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1、基于 PLC 的风力发电机偏航控制系统设计摘要由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，因此清洁绿色的风力发电技术已深受全世界的重视。本设计主要研究的偏航系统是风力发电机组的重要组成部分.由于偏航机构安装在机舱底部，通过偏航轴承与机舱相连。当风向改变时，风向仪将信号传到控制系统，控制驱动装置工作，小齿轮在大齿圈上转动，从而带动机舱旋转，是风轮对准风向.当机舱的旋转方向有接近开关进行检测，当机舱向同一方向达到极限偏航角度时,限位开关会及时将信号传到控制装置内，控制装置会迅速发出信号使机组快速停机，并反转解缆，经过上述过程从而实现偏航控制使风轮始终保持迎风状态。根据边行系统的工作原理本
2、设计所要解决的基本问题有：1、实现自动偏航控制及手动偏航控制的双控制系统设计2、设计偏航系统的制动装置以及扭缆、解缆保护装置的控制方法3、了解偏航液压系统的作用、工作原理和控制方法.4、编写驱动控制程序、扭缆、解缆保护程序。关键词：风向，自动偏航，风向仪，偏航电机Design of Yaw Control System for Wind Motor Based onPLCABSTRACTClean and green wind power technology has gotten great attention by theworld because of the increasinglye
3、xhaustedfossil resourcesand the moreattentionon the globalenvironmentaldegradation。This designmainlyresearchesthe yaw system which is an importantcomponentof the windturbine.Because the yaw mechanisminstalledat the bottom of the engineroom and connected to the engine room through the yaw bearing。Whe
4、n thewind changes,wind vane will send the signal to the control system to controlthe drive work。The pinion rotated on the big gear ring，which can turn theengine room to make the wind wheel turbines on the direction of the wind。When the revolving direction of the engine room is closed to the switch t
5、o dodetection and the engine room reaches the maximum yaw angle to the sameIdirection,the limited switch will send the signals to the control device in time.Then the control device could quickly send a signal to make the set quick stopand turn over the cast loop。After above the process,it will reali
6、ze the yawcontrol and make the wind wheel keep the state of facing the wind。Accordingto the working principle of the edge system，this design should solve theproblem as follow.1、Realizingthe double control system of automaticyaw control andmanual yaw control;2、Designing the brake device of yaw system
7、 and the controlling methodsof protection device of the button cable and the cast loop；3、Understanding the effect of yaw hydraulic pressure system，workingprinciple and the controlling methods;4、Writing the controlling program of drive and the protection program ofbutton cable and cast loop。KEY WORDS
8、KEY WORDS：Wind Direction,Automatic Yaw，Yaw Angle，Yaw Motor目录前言.0第 1 章 绪 论.11.1 风力发电的介绍.11。2 风力发电的发展历史 .11。3 中国风力发电的发展现状.3第 2 章 风力发电机及偏航系统的工作原理.32.1 风力发电机组的基本介绍 .32。1。1 风力发电机的分类.32.1。2 风力发电机的基本构成及及原理.42。2 风力发电机偏航系统的介绍.42.2.1 偏航系统的分类 .42.2。2 偏航系统的组成 .52.2。3 偏航系统的功能及原理.5第 3 章 风电机偏航系统总体设计 .63。1 风电机偏航系统基
9、本设计思路.6II3。2 设计方案选择.73.3 偏航系统硬件的选型 .73.3。1 电动机选型 .73.3。2 限位开关选型 .83。3。3 接近开关选型 .93.3.4 风向传感器的选型 .103。3.5 PLC 选型.10第 4 章 风电机偏航控制系统的硬件设计.134.1 风电机偏航系统工作过程 .134.2 系统硬件设计.134.2.1 PLC I/O 地址分配.134.2.2 PLC 端子连接图.144。2。3 偏航电机主电路设计.14第 5 章 风电机偏航系统软件设计 .145.1 风电机偏航系统整体流程图.145.2 风电机手动偏航系统流程图.155。3 风电机手动偏航梯形图
10、.15结论.16谢辞.17参考文献 .18附录.20外文资料译文 .21III前言能源是人类生存所必需的最基本的物质，保证国民经济稳定发展的主要物资基础。伴随着一次资源的储存量越来越稀少和环境污染越来越严重导致人类对环境恶化的倍加关注，因此开发新型的清洁型能源也越来越受到全世界的重视。在所有利用清洁能源和二次能源作为发电的资源的技术中,利用风能资源发电的技术是最为成熟、成本最低、对环境污染程度比较小，还是,最有开发规模和商业开发前景的能源转变技术.发展风力发电技术对于维护生态环境的平衡和稳定、实现经济平稳、健康、持续性发展等许多方面都有十分重要的意义.我国的领土面积大，风能资源也很丰富。可开发
11、利用的的风能丰富。但是我国开始利用风力发电的时间较晚，在20 世纪 60 年代才开始研究有使用价值的新型风力发电机。七十年代以后才开始渐渐的发展起来，不仅再装机总容量上有所提高，而且制造水平也在不断地提高.风力发电行业的意见也逐渐的统一化，统一向着更大规模、更高质量、更高的能源转换率的新平台发展1.风力发电是开发利用风能的主要形式也是可再生能源发展的重点，市场辽阔、前景光明，将为国民经济发展提供更充足的物质保证。风电机作为风力发电的重要组成部分,提高风电机组的安全、可靠、经济运行十分必要。所以,加大对风力发电技术的研究，最大程度的利用风能和持久性的开发风能是十分有必要的。由于大自然的人风向是不
12、断变化的,如果风力发电机的风轮与风向的夹角不能保持在 90o，就会影响风轮吸收风能的能力,从而影响风能的转换率，并且会加大风机的载荷。而偏航系统的其中一个作用就是用一系列的元件跟踪风向的变化，通过动力元件带动机舱动作，使风轮扫掠面与风向保持垂直，以便最大限度的吸收风能,提高风力发电机的可利用率；还有就是它还具有一定的制动功能,为的就是在风机风轮与风向的夹角达到在90o保持机舱的位置不变,是风电机组稳定的运行。由此，深入的研究风力发电的技术对于充分的利用风能和持久性开发风能具有深远的意义。0第 1 章 绪 论1。1 风力发电的介绍早在中世纪的时候人类就懂得利用风能来提水，这种方法只是让风能转化为
13、机械能，提供动力，来减少劳动力.如今电力资源日益匮乏，为了解决这一问题人们就渐渐想到了利用风能来发电，所以锋利发的根本原理就是先把风能转换为机械能来时像个不同的磁场发生运动在根据磁生电的原理来产生电能。由于风能资源的许多优点现在也被世界上的很多国家当做重要的技术大力的发展。1.2 风力发电的发展历史风能是一种十分清洁的二次可重复利用的能源，与传统的能源相比较.风能是靠太阳光照不同形成的温差和地球的自转形成的,用它来发电就可以不依赖外部的资源，使得利用风能发电的成本相对来说比较便宜。同时避免了废气排放造成污染的环境成本，另外可以被利用的风能在全世界都有分布。正是因为这些优势，风力发电技术也渐渐成
14、为了很多国家实现可持续发展的重要组成部分.中国在很久以前就懂得利用风能资源，但是利用风能来发电的技术却是近些年才开始接触，与“风车王国”荷兰等国家还有相当大的差距，还存在技术不到位、经验积累不足等许多的不足。中国不甘落后近几年的风电事业迎来了属于自己春天，这一进步让许多人对此感到欣喜不已，但是风电发展存在的质量和风险却也是不容忽视的.在利用风能发电技术发展的 100 多年里，行业的领导者们通过各种艰难的尝试、不断的创新、经历不计其数的成功和失败，正是由于他们的不懈努力,如今的风力发电技术已经越来越成熟了。我们站在巨人的肩膀上，从国外借鉴先进的技术，再结合我国的实际情况进行改进和发展才是正确的、
15、行之有效的方法.我国开始风力发电技术相对较晚，所以必须了解风力发电技术的发展历史，借鉴取风力发电技术发展过程中的经验和教训,显得十分必要2。据全球风能理事会的不完全统计,全球范围内的风力发电产业的发展也是瞬息万变，日新月异。年平均增长率达到了28，在 2007 年年底，全世界装机总容量达到了9400 万 KWh，并正以每年 2000 万 KWh 的速冻增长.在风力发电这个领域的投资总额也在不断增加。就在2007 年，巨额的风电投资基金投向了中国.中国已将加入了风力发电事业的大家庭并渐1渐向着世界上最大的风电市场的目标前行.中国时风能资源丰富区,这一优势也给中国风力发电技术事业的发展提供了优越的
16、先天条件。据估计，中国内陆及近海地区的风能可开发量可达到为 100000 万 KWh，这些地区主要在沿海地区和海拔比较高的内陆地区，例如,内蒙古、新疆、青藏高原等地区 3。表 1-1 全球风力发电量前十位国家国 家德 国美 国西班牙印 度中 国丹 麦意大利法 国英 国葡萄牙其他国家前十国家总计全球总计装机容量2224716818151458000605031252726245423892150130188110494122所占百分比23。617。916。18。56.43.32.92。62.52。313.886。2我国已经把风力发电这一新型替代能源技术作为解决能源危机、应对当前大气环境不断恶化等
17、问题的最重要的办法,并给予了大力扶持。2010年风电机组装机总容量达到了1000 万 KWh，制定了“风电特许权”招标等措施来推动风力发电技术的发展和创新.截至到 2007 年的年底,我国总装机容量达到 604 万 KWh，在过去 10 年的时间里以每年50的增长率不断扩大。在不久以后我国将成为全世界最大的风电发展市场。随着我国风电事业的发展电能供应紧张的情况已经得到缓解、不久以后我们也将看到由于风力发电技术的发展给生态环境带来的改变。随着风电市场的不断扩张的同时国产风电产业也迎来了新的发展。根据官方权威消息称，在 2007 年风电的新增的市场份额已达到产品总份额的255%左右。相较于 200
18、6 年的数据提高了10 个百分点，中国自主生产风电机组的能力也有了大幅提高，在风电开发建设方面也有了可喜的进步.越来越多的人能够熟练掌握风力发电技术为我国风电事业的发展带来了源源不断的新鲜的血液。经过多年努力.当前我国并网型风力发电技术已经形成了一定的规模并向着更大的目标不懈前行。另外，我国还开发形成了世界上最大的小型风力发电机市场,为实现农村偏远地区的电气化建设提供了动力.1。3 中国风力发电的发展现状这些年来在国家优惠政策的大力支持下，风力发电事业得到了可喜的发展.到 2008 年为止，中国的风电机制造厂家已经达到将近80 家，越来越多的投资者看到了风力发电机制造业的光明前景，纷纷加入风电
19、制造业的大家庭中。中国风电机组的单机容量、生产能力和新产品的开发能力等方面也在不断地提高，都有了一个质的提高。目前，中国风电机组生产制造市场不断的改革创新，风电机组的单机容量也在不断的加大，这表明我国风电的技术已经发展的十分成熟了。第 2 章 风力发电机及偏航系统的工作原理2.1 风力发电机组的基本介绍2.1。1 风力发电机的分类风力发电机可以分为很多类型可以从结构、功能、组成方面的不同分为不同的种类:（1）按照风力发电机主轴与水平方向夹角大小的不同可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。（2）按照叶片数量也不相同可以有1 个叶片 2 个叶片 3 个叶片和多个叶片等不同型号的风机。（3）按照
20、输出容量的不同可分为小型、中型、大型、兆瓦级系列。（4）按功率调节方式的不同分为定桨恒频型、变桨恒频型、主动失速型和独立变桨型。(5）根据风电机的组成机构的不同可分为直驱式和双馈式。（6）根据发电机结构的不同分为异步型风力发电机和同步型风力发电机3。本文主要研究的是2.0MW 双馈式异步发电机的偏航系统的设计32。1。2 风力发电机的基本构成及原理风力发电机组的工作原理是将风的动能转换成风机风轮旋转的机械能，再将机械能转换成电能，以并将电能的频率保持在要求的频率后输送到电网中的过程。风力发电机组由四大组成部分,分别是风轮、机舱、塔架和基础。风轮主要由叶片、轮毂组成。风轮的主要作用是吸收风的动能
21、并将它转换为机械能，由传动机构传递给发电机并转化为电能。风轮在风力发电机组中最主要的作用就是吸收风能.风轮吸收风能能力的大小直接决定发电机组的发电能力4。风力发电机组的机舱内的装置是风力发电机最重要的设备。其中包含传动系统、发电机系统、控制系统和辅助系统等。本次主要研究的就是以机舱底座为固定基础的偏航机构。风力发电机中机舱的支撑力主要来源于塔架和基础，塔架和基础承受来自风电机组的各种载荷,因此,塔架一定要有足够的疲劳强度、强度和刚度.同时为了防止风电机在极端风条件下不会倾覆。基础除了承受风电机组的静、动载荷之外，还负责风力发电机接地系统及接地触点5.2.2 风力发电机偏航系统的介绍风的方向是随
22、时间不断变化的,而风力发电机的风轮必须迎着风向才能最大程度的吸收风能从而提高风能利用率，所以机舱也必须随着风向变化来不断改变方向,只有这样才能保证风轮扫掠面始终与风向保持90o的夹角,为了实现这一目的,我们引入了偏航系统.2.2。1 偏航系统的分类偏航系统一般分为两大类,一类是主动偏航系统，别一类是被动偏航系统。主动偏航系统主要是通过电力或液压系统为动力源的拖动来实现偏航功能。被动偏航系统主要是依靠风的力量再结合相关机构来实现机组的偏航功能。常见的发电机组一般采用主动偏航的齿轮驱动形式，例如本文所讲到的机型 MY2.0110 机型,它就是通过偏航电机驱动齿圈啮合达到偏航目的，其结构如图 2-1
23、 所示6。4图 21 齿轮驱动系统结构图2.2.2 偏航系统的组成偏航系统主要由偏航驱动装置、接近开关、限位开关、风速风向仪、解缆系统等部分组成7。偏航系统的驱动装置包括偏航电机、制动器、偏航小齿轮等组成,它们主要依靠螺栓及内部构造连接成一体,并用螺栓与塔架连接。偏航驱动装置一般有4 组。由于偏航齿圈齿的高度不同，会获得不同号的光信号，偏航驱动装置通过利用接近开关(光传感器)来收集这些光信号并记数，将不同位置的接近开关采集到的光信号,转换为电信号传送给PLC 从而实现偏航控制。偏航一般不超过 650 度，以防止出现扭揽现象。限位开关也是为了防止发生电缆过分绞缠而设置的极限位置传感器，当机舱偏航
24、角度达到700o时，限位开关将被触发,并将信号传送给 PLC.以实现机组快速停机。凸轮开关轴上的三个可以随意调整位置的快速动作的凸轮环，且每个凸轮环是都包含一个常开触点和常闭触点8。风向仪是偏航系统的风向传感器，当控制器接收到风向信号时,首先会把接收到的风向位置与机舱的当前位置进行比较,然后结果输出给偏航驱动装置，使偏航驱动装置发生相应的动作。解缆系统是为了防止机舱在反复旋转的过程中，朝着同一个方向转动过大角度而造成机舱与塔底之间连接的电缆扭绞在一起发生故障的保护系统9。2。2。3 偏航系统的功能及原理偏航系统是用来捕捉风向，并实现机舱保持与风向，使风电机组实现做大使用率的一种装置。例如，现在
25、是北风，风电机组保持正常工作状态,机舱叶轮与风向的夹角也保持在90o夹角的位置，也就是朝向北方，大厦自然的风不是一成不变的,介入现在由北风变成了西风，这是如果风电机组留在原来的位置就会使风轮偏离迎风位置，风轮吸收风能的能力就会下降，为了克服这一问题，自动偏航系统就会体现作用,它通过风向仪测得的风向信号与机舱位置信号进行比较，并将信号输送给偏航电机,病友接近开关、限位开关等元件的相互配合使偏航电机带动机舱旋转至与风向相同的位5置，是风轮与风向的夹角保持在90o10.由于偏航驱动装置是用螺栓固定在主机架上的。而偏航大齿圈是用螺栓(88 个）紧紧固定在塔筒的法兰盘上面的，所以偏航大齿圈是不能转动的，
26、这样就可以通过小齿轮在大齿圈上围绕着中心轴线的运动来带动机舱的旋转，直到机舱的位置与风向保持一致.由于机舱是可以顺时针旋转和逆时针旋转的，一旦在偏航过程中，机舱总是向一个方向转动,则会造成机舱内的电缆发生严重的绞缠现象，严重时可能造成电缆的损坏，构成巨大的经济损失。因此必须要有一个装置能加测电缆的绞缠程度，对此现在加以保护,所以采用接近开关和限位开关以保证绞缠现象不会发生，接近开关能保护偏航角度在650o（0o为机舱安装时的初始位置，顺时针方向为正向，逆时针方向为反向）时向PLC 发出信号请求启动解缆程序。限位开关作为机舱偏航角度的极限位置保护开关在机舱旋转角度达到700o时,限位开关将被触发
27、，并将信号传送给PLC 使风电机组快速停机，以保护电缆不被损坏.第 3 章 风电机偏航系统总体设计3。1 风电机偏航系统基本设计思路风电及偏航系统主要由PLC、风向仪、偏航驱动装置、接近开关和限位开关组成。图 3-1 风电机偏航系统组成框图PLC：作为风电机偏航控制系统的“大脑,可根据风向仪、接近开关、限位开关等感应保护元件传送过来的数据，通过运算，将结果输出控制风力发电机的机舱进行偏航动作11。风向仪:作为监测风向变化的元件，可以将监测到的风向转变的信号转换为电信号传输给PLC。偏航驱动装置：作为风电机偏航系统的动力装置，可利用三相异步电机的转动使风力发电机机舱的位置发生变化，从而实现偏航效
28、果。接近开关:作为风电机偏航系统的位置监测元件，不但能检测并记录转动的齿轮数量从而检测风力发电机绕缆是否到达650o;而且还能在解缆时检测并记录回转的齿轮数量并与偏航齿数相比较,确保风力发电机机舱恢复原来的位置。限位开关：作为风力发电机偏航极限位置保护开关，当检测到风力发6电机电缆绞缠达到700o的极限位置时使机组停机12。3。2 设计方案选择当今工业自动控制系统中,把单片机作为自动控制系统的核心元件和把 PLC 作为自动控制系统的核心元件的控制方式是最常见，但PLC 比单片机拥有更高的可靠性和灵活性,而且它的梯形图编程方法相对简单、扩展模块也很是丰富、并且具有耐腐蚀、抗噪音等等优点，是的PL
29、C 比单片机更为适合应用于工业生产的恶劣环境中,由德国研发生产的西门子系列PLC 更是性能优越。通过对风力发电机整体工作环境，经济适用方面综合考虑，决定选择用西门子系列的PLC 作为风电机偏航控制系统的主要控制元件13.3。3 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。3.3。1 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
30、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.图 3-2 偏航电机73.3.2 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
31、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。综合上述注意事项，最终选用
32、B-COMMAND 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)最大工作电压(V）工作温度（）绝缘等级防护等级轴直径（mm)重量（g）转速比凸轮及驱动角（）25025020+60二级IP65123001：15、1：25、1:35、1：50、1：7520、45、90、180限位开关结构如图33 所示。图 3-3 限位开关结构图83。3.3 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
33、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。（a)NPN 型三线制（b)NPN 型三线制（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
34、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
35、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9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。3.3.4 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
36、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
37、罗盘定位系统为重要元件，然后输出不同的风向信息.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。3。3.5 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3-2 所示。表 32 PLC 的分类及特点分 类按构 造固定式分成一个不可拆卸的整体。特点固定式是把 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等组合1 0模块式是把 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机模
38、块式架等模块按照一定规则组合配置。整体式 PLC 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。它将电整体式按结构模块式 PLC 具有配置灵活，装配方便，便于扩展和维修等特形式分点.模块式 PLC 将 PLC 分成若干个单独的模块,如 CPU 模块、模块式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。小型 PLC 的 I/O 点数是 256 点，处理器是 8 或 16 位，存储容小 型量 4K 以下。按功能中 型不同分大 型位，用户存储器容量816K。容量 28K。大型 PLC-I/O 点数大于 2048 点；多 CPU，处理器是 16 或 32中型 PLCI/O 点数在
39、 2562048 之间，双 CPU，用户存储器源、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。本设计采用 S7200 系列的 PLC，S7-200 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1S7-200 CPU224 系列的特点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。具有功能齐全的编程和工业控
40、制组态软件，使得在控制系统的设计时更加简2单，几乎可以完成任何功能的控制任务。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，3能满足现代高效控制要求。适用范围广,适用于各种场合中的自动检测、监测和控制等.41 1S7-200 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，S7-200 CPU224 包含有 14 个输入点和
41、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。1 2第4章 风电机偏航控制系统的硬件设计4。1 风电机偏航系统工作过程图 41 系统工作过程框图4.2 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
42、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。4.2.1 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。表 41 I/O 地址分配表输入信号名称SB1功能正向启动按钮编号I0。0名称KM1输出信号功能偏航电机正向启动偏航电机反SB2SB3L1L2L3L4L5反向启动
43、按钮停止按钮风向仪正向限位开关反向限位开关正向接近开关反向接近开关I0.1I0。2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7KM2YLP向启动制动装置报警装置报警装置Q0.1Q0.2Q0。3Q0.4Q0。0编号1 34.2.2 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4-2 所示。图 4-2 PLC 端子接线图4.2.3 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M0。0 来完成，只有触头M0。0 合上电机才会能得电，在电路中熔断器FU 起到过电流保
44、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M0.0 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FR1、FR2、FR3、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 4-3 所示。图 43 偏航电机主电路图第5章 风电机偏航系统软件设计5.1 风电机偏航系统整体流程图按下启动按钮,PLC 开始扫描，延迟 1S 后，
45、接近开关将当前的机舱位置信号传送到 PLC 中，PLC 再将信号值进行处理，与风电机机舱初始位置的设定值进行处理，如果当前位置值高于设定值，则判断机舱当前位置与初始位置夹角是否大于+650 度，如果达到正向扭缆设定值则偏航电机反转，即机舱反向偏航进行解缆。如果比较结果小于设定值，则判断机舱当前位置与初始位置夹角是否小于650 度,如果达到反向扭缆设定值则偏航电机正转，即机舱正向偏航进行解缆。若比较结果等于设定值或未达到扭缆设定值时，则将风向仪测定的风向信号与机舱当前位置进行比较得出角度差。如果两者之间的夹角大于0o则偏航电机正转，如果两者之间的夹角小于 0o，则偏航电机反转。如果在偏航过程中,
46、机舱旋转角度到达极限位置（+700o或700o）则会触发限位开关动作，同时偏航电机停止,报警系统报警,制动装置动作使偏航工作结束。(假设限位开关被触发而导致偏航电机不能动作,则必须经手动解缆才能恢复正常）其工作流程如图5-1 所示。1 4图 5-1 偏航系统总体软件设计流程图5。2 风电机手动偏航系统流程图风力发电机在调试、限位开关被触发等情况下需要手动偏航或者解缆，所以本控制系统同时设计有手动偏航功能。手动偏航是要手动按下正向启动按钮或者反向启动按钮，然后由PLC判断当前机舱位置与原始位置的夹角,若夹角大于 0 则电机反转,带动机舱向逆时针方向偏航来解缆，若夹角小于 0 则电机正转,带动机舱
47、向顺时针方向偏航来解缆.当 PLC 检测到风电机机舱当前位置与原始位置一致则手动偏航程序停止。图 52 手动解缆系统流程图5。3 风电机手动偏航梯形图当按下正向启动按钮时，常开出入点I0。0 闭合,输出点 Q0。0 置 1，同时输出点 Q0.1 清 0,即电机正转,带动风电机机舱正向旋转。当按下正向启动按钮时,常开出入点 I0。1 闭合，输出点 Q0.1 置 1，同时输出点 Q0。0 清 0，即电机反转，带动风电机机舱反向旋转。当风电机机舱回到原始位置时，C40 中的值等于 0,输出点 Q0。0 和同Q0。1 同时清 0,即电机停止转动，风电机机舱也就不会旋转。同理，当手动按下停止按钮时，常开
48、出入点I0。2 闭合,输出点 Q0。0和同 Q0。1 同时清 0，即电机停止转动，风电机机舱也就不会旋转.图 53 手动偏航系统梯形图1 5结论本设计以 PLC 作为风发电机偏航系统控制的核心，完成了风力发电机偏航系统的硬件和软件设计，实现了对风力发电机偏航系统的控制工作。设计内容主要包括：偏航主电路的设计工作和PLC、偏航电动机、风向仪、限位开关、接近开关型号的选取工作，PLC I/O 地址分配、流程图、梯形图的绘制工作.将 PLC 控制和风力发电机系统进行了很好的连接。PLC 是开关和继电器组成的电气控制系统和计算机控制系统的基础上发明的能实现工业自动控制的一种装置，作为计算机控制技术在工
49、业控制领域的其中一种，它产生的时间并不长，不过从PLC 的发展趋势以及它在工业控制中不断提高的地位看来,PLC 的发展前景是十分光明的.研究基于 PLC 控制的风力发电机偏航系统,不但能提高其发电效率，增强系统运行稳定性，又能达到现代高精度控制要求。当今社会科技的发展日新月异，PLC 的种类、功能也在不断的升级增强，在实际的生产应用中必须要根据实际情况对系统做出最合适的调整，只有这样才能设计出满足要求的控制系统。对于这次设计研究的风力发电及偏航控制系统来说,系统中的很多功能还需要进一步的扩展和完善。比如没有对风力发电机超出限定风速时偏航系统的工作进行研究。除此之外,系统对于 PLC 编程过程中
50、的很多种高级指令都 没 有 使 用 到。这 些 问 题 都 需 要 以 后 进 行 深 入 的 研 究 并 加 以 解 决。16谢辞经过几个月的努力与忙碌,毕业设计终于完成。从最开始接到风力发电机偏航控制系统设计这个题目的不知所措到现在控制系统设计的完成，每一步对我来说都是新的尝试与体验。在这里我要感谢人很多.首先，感谢我的母校洛阳理工学院这两年来对我的教育和培养,要感谢我的老师董红政对我的耐心指导，由于我一边实习一边做毕业设计，要衷心感谢董老师对我的理解，总是尽力的帮助我,每次见老师，老师都会认真仔细的帮助我分析设计，并给我想出解决的办法。此论文是在老师的悉心指导和严格要求下完成的，从课题选