 整体式 PLC 由主机和扩展单元组成。 模块式 模块式 PLC 具有配置灵活，装配方便，便于扩展和维修等特点。 模块式 PLC 将 PLC 分成若干个单独的模块，如 CPU 模块、 I/O 模块、电源模块以及各种功能模块。 大、中型 PLC 一般采用模块式结构。 按功能不同分 小 型 小型 PLC 的 I/O 点数是 256 点，处理器是 8 或 16 位，存 储容量 4K 以下。 中 型 中型 PLC— I/O 点数在 256～ 2048 之间，双 CPU， 用户存储器容量 2～ 8K。 大 型 大型 PLC— I/O 点数大于 2048 点；多 CPU， 处理器是 16 或32 位，用户存储器容量 8～ 16K。 16 本设计采用 S7200 系列的 PLC， S7200 系列是一种小型 PLC 系统，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型 PLC 水平，而价格却比大、中型 PLC 的低廉很多。 功能介绍如表 33 所示。 表 33 S7200 CPU224 系列特点 分类序号 S7200 CPU224 系列的特点 1 具有了多种功能模块和人机界面可供选择 ,使得系统的集成非常方便 ,并且其在网络中的强大功能 ,很容易地可以组成 PLC 网络。 2 具有功能齐全的编程和工业控制组态软件 ,使得在控制系统的设计时更加简单 ,几乎可以完成任何功能的控制任务。 3 具有丰富的指令集和内置的集成功能 ,强大的通信能力和丰富的扩展模块 ,能满足现代高效控制要求。 4 适用范围广 ,适用于各种场合中的自动检测、监测和控制等。 S7200 系列 PLC 适用范围广，适用于各种场合中的自动检测、监测和控制等的特点如下： （ 1） 极高的可靠性。 （ 2） 极丰富的指 令集。 （ 3） 易于掌握。 （ 4） 便捷的操作。 （ 5） 丰富的内置集成功能。 （ 6） 实时特性。 （ 7） 强劲的通讯能力。 （ 8） 丰富的扩展模块。 本设计采用 S7200 系列中的 CPU224 型 PLC,S7200 CPU224 包含有14 个输入点和 10 个输出点，共 24 个输入输出端口。 其中还包含 2 个模拟量的电位器，最多可扩展 35 个输入输出点。 有 6 路频率为 30KHz 的高速计数器， 2 路高速脉冲输出口， 1 个 RSS485 通信接口，它的中央处理单元 17 CPU224 具有很强的模拟量处理能力，模块扩展能力是 S7200 系列产品中使用最多的。 18 第 4章 风电机偏航控制系统的硬件设 计 风电机偏航系统工作过程 图 41 系统工作过程框图 系统硬件设计 在硬件系统的研究中，要根据系统要达到的目的来确定哪些信号作为输入量哪些信号作为输出量，而且还要确定是数字量还是模拟量，只有这样准确的选择控制器件达到节约成本的目。 设计电路的时候首先要知道电路中包含那些设备，以及设备在电路当中起什么作用，这些设备需不需要保护，如需要保护应该采取什么保护措施，一定要心思缜密，避免因设计过程中的失误而造成实际生产过程中对设备的损害，只有这样设计出来的控制系统才能被广泛应用到实际生产中。 PLC I/O 地址分配 由系统设计需要输入信号有正向启动、反向启动、停止、风向仪、限位开关等；输出信号被控对象有电机、制动装置、报警装置等， PLC I/O地址分配情况如表 41 所示。 限位开关 风向仪 PLC 偏航驱动装置接近开关机舱 19 表 41 I/O 地址分配表 输入信号 输出信号 名称 功能 编号 名称 功能 编号 SB1 正向启动按钮 KM1 偏航电机正向启动 SB2 反向启动按钮 KM2 偏航电机反向启动 SB3 停止按钮 Y 制动装置 L1 风向仪 L 报警装置 L2 正向限位开关 P 报警装置 L3 反向限位开关 L4 正向接近开关 L5 反向接近开关 PLC 端子连接图 根据 PLC I/O 地址分配表明确输入输出量并根据地址分配来设计 PLC的外部连接方式， PLC 外部接线方式如图 42 所示。 20 图 42 PLC 端子接线图 偏航电机主电路设计 偏航方向的变化可以由电动机的正反转来完成，电路中的电源开关由刀开关中间继 电器的触头 来完成，只有触头 合上电机才会能得电，在电路中熔断器 FU 起到过电流保护的作用，当电网中电流过大时熔断器期内熔丝就会因过热而断开从而保护电机不被损坏，当 闭合时，若 KM1 触电闭合就会使电机 M1 正转，由于四个点及时并联的，所以，此时四个电机都会正转，使机舱进行正向偏航。 若 KM2 闭合就会使 M1 电机反转，同理，其余三个电极也会同时反转，使机舱反向偏航。 在电路中起到电机的正转与反转的功能，即正向偏航与反向偏航。 热继电器 FR FRFR FR4 则是为电动机提供过载保护的。 由以上要求 可以设计电路如图43 所示。 西门子S 7 2 0 0C P U 2 2 4I 0 . 0正向启动I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 3I。