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1、-基于组态王的风力发电机组的监测学士学位论文-第 33 页工学学士学位论文基于组态王的风力发电机状态监测专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 郑士国 指导老师 张继勇 扬 州 大 学2012年5月摘要:针对我国目前电力资源短缺和当前可再生能源开发的迫切需要,大力发展风电，不仅是能源开发的需要，也是环境保护的需要。因此，对于风力发电机及其状态监测有着重要的现实意义。本文在分析和研究风力发电原理与应用的基础上，设计了一套完整的风力发电机实时监测方案并且付诸实现。本设计采用S7-200可编程控制器通过电压 、电流以及温度传感器进行数据采集，通过GPRS无线通讯进行数据传输，采用组态王软件对风力发电
2、机的三相电压、三相电流、直流母线电压、温度进行监测并完成故障异常报警，并存储历史数据进行数据分析等，最后证明该监测系统能够完成对整个风机的有效监测。关键词：风力发电，状态监测， PLC，组态王，GPRS Abstract:According to the current power shortage of resources and the need to tap renewable energy in China，developing the wind power vigorously is the need of energy development as well as the need
3、 for environment protection. Therefore，the monitoring of the wind-driven generator and its monitoring holds greater practical significance.In this paper，a whole set of real-time monitoring of wind-driven generator scheme is designed and put into practice on the basis of analyzing and studying the pr
4、inciple and application of the wind power. This design adopts the machine of S7-200PLC.We use the voltage，current and the temperature sensor for data gathering，the GPRS wireless for data transmission. And the Kingview is adopted to monitor three-phase voltage，three-phase current，dc-bus voltage and t
5、emperature and to realize failure exception alerts, together with storing data record for data analysis. And finally prove the surveillance system is capable of effectively monitoring the wind-driven generator.Keywords: wind-driven generator scheme, condition monitoring, PLC，Kingview, GPRS目录第一章 绪论1一
6、、 课题背景及研究意义1（一）、风能的利用及发展前景1（二）、国内外风力发电状况1（三）、风力发电的优势及存在问题1二、 风力发电系统的发展及现状1三、本论文主要研究工作1第二章 研究课题概述1一、 研究对象概述1（一）、双馈风力发电机的组成及结构1（二）、双馈风力发电机的参数1（三）、研究对象及结果预计1二、 可编程控制器（PLC）概述1三、 组态王软件概述1四、无线通讯概述1第三章 风力发电机状态监测方案设计1一、监测系统总体设计1二、系统监测流程设计1第四章 风力发电机监测系统硬件设计1一、 PLC的硬件设计1（一）、PLC的选型1（二）、S7-200PLC的CPU选择1（三）、PLC的
7、I/O口配置1（四）、PLC端口进行设计1（五）、PLC的接线方案1（六）、扩展模块的选择1二、传感器的选型1（一）、电流传感器的选型1（二）、电压传感器的选型1（三）、温度传感器的选型1三、 GPRS选型1（一）、功能特性1（二）、技术规格1（三）、适用领域1第五章 监测系统的软件设计及调试1一、 PLC软件程序的设计及调试1二、 GPRS无线通讯传输的实现1（一）、将PPI通讯转变为自由端口模式1（二）、 GPRS的发送与接收PLC程序梯形图1（三）、 GPRS的参数设定1（四）、在组态王上设置GPRS的通讯口1三、组态王的界面的设计及显示1（一）、组态王6.52 软件GPRS 通讯流程图
8、1（二）、 组态王数据词典的定义及参数设定1（三）、组态王界面设计1第五章 总结1第六章 致谢1第七章 参考文献1第一章 绪论一、 课题背景及研究意义（一）、风能的利用及发展前景风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风能是最有发展前景的一种洁净能源，是一种绿色再生能源。它可以取之不尽，用之不竭。风能的利用，从古时候的风车开始发展到现在的风力发电，足以说明人类科学技术的进步。进入 2
9、0 世纪以来，人们无节制的开采石油、煤炭、天然气等人们赖以生存的化石能源，不仅严重污染了我们的生存空间，而且破坏了自然环境。风能作为可再生能源，取之不尽，用之不竭，并且不受价格的影响，到 2003年 3 月，全球风力发电装机已超过 40GW（70%以上在欧洲），近几年每年都以 3040%的速度递增。由于技术设备越来越先进，成本会越来越低。去年风能发电平均每千瓦时的成本费用在强风区是 4 美分，弱风区为 6 美分。而 20 世纪 80 年代成本为 80美分。研究人员预计，随着技术设备的改善，成本还可以再减少 30到 50。目前我国投资超过 160 亿元的风能发电计划已经出台，拟在全国范围选择 2
10、0 个 10 万千瓦以上的大型风电场。国外兆瓦级水平轴风力发电机组已经相当成熟，目前国内大都引进国外的技术，进行风场建设，对于国内自主创新，拥有自己的知识产权，具有相当大局限性。所以，国内目前有几家风电公司正在着力发展自主知识产权的垂直轴风力发电机组，以赶超和引领世界先进水平。（二）、国内外风力发电状况我国是世界上利用风力最早的国家之一，风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，风力发电在中国得到迅速发展是 20 世纪 80 年代的事情，至今已经建成了一大批风力发电场。自 20 世纪 60 年代初开始，我国先后研制了 100w、1kw、10kw、55kw、220kw 的风力
11、机几十种，从 70 年代末期我国开始自行开发多种微型（100w1kw）充电用的风电机组，并在牧区和海岛得到迅速推广，而且逐步形成产业，有些产品还销售到国外市场。我国六五期间贯彻小型为主方针，先后在内蒙、新疆、山东、青海、西藏、浙江、福建、江苏、甘肃、广西、辽宁、黑龙江等省、自治区建设了风能开发与研究试点工作。到 20 世纪 80 年代末，我国小型风机装机容量达 6.7 Mw，年发电量为 6.3 Gwh 时，中大型风力机的研究与制造也已逐步开始。目前，我国小型风力发电技术十分成熟，建设进展较快，特别是 5kw 以下机组的制造技术已成熟，并进行大量的推广使用，形成批量生产。100、150、200、
12、300、500w 及 1、2、5kw 的小型风力发电机，年生产能力达到 3 万台以上，销售量最大的是 100300w 的风电机组。我国大型风力发电机组的研究制造工作正在加快发展。中国一拖集团与西班牙电力公司，西安航空发动机公司与德国恩德公司联合分别生产了 660kw 的主发电机组，并已安装到辽宁营口风电场并网发电运行。另外，浙江运达风力设备厂生产出4 台 250 kw 发电机组，安装在广东南澳风电场运行。在我国，大型风电机组的主要部件在国内制造，其成本可比进口机组降低 20%30%，国产化是我国大型风力机发展的必然趋势。我国大型风电机组的国产化从 250300 kw机组开始，发展到 600 k
13、W。根据我国的生产水平和技术能力，大型风力机国产化是完全可行的。从风力发电场的建设历史来看，1986 年国家第一个风电场在山东荣城并网发电后，全国累计安装使用小型风力发电机组 19 万台以上，各地陆续引进机组并建设风电场，截止到现在，我国已建成一大批风电场，形成上百万千瓦的发电能力。在黑龙江省的富锦风电场中，单机容量已达到 960kw，使我国风力发电迈上了一个新台阶。在国外，风能开发利用在国外已经形成相当的规模，风力发电在德国、西班牙、丹麦、美国，还有印度等国家得到大规模的利用。相对中国而言，国外在风电开发利用上投入了大量的人力物力，尤其是欧美国家，早在 20 世纪 70 年代发生世界能源危机
14、时，就采取了政府补贴税收政策等刺激手段，鼓励风力发电事业。从世界风电场的情况看，无论是装机容量、成本投资、年发电量、运行费用及运行可靠性、稳定性等性能来衡量，200500kw 的中型机组都具有较大的竞争力。从自然环境看，我国占有优势地位。我国领土位于北半球中纬度上，幅员辽阔海岸线长，风力资源相当丰富。利用风力资源发电既能保证安全的能源供应，又能战胜全球气候变化，更有利于环境保护，我们要充分有效地利用风能自然资源为人类造福。（三）、风力发电的优势及存在问题 风力发电作为一种新能源在世界上得到了广泛的应用，尤其是在偏远的山区和内蒙古的大草原上等电力线路很难达到的地方，常年平均风速达到一定的标准，非
15、常适合建设不同型号和等级的风机，并且投资小，灵活方便。风能作为一种资源，具有多方面的使用价值，可以综合利用。当风力发电机单机运行发电时,安装地点可因地制宜,解决一家一户用电问题。当风力发电机并网运行发电时,它以最大的能量向电网输送电能。但是，风力发电也存在很多问题，如成本问题，发电效率问题以及控制问题，尤其是控制问题。并且大容量的发电需要并网，必须对发出的电进行监测，电流、电压、功率、频率、温度、相位角、电能质量等都是必须掌握的指标，这样有利用风力发电的控制以及数据分析，更加有利于风力发电的大力发展。二、 风力发电系统的发展及现状 风力发电装置一般由风轮、传动系统、发电机、储能设备、控制保护系
16、统和塔架等组成。从结构上分，风力发电有横轴型风力发电机和垂直轴型风力发电机两种。风力发电，需要有较充足和稳定的风源。由于采用了叶顺浆机构或阻力装置，或是由安装在传动轴上的紧急制动闸等方式来实现自动保护，风力发电机的单机容量越来越大，技术水平越来越高，成本越来越低。水平轴风力发电机常见的是螺旋桨式风力机。这种风力机的翼形与飞机翼形相类似，为了提高起动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构。当它的风速至少达到额定风速时，才能输出额定功率。水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样叶片所受
17、的就是一个交变载荷，这对于叶片的疲劳强度是非常不利的。另外，水平轴的发电机都置于几十米的高空，这给发电机的安装和维护检修带来了很多的不便。垂直轴风力发电从根本上改变了以往常见的水平轴式风力发电机结构和形状，它把发电机、变速、传动等主要部件从几米到几十米高的塔顶搬移到地面，既方便了保养维修，又使运行更稳定更安全。采用独特的 LA 式三片式抛物线型风叶的风轮，增强了抗强风能力，提高了风能利用系数；集多电机于一体；采用立柱加横梁的整体组合形式，增强了风轮顶端横向推力。另外，垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好，由于惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因此疲劳寿命要比水平
18、轴的长。对于水平轴发电机，当风速发生变化时，桨叶的迎风角度不随之变化，这就显示出风力发电机组两个问题：一个是当风速高于风轮的设计点风速，桨叶必须能够自动将功率限制在额定值附近，因为风力机材料的物理性能是有限度的。二是运行中的风力发电机在突然失去电网（突率负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于小型机组来说问题不大，但对于大型风力机组就会有很大的影响。由此看出，相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速
19、低、无噪音等众多优点，具有更加广阔的市场应用前景。三、本论文主要研究工作本论文首先将对双馈风力发电机的结构和原理作了论述，将定子电压、转子电压、直流母线电压和温度作为主要测量指标。 然后以西门子公司生产的S7-200可编程控制器（PLC）为主要核心，通过电压、电流、温度等传感器进行数据采集，通过GPRS无线通讯进行数据传输，利用组态王软件进行界面显示监测。深刻的学习了PLC的使用方法和程序设计编程，传感器、PLC以及GPRS的硬件接线，学习了组态王软件的使用以及完成界面的设计。完成了远距离无线监测风力发电机的任务，并进行了故障以及异常的报警功能。第二章 研究课题概述一、 研究对象概述（一）、双
20、馈风力发电机的组成及结构双馈风力发电机的结构有机械结构与电气结构之分。其机械结构与一般风电机一样，有以下几个部分：机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动
21、力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发
22、电机操作员。 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。 塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向。其电气结构则包含控制部分，具体见图2-1。 图2-1双馈风力发电机的组成及结构（二）、双馈风力发电机的参数双馈风力发电机额定功
23、率为2.5KW,定子额定电压为380V，定子额定频率为50Hz，四极。定子电阻为0.435，定子漏感为2mH；转子电阻0.816，转子漏感2mH。护肝69.31mH，转动惯量0.089 ，最佳叶尖数比为8，最佳风能利用系数为0.4。齿轮箱变速比为6.254。根据相应数据可得到，该双馈风力发电机的同步转速为1500r/min,亚同步转速为1400r/min,超同步转速为1600r/min。（三）、研究对象及结果预计 本课题最主要的研究对象是双馈风力发电机的定子三相电压，定子三相电流，转子三相电压，转子三相电流、直流母线电压以及电机的温度，共计有十四个模拟量。本课题的要求是能实时显示出这些量的数据
24、，并且能够间接得出功率，并经过数据分析对过电压、过电流以及过温度时进行报警，这为三个数字量输出。 在亚同步转速情况下，直流母线电压为150V，定子电压应与电网相同，即有效值为220V,幅值为380V，频率为50HZ.由于已知发电机功率为2500W,因此根据公式可以计算出定子相电流有效值为3.75A，幅值为5.3A，转子电流的幅值为20A.二、 可编程控制器（PLC）概述可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。它是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、
25、和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的基本结构包括：可编程序控制器（PLC）结构主要由重要处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、输入/输出模块、电源及附属端口电路组成。输入端口连接一些指令原件（按钮或者开关）和现场检测元件（各种传感器），输出端口连接一些执行器件（接触器、电磁、指示灯），控制和驱动负载工作。系统编译，以前还需要手持编程器，现在的PLC系统结构基本不采用了，程序编写采用安装编程软件的计算机来取代。手持编程器只能通过指令表编程，不能输入和编辑梯形图，编程方式比较麻烦，加之很多PLC生产厂家都推出了编程简单、使用方便的软件
26、，所以目前PLC系统程序在编辑时，都采用计算机编程。下图2-2为一般PLC的结构示意图： 图2-2 PLC结构示意图三、 组态王软件概述 组态王6.53是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效的获取信息，及时的做出反应，以获得最优化的结果。1、功能强大、性能稳定且易于使用组态王6.53保持了组态王早期版本运行稳定、使用方便的特
27、点。并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。该款产品的历史曲线、温控曲线以及配方功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。2、组态王6.53的主要功能特性 s可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接 s无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能 s可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印 s变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属 性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间s强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存 s强大的脚本语言处理，
28、能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理 s全新的WebServer架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布数据库数据的发布方便的配方处理功能 s丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块 s提供硬加密及软授权两种授权方式 3、可以获得更加强大的数据存储能力组态王6.53集成了对KingHistorian的支持，极大的提高了组态王的数据存储能力，能够更好的满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达10万点、支持256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过30,000 条记
29、录的强大功能。能够更好的满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。4、连接与采集组态王6.53已能连接PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等上千种工业自动化设备。支持设备之多之广可与国外优秀同类软件相媲美。通讯方式灵活多样，为用户提供了充足的选择空间，可以适应各种设计方案的需要。目前，组态王6.53支持的通讯方式已包括：串口通讯方式 、以太网方式、 GPRS通讯方式、 Lonworks现场总线方式 、BacNet现场总线方式5、强大无比的通讯能力组态王6.53为第三方软件提供了多种访问组态王工程数据的接口，可以方便的对采集上来的数据进行二次计算，应
30、用各种先进的算法，以满足工程上的特殊需要。其支持的通讯接口主要包括：OPC2.0 、DDE 、通过ocx控件的方式开放实时数据 、通过Excel表格访问历史数据。6、全新的温控曲线控件组态王6.53重新设计开发了温控曲线控件。产品更加符合工程开发者的使用习惯。主要功能包括：可以在运行状态下方便的修改每一段温控曲线的设定值、设定曲线可以有多条，运行时可以重新加载 、不需在工程中建变量，温控控件可以直接和设备中的内存区对应，节省了建变量的时间，支持批量下载 、支持20条实时曲线。7、新增数据词典变量的导入导出功能和变量名替换功能s可以针对某一个或某些的变量进行导入导出及变量名替换 s对于同类工程，
31、或者在同一个工程中有多个相似功能块的工程，变量导入导出功能可以方便的建点 s变量在导入时，可以自定义前缀或后缀四、无线通讯概述无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。伴随着互联网的蓬勃发展和人们对宽带需求的不断增多，原来羁绊人们手脚单一、烦人的电缆和网线接入已经无法满足人们对接入方式的需要。这时，因势而起的另 一种联网方式消然走入了人们视线，并在新旧世纪交替过程中演绎着一场“将上网
32、进行到底”的运动，这就是无线接入技术。借助无线接入技术，无论在何时、何 地，人们都可以轻松地接入互联网。或许未来的互联网接入标准也将在此诞生。1、GSM接入技术 GSM是一种起源于欧洲 的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术。该技术是目前个人通信的一种常见技术代表。它用的是窄带TDMA，允许在一个射频即蜂窝同时进行组通 话。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网具有较强的保密性和抗干扰 性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。我国于世纪年代初引进采用此项技术标准，此前一直是
33、采用蜂 窝模拟移动技术，即第一代GSM技术（2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络）。目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，GSM手机用户总 数在亿以上，为世界最大的移动通信网络。 2、CDMA接入技术 CDMA即code-division multiple access的缩写，译为“码分多址分组数据传输技术”，被称为第2.5代移动通信技术。目前采用这一技术的市场主要在美国、日本、韩国等，全球用户达 9500万。CDMA手机具有话音清晰、不易掉话、发射功率低和保密性强等特点，发射功率只有GSM手机发射功率的160，被称为“绿色手机”。更为重要 的是，基于宽带技术的CDMA使得移动通
34、信中视频应用成为可能。CDMA与GSM一样，也是属于一种比较成熟的无线通信技术。与使用 Time-DivisionMultiplexing技术的不同的是，CDMA并不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱。因此，cdma数字网具有以下几个优 势：高效的频带利用率和更大的网络容量、简化的网络规化、通话质量高、保密性及信号覆盖好，不易掉话等。另外，cdma系统采用编码技术，其编码有4.4 亿种数字排列，每部手机的编码还随时变化，这使得盗码只能成为理论上的可能。 3、GPRS接入技术 相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术。由于使用了
35、“分组”的技术，用户上网可以免受断线的痛苦情形大概就跟使 用了下载软件Netanle差不多。此外，使用GPRS上网的方法与WAP并不同，用WAP上网就如在家中上网，先“拨号连接”，而上网后便不能同时使 用该电话线，但GPRS就较为优越，下载资料和通话是可以同时进行的。从技术上来说，如果单纯进行语音通话，不妨继续使用GSM，但如果有数据传送需求 时，最好使用GPRS，它把移动电话的应用提升到一个更高的层次。同时，发展GPRS技术也十分“经济”，因为它只需对现有的GSM网络进行升级即可。 GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等。 GPRS的最大优势在于：它的数据传
36、输速度非WAP所能比拟。目前的GSM移动通信网的数据传输速度为每秒9.6K字节，而GPRS达到了 115Kpbs此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍。除了速度上的优势，GPRS还有永远在线的特点，即用户随时与网络保持联系。 4、CDPD接入技术 CDPD接入技术最大 的特点就是传输速度快，最高的通信速度可以达到19.2KPBS。另外，在数据的安全性方面，由于采用了RC4加密技术，所以安全性相对较高；正反向信道 密钥不对称，密钥由交换中心掌握，移动终端登录一次，交换中心自动核对旧密钥更换新的密钥一次，实行动态管理。此外，由于CDPD系统是基于TCP/IP的开放系统，因此我们可以很方便地接入
37、Internet，所有基于TCP/IP协议的应用软件都可以无需修改直接使用；应用软件开发简便；移动终端通信编 号直接使用地址。CDPD系统还支持用户越区切换和全网漫游、广播和群呼，支持移动速度达100Kmh的数据用户，可与公用有线数据网络互联互通。 5、蓝牙技术 蓝牙的英文名称为“Bluetooth”，实际上它是一种实现多种设备之间无线连接的协议。通过这种协议能使包括蜂窝电话、掌上电脑、笔记本电脑、相 关外设和家庭Hub等包括家庭RF的众多设备之间进行信息交换。蓝牙应用于手机与计算机的相连，可节省手机费用，实现数据共享、因特网接入、无线免提、同 步资料、影像传递等。 虽然蓝牙在多向性传输方面上
38、具有较大的优势，但若是设备众多，识别方法和速度也会出现问题；蓝牙具有一对多点的数据交换能力，故它需要安全系统来防止 未经授权的访问；蓝牙的基本通信速度为750kbits/s，不过现在带4Mbits/sIR端口的产品已经非常普遍，而且最近16Mbits/s的扩展 也已经被批准。第三章 风力发电机状态监测方案设计一、监测系统总体设计 风力发电监测系统由上位机和下位机组成。上位机系统采用组态王软件构建，组态软件是一种人机界面的、监视控制和数据显示软件。组态监控技术为实施数据采集和过程监控提供了基础平台，组态软件具有功能强大、二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。下位机系统由西门子公司的
39、 PLC 模块电路、信号检测与处理电路、显示电路、控制电路等构成，不仅完成对风机发电情况的全面监测，而且还起着与上位机通信的作用。 本监测系统包括数据采集系统，PLC控制系统，数据传输系统，上位机显示系统以及报警系统。形成一整套能够完成数据采集显示以及故障报警的监测系统，通过电压、电流、温度等传感器将温度、电压、电流等模拟量通过I/0接口采集进PLC，再通过无线通讯技术，将数据传输到上位机显示并进行报警，下图3-1为风力发电系统总体监测结构图：图3-1 风力发电系统监测结构图 二、系统监测流程设计 本监测系统的监测对象为风力发电机的三相电压，三相电流，直流母线电压以及转子温度，因此，本监测系统
40、主要分为三部分，第一部分为数据的采集，第二部分为数据的传输，第三部分为数据的显示及分析，也就是说，除了一般的进行数据采集显示外，还要通过PLC进行数据分析，当出现过电流、过电压、过温度时，需要进行报警来及时解除故障，在此基础上，设计了此监测流程。图3-2为系统监测流程图：图3-2 系统监测流程图第四章 风力发电机监测系统硬件设计一、 PLC的硬件设计（一）、PLC的选型在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。在PLC品牌选择方面，主要根据电气控制系统的功能要求，考虑系统的市场认可度、工作稳定性、可靠性
41、以及出色的性价比，本课题选择西门子S7系列PLC作为供水电气控制系统的主机。虽然Rockwell和ABB等系列PLC软硬件都很出色，控制功能都很强大，但是其高昂的价格不适合作为本控制系统的主机，日本三菱、松下、欧姆龙系列PLC虽然价格比较便宜，不过稳定性要比西门子S7系列超差。另外由于系统电气控制电路的输入/输入端口数量较少，本控制系统选择小型PLC端口数量即能满足要求。因此采用CPU224的作为该控制系统的主机。在该控制系统中，还需要采集传感器的模拟信号，因此需要再扩展一个模拟量输入/输出扩展模块。西门子公司专门为S7-200系列PLC配置了模拟量输入/输出模块EM235，该模块具有较高的分
42、辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。下面介绍S7-200系列PLC的结构特点：1.S7-200系列PLC在机械结构方面有以下结构特点：（1）它的塑料外壳既紧凑又坚固。（2）易于接线和操作方便，在接线端前有面罩保护。（3）PLC上设计有专用的DIN导轨安装机构和安装孔，可以垂直方向或者水平方向安装在标准的DIN导轨上或者直接安装在控制柜底板上。（4）备有专门的接线端子排可供用户选择。2. S7-200系列PLC在电气结构方面有以下结构特点：（1）在电气上符合VDE、CSA和ISO9001中有关安全方面的标准。（2）在CPU中配有EEPROM，可永久性地存储用户程序和其他重要的系统
43、参数。（3）内置可直接与负载相连的直流24V驱动电源，输出电流可达180mA或更高，可作为负载电源使用。（4）为适合不同的应用场合，每种CPU都用不同的电源。（5）机上带有输入输出点。CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU212和CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU214和CPU215及CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU216和CPU226CN具有24个输入点和16个输出点。（6）可以快速地响应中断请求信号。S7-200的CPU可以极快的速度响应中断请求信号的上升沿或下降沿。（7）机内配有高速计数器，以适应机外高速信号的计数要求。其中CPU212配有一个计数频
44、率最高可达2kHZ的高速计数器，CPU214、CPU215和CPU216分别配有2个独立的计数频率最高可达7kHZ的高速计数器，CPU221和CPU222分别配有4个独立的计数频率最高可达30kHZ的高速计数器，CPU224和CPU226CN分别配有6个独立的技术频率可高达30kHZ的高速计数器。（8）为系统备有专门的数字拓展模块（EM），可以方便地对系统的输入和输出点进行拓展。备有专门的仿真器，以便用户在现场输入，调试，仿真程序。（9）EEPROM子模块，可做为修改和拷贝程序的快速工具（无需编程器）；电池卡用于长时间数据后背，用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电
45、容存储大约五天，选用电池卡能延长存储时间到200天。（10）大多数CPU具有脉冲输出，实时时钟及通信功能。（二）、S7-200PLC的CPU选择根据实际情以及实验室的现有条件，选择了S7-200的CPU为CPU 224XP CN（6ES7 214-2AD23-0XB8），下表4-1为CPU的参数：本机数字量输入14输入本机数字量输出10输出本机模拟量输入2输入本机模拟量输入1输出数据字格式，满量程电压电流0至+327670至+32000逻辑1信号（最小）（IO.O至I0.2和I0.6至I1.5）4VDC，8mA（I0.3至I0.5）5VDC，1mA逻辑0信号（最大）（I0.0至I0.2和I0.
46、6至I1.5）1VDC，1mA（I0.3至I0.5）可选（0.2至12.8ms）表4-1 PLC的CPU的具体参数 （三）、PLC的I/O口配置 本课题着重监测风力发电机的转子电压，转子电流，定子电压，定子电流，直流母线电压以及转子温度，因为电压电流均为三相，因此共有14路模拟量输入，同样，对过电压、过电压、过电流进行报警，因此共有3路数字量输出，下表4-2为PLC的I/0表：模拟量输入原件地址输入设备备注定子电压AI0.0电压互感器定子电压BI0.1电压互感器定子电压CI0.2电压互感器定子电流AI0.3电流互感器定子电流BI0.4电流互感器定子电流CI0.5电流互感器转子电压AI0.6电压
47、互感器转子电压BI0.7电压互感器转子电压CI1.0电压互感器转子电流AI1.1电流互感器转子电流BI1.2电流互感器转子电流CI1.3电流互感器直流母线电压I1.4电压互感器温度I1.5温度传感器数字量输出原件地址输出设备备注过电压报警Q0.0界面报警灯A过电流报警I0.1界面报警灯B过温度报警I0.2界面报警灯C表4-2 PLC的I/0表（四）、PLC端口进行设计对PLC端口进行设计，共有14路模拟量输入，3路数字量输出，并添加机电保护及报警装置，下图4-3为PLC端口接线图：图4-3 PLC端口接线图（五）、PLC的接线方案. 本监控系统选用了CPU224型号的S7-200PLC, S7-224XP的两路模拟量输入通道被出厂设置为电压信