基于PLC的風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)設計

基于PLC的風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)設計摘要由于化石資源的日益枯竭和人類對全球環(huán)境惡化的倍加關注，因此清潔綠色的風力發(fā)電技術已深受全世界的重視。本設計主要研究的偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的重要組成局部。由于偏航機構安裝在機艙底部，通過偏航軸承與機艙相連。當風向改變時，風向儀將信號傳到控制系統(tǒng)，控制驅動裝置工作，小齒輪在大齒圈上轉動，從而帶動機艙旋轉，是風輪對準風向。當機艙的旋轉方向有接近開關進行檢測，當機艙向同一方向到達極限偏航角度時，限位開關會及時將信號傳到控制裝置內(nèi)，控制裝置會迅速發(fā)出信號使機組快速停機，并反轉解纜，經(jīng)過上述過程從而實現(xiàn)偏航控制使風輪始終保持迎風狀態(tài)。根據(jù)邊行系統(tǒng)的工作原理本設計所要解決的根本問題有：實現(xiàn)自動偏航控制及手動偏航控制的雙控制系統(tǒng)設計設計偏航系統(tǒng)的制動裝置以及扭纜、解纜保護裝置的控制方法了解偏航液壓系統(tǒng)的作用、工作原理和控制方法。編寫驅動控制程序、扭纜、解纜保護程序。關鍵詞：風向，自動偏航，風向儀，偏航電機DesignofYawControlSystemforWindMotorBasedonPLCABSTRACTCleanandgreenwindpowertechnologyhasgottengreatattentionbytheworldbecauseoftheincreasinglyexhaustedfossilresourcesandthemoreattentionontheglobalenvironmentaldegradation.Thisdesignmainlyresearchestheyawsystemwhichisanimportantcomponentofthewindturbine.Becausetheyawmechanisminstalledatthebottomoftheengineroomandconnectedtotheengineroomthroughtheyawbearing.Whenthewindchanges,windvanewillsendthesignaltothecontrolsystemtocontrolthedrivework.Thepinionrotatedonthebiggearring,whichcanturntheengineroomtomakethewindwheelturbinesonthedirectionofthewind.Whentherevolvingdirectionoftheengineroomisclosedtotheswitchtododetectionandtheengineroomreachesthemaximumyawangletothesamedirection,thelimitedswitchwillsendthesignalstothecontroldeviceintime.Thenthecontroldevicecouldquicklysendasignaltomakethesetquickstopandturnoverthecastloop.Afterabovetheprocess,itwillrealizetheyawcontrolandmakethewindwheelkeepthestateoffacingthewind.Accordingtotheworkingprincipleoftheedgesystem,thisdesignshouldsolvetheproblemasfollow.1、Realizingthedoublecontrolsystemofautomaticyawcontrolandmanualyawcontrol;2、Designingthebrakedeviceofyawsystemandthecontrollingmethodsofprotectiondeviceofthebuttoncableandthecastloop;3、Understandingtheeffectofyawhydraulicpressuresystem,workingprincipleandthecontrollingmethods;4、Writingthecontrollingprogramofdriveandtheprotectionprogramofbuttoncableandcastloop.KEYWORDS:WindDirection,AutomaticYaw,YawAngle,YawMotor目錄6263前言127039第1章緒論226401.1風力發(fā)電的介紹243971.2風力發(fā)電的開展歷史244711.3中國風力發(fā)電的開展現(xiàn)狀48937第2章風力發(fā)電機及偏航系統(tǒng)的工作原理512302.1風力發(fā)電機組的根本介紹5299182.1.1風力發(fā)電機的分類566922.1.2風力發(fā)電機的根本構成及及原理5260792.2風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的介紹6154142.2.1偏航系統(tǒng)的分類620582.2.2偏航系統(tǒng)的組成714632.2.3偏航系統(tǒng)的功能及原理816420第3章風電機偏航系統(tǒng)總體設計9127183.1風電機偏航系統(tǒng)根本設計思路923173.2設計方案選擇1050323.3偏航系統(tǒng)硬件的選型10173123.3.1電動機選型10323973.3.2限位開關選型11324373.3.3接近開關選型12304973.3.4風向傳感器的選型14164213.3.5PLC選型1514190第4章風電機偏航控制系統(tǒng)的硬件設計18243214.1風電機偏航系統(tǒng)工作過程18293624.2系統(tǒng)硬件設計18164674.2.1PLCI/O地址分配1814124.2.2PLC端子連接圖1949044.2.3偏航電機主電路設計2023622第5章風電機偏航系統(tǒng)軟件設計22198975.1風電機偏航系統(tǒng)整體流程圖22271815.2風電機手動偏航系統(tǒng)流程圖24319655.3風電機手動偏航梯形圖257510結論2716444謝辭2824777參考文獻2924786附錄31860外文資料譯文35前言能源是人類生存所必需的最根本的物質(zhì)，保證國民經(jīng)濟穩(wěn)定開展的主要物資根底。伴隨著一次資源的儲存量越來越稀少和環(huán)境污染越來越嚴重導致人類對環(huán)境惡化的倍加關注，因此開發(fā)新型的清潔型能源也越來越受到全世界的重視。在所有利用清潔能源和二次能源作為發(fā)電的資源的技術中，利用風能資源發(fā)電的技術是最為成熟、本錢最低、對環(huán)境污染程度比較小，還是，最有開發(fā)規(guī)模和商業(yè)開發(fā)前景的能源轉變技術。開展風力發(fā)電技術對于維護生態(tài)環(huán)境的平衡和穩(wěn)定、實現(xiàn)經(jīng)濟平穩(wěn)、健康、持續(xù)性開展等許多方面都有十分重要的意義。我國的領土面積大，風能資源也很豐富。可開發(fā)利用的的風能豐富。但是我國開始利用風力發(fā)電的時間較晚，在20世紀60年代才開始研究有使用價值的新型風力發(fā)電機。七十年代以后才開始漸漸的開展起來，不僅再裝機總容量上有所提高，而且制造水平也在不斷地提高。風力發(fā)電行業(yè)的意見也逐漸的統(tǒng)一化，統(tǒng)一向著更大規(guī)模、更高質(zhì)量、更高的能源轉換率的新平臺開展[1]。風力發(fā)電是開發(fā)利用風能的主要形式也是可再生能源開展的重點，市場遼闊、前景光明，將為國民經(jīng)濟開展提供更充足的物質(zhì)保證。風電機作為風力發(fā)電的重要組成局部，提高風電機組的平安、可靠、經(jīng)濟運行十分必要。所以，加大對風力發(fā)電技術的研究，最大程度的利用風能和持久性的開發(fā)風能是十分有必要的。由于大自然的人風向是不斷變化的，如果風力發(fā)電機的風輪與風向的夾角不能保持在90o，就會影響風輪吸收風能的能力，從而影響風能的轉換率，并且會加大風機的載荷。而偏航系統(tǒng)的其中一個作用就是用一系列的元件跟蹤風向的變化，通過動力元件帶動機艙動作，使風輪掃掠面與風向保持垂直，以便最大限度的吸收風能，提高風力發(fā)電機的可利用率；還有就是它還具有一定的制動功能，為的就是在風機風輪與風向的夾角到達在90o保持機艙的位置不變，是風電機組穩(wěn)定的運行。由此，深入的研究風力發(fā)電的技術對于充分的利用風能和持久性開發(fā)風能具有深遠的意義。第1章緒論1.1風力發(fā)電的介紹早在中世紀的時候人類就懂得利用風能來提水，這種方法只是讓風能轉化為機械能，提供動力，來減少勞動力。如今電力資源日益匱乏，為了解決這一問題人們就漸漸想到了利用風能來發(fā)電，所以鋒利發(fā)的根本原理就是先把風能轉換為機械能來時像個不同的磁場發(fā)生運動在根據(jù)磁生電的原理來產(chǎn)生電能。由于風能資源的許多優(yōu)點現(xiàn)在也被世界上的很多國家當做重要的技術大力的開展。1.2風力發(fā)電的開展歷史風能是一種十分清潔的二次可重復利用的能源，與傳統(tǒng)的能源相比較。風能是靠太陽光照不同形成的溫差和地球的自轉形成的，用它來發(fā)電就可以不依賴外部的資源，使得利用風能發(fā)電的本錢相對來說比較廉價。同時防止了廢氣排放造成污染的環(huán)境本錢，另外可以被利用的風能在全世界都有分布。正是因為這些優(yōu)勢，風力發(fā)電技術也漸漸成為了很多國家實現(xiàn)可持續(xù)開展的重要組成局部。中國在很久以前就懂得利用風能資源，但是利用風能來發(fā)電的技術卻是近些年才開始接觸，與“風車王國〞荷蘭等國家還有相當大的差距，還存在技術不到位、經(jīng)驗積累缺乏等許多的缺乏。中國不甘落后近幾年的風電事業(yè)迎來了屬于自己春天，這一進步讓許多人對此感到欣喜不已，但是風電開展存在的質(zhì)量和風險卻也是不容無視的。在利用風能發(fā)電技術開展的100多年里，行業(yè)的領導者們通過各種艱難的嘗試、不斷的創(chuàng)新、經(jīng)歷不計其數(shù)的成功和失敗，正是由于他們的不懈努力，如今的風力發(fā)電技術已經(jīng)越來越成熟了。我們站在巨人的肩膀上，從國外借鑒先進的技術，再結合我國的實際情況進行改良和開展才是正確的、行之有效的方法。我國開始風力發(fā)電技術相對較晚，所以必須了解風力發(fā)電技術的開展歷史，借鑒取風力發(fā)電技術開展過程中的經(jīng)驗和教訓，顯得十分必要[2]。據(jù)全球風能理事會的不完全統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)的風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的開展也是瞬息萬變，日新月異。年平均增長率到達了28%，在2007年年底，全世界裝機總容量到達了9400萬KWh，并正以每年2000萬KWh的速凍增長。在風力發(fā)電這個領域的投資總額也在不斷增加。就在2007年，巨額的風電投資基金投向了中國。中國已將參加了風力發(fā)電事業(yè)的大家庭并漸漸向著世界上最大的風電市場的目標前行。中國時風能資源豐富區(qū)，這一優(yōu)勢也給中國風力發(fā)電技術事業(yè)的開展提供了優(yōu)越的先天條件。據(jù)估計，中國內(nèi)陸及近海地區(qū)的風能可開發(fā)量可到達為100000萬KWh，這些地區(qū)主要在沿海地區(qū)和海拔比較高的內(nèi)陸地區(qū)，例如，內(nèi)蒙古、新疆、青藏高原等地區(qū)[3]。表1-1全球風力發(fā)電量前十位國家國家裝機容量所占百分比％德國2224723.6美國1681817.9西班牙1514516.1印度80008.5中國60506.4丹麥31253.3意大利27262.9法國24542.6英國23892.5葡萄牙21502.3其他國家1301813.8前十國家總計8110486.2全球總計94122我國已經(jīng)把風力發(fā)電這一新型替代能源技術作為解決能源危機、應對當前大氣環(huán)境不斷惡化等問題的最重要的方法，并給予了大力扶持。2023年風電機組裝機總容量到達了1000萬KWh，制定了“風電特許權〞招標等措施來推動風力發(fā)電技術的開展和創(chuàng)新。截至到2007年的年底，我國總裝機容量到達604萬KWh，在過去10年的時間里以每年50%的增長率不斷擴大。在不久以后我國將成為全世界最大的風電開展市場。隨著我國風電事業(yè)的開展電能供給緊張的情況已經(jīng)得到緩解、不久以后我們也將看到由于風力發(fā)電技術的開展給生態(tài)環(huán)境帶來的改變。隨著風電市場的不斷擴張的同時國產(chǎn)風電產(chǎn)業(yè)也迎來了新的開展。根據(jù)官方權威消息稱，在2007年風電的新增的市場份額已到達產(chǎn)品總份額的55%左右。相較于2006年的數(shù)據(jù)提高了10個百分點，中國自主生產(chǎn)風電機組的能力也有了大幅提高，在風電開發(fā)建設方面也有了可喜的進步。越來越多的人能夠熟練掌握風力發(fā)電技術為我國風電事業(yè)的開展帶來了源源不斷的新鮮的血液。經(jīng)過多年努力。當前我國并網(wǎng)型風力發(fā)電技術已經(jīng)形成了一定的規(guī)模并向著更大的目標不懈前行。另外，我國還開發(fā)形成了世界上最大的小型風力發(fā)電機市場，為實現(xiàn)農(nóng)村偏遠地區(qū)的電氣化建設提供了動力。1.3中國風力發(fā)電的開展現(xiàn)狀這些年來在國家優(yōu)惠政策的大力支持下，風力發(fā)電事業(yè)得到了可喜的開展。到2023年為止，中國的風電機制造廠家已經(jīng)到達將近80家，越來越多的投資者看到了風力發(fā)電機制造業(yè)的光明前景，紛紛參加風電制造業(yè)的大家庭中。中國風電機組的單機容量、生產(chǎn)能力和新產(chǎn)品的開發(fā)能力等方面也在不斷地提高，都有了一個質(zhì)的提高。目前，中國風電機組生產(chǎn)制造市場不斷的改革創(chuàng)新，風電機組的單機容量也在不斷的加大，這說明我國風電的技術已經(jīng)開展的十分成熟了。第2章風力發(fā)電機及偏航系統(tǒng)的工作原理2.1風力發(fā)電機組的根本介紹2.1.1風力發(fā)電機的分類風力發(fā)電機可以分為很多類型可以從結構、功能、組成方面的不同分為不同的種類：按照風力發(fā)電機主軸與水平方向夾角大小的不同可分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。按照葉片數(shù)量也不相同可以有1個葉片﹑2個葉片﹑3個葉片和多個葉片等不同型號的風機。〔3〕按照輸出容量的不同可分為小型、中型、大型、兆瓦級系列?！?〕按功率調(diào)節(jié)方式的不同分為定槳恒頻型、變槳恒頻型、主動失速型和獨立變槳型?！?〕根據(jù)風電機的組成機構的不同可分為直驅式和雙饋式。〔6〕根據(jù)發(fā)電機結構的不同分為異步型風力發(fā)電機和同步型風力發(fā)電機[3]。本文主要研究的是2.0MW雙饋式異步發(fā)電機的偏航系統(tǒng)的設計2.1.2風力發(fā)電機的根本構成及原理風力發(fā)電機組的工作原理是將風的動能轉換成風機風輪旋轉的機械能，再將機械能轉換成電能，以并將電能的頻率保持在要求的頻率后輸送到電網(wǎng)中的過程。風力發(fā)電機組由四大組成局部，分別是風輪、機艙、塔架和根底。風輪主要由葉片、輪轂組成。風輪的主要作用是吸收風的動能并將它轉換為機械能，由傳動機構傳遞給發(fā)電機并轉化為電能。風輪在風力發(fā)電機組中最主要的作用就是吸收風能。風輪吸收風能能力的大小直接決定發(fā)電機組的發(fā)電能力[4]。風力發(fā)電機組的機艙內(nèi)的裝置是風力發(fā)電機最重要的設備。其中包含傳動系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。本次主要研究的就是以機艙底座為固定根底的偏航機構。風力發(fā)電機中機艙的支撐力主要來源于塔架和根底，塔架和根底承受來自風電機組的各種載荷，因此，塔架一定要有足夠的疲勞強度、強度和剛度。同時為了防止風電機在極端風條件下不會傾覆。根底除了承受風電機組的靜、動載荷之外，還負責風力發(fā)電機接地系統(tǒng)及接地觸點[5]。2.2風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的介紹風的方向是隨時間不斷變化的，而風力發(fā)電機的風輪必須迎著風向才能最大程度的吸收風能從而提高風能利用率，所以機艙也必須隨著風向變化來不斷改變方向，只有這樣才能保證風輪掃掠面始終與風向保持90o的夾角，為了實現(xiàn)這一目的，我們引入了偏航系統(tǒng)。2.2.1偏航系統(tǒng)的分類偏航系統(tǒng)一般分為兩大類，一類是主動偏航系統(tǒng)，別一類是被動偏航系統(tǒng)。主動偏航系統(tǒng)主要是通過電力或液壓系統(tǒng)為動力源的拖動來實現(xiàn)偏航功能。被動偏航系統(tǒng)主要是依靠風的力量再結合相關機構來實現(xiàn)機組的偏航功能。常見的發(fā)電機組一般采用主動偏航的齒輪驅動形式，例如本文所講到的機型MY2.0-110機型，它就是通過偏航電機驅動齒圈嚙合到達偏航目的，其結構如圖2-1所示[6]。圖2-1齒輪驅動系統(tǒng)結構圖2.2.2偏航系統(tǒng)的組成偏航系統(tǒng)主要由偏航驅動裝置、接近開關、限位開關、風速風向儀、解纜系統(tǒng)等局部組成[7]。偏航系統(tǒng)的驅動裝置包括偏航電機、制動器、偏航小齒輪等組成，它們主要依靠螺栓及內(nèi)部構造連接成一體，并用螺栓與塔架連接。偏航驅動裝置一般有4組。由于偏航齒圈齒的高度不同，會獲得不同號的光信號，偏航驅動裝置通過利用接近開關〔光傳感器〕來收集這些光信號并記數(shù)，將不同位置的接近開關采集到的光信號，轉換為電信號傳送給PLC從而實現(xiàn)偏航控制。偏航一般不超過650度，以防止出現(xiàn)扭攬現(xiàn)象。限位開關也是為了防止發(fā)生電纜過分絞纏而設置的極限位置傳感器，當機艙偏航角度到達700o時，限位開關將被觸發(fā)，并將信號傳送給PLC。以實現(xiàn)機組快速停機。凸輪開關軸上的三個可以隨意調(diào)整位置的快速動作的凸輪環(huán)，且每個凸輪環(huán)是都包含一個常開觸點和常閉觸點[8]。風向儀是偏航系統(tǒng)的風向傳感器，當控制器接收到風向信號時，首先會把接收到的風向位置與機艙的當前位置進行比較，然后結果輸出給偏航驅動裝置，使偏航驅動裝置發(fā)生相應的動作。解纜系統(tǒng)是為了防止機艙在反復旋轉的過程中，朝著同一個方向轉動過大角度而造成機艙與塔底之間連接的電纜扭絞在一起發(fā)生故障的保護系統(tǒng)[9]。2.2.3偏航系統(tǒng)的功能及原理偏航系統(tǒng)是用來捕捉風向，并實現(xiàn)機艙保持與風向，使風電機組實現(xiàn)做大使用率的一種裝置。例如，現(xiàn)在是北風，風電機組保持正常工作狀態(tài)，機艙葉輪與風向的夾角也保持在90o夾角的位置，也就是朝向北方，大廈自然的風不是一成不變的，介入現(xiàn)在由北風變成了西風，這是如果風電機組留在原來的位置就會使風輪偏離迎風位置，風輪吸收風能的能力就會下降，為了克服這一問題，自動偏航系統(tǒng)就會表達作用，它通過風向儀測得的風向信號與機艙位置信號進行比較，并將信號輸送給偏航電機，病友接近開關、限位開關等元件的相互配合使偏航電機帶動機艙旋轉至與風向相同的位置，是風輪與風向的夾角保持在90o[10]。由于偏航驅動裝置是用螺栓固定在主機架上的。而偏航大齒圈是用螺栓〔88個〕緊緊固定在塔筒的法蘭盤上面的，所以偏航大齒圈是不能轉動的，這樣就可以通過小齒輪在大齒圈上圍繞著中心軸線的運動來帶動機艙的旋轉，直到機艙的位置與風向保持一致。由于機艙是可以順時針旋轉和逆時針旋轉的，一旦在偏航過程中，機艙總是向一個方向轉動，那么會造成機艙內(nèi)的電纜發(fā)生嚴重的絞纏現(xiàn)象，嚴重時可能造成電纜的損壞，構成巨大的經(jīng)濟損失。因此必須要有一個裝置能加測電纜的絞纏程度，對此現(xiàn)在加以保護，所以采用接近開關和限位開關以保證絞纏現(xiàn)象不會發(fā)生，接近開關能保護偏航角度在650o〔0o為機艙安裝時的初始位置，順時針方向為正向，逆時針方向為反向〕時向PLC發(fā)出信號請求啟動解纜程序。限位開關作為機艙偏航角度的極限位置保護開關在機艙旋轉角度到達700o時，限位開關將被觸發(fā)，并將信號傳送給PLC使風電機組快速停機，以保護電纜不被損壞。第3章風電機偏航系統(tǒng)總體設計3.1風電機偏航系統(tǒng)根本設計思路風電及偏航系統(tǒng)主要由PLC、風向儀、偏航驅動裝置、接近開關和限位開關組成。圖3-1風電機偏航系統(tǒng)組成框圖PLC：作為風電機偏航控制系統(tǒng)的“大腦〞，可根據(jù)風向儀、接近開關、限位開關等感應保護元件傳送過來的數(shù)據(jù)，通過運算，將結果輸出控制風力發(fā)電機的機艙進行偏航動作[11]。風向儀：作為監(jiān)測風向變化的元件，可以將監(jiān)測到的風向轉變的信號轉換為電信號傳輸給PLC。偏航驅動裝置：作為風電機偏航系統(tǒng)的動力裝置，可利用三相異步電機的轉動使風力發(fā)電機機艙的位置發(fā)生變化，從而實現(xiàn)偏航效果。接近開關：作為風電機偏航系統(tǒng)的位置監(jiān)測元件，不但能檢測并記錄轉動的齒輪數(shù)量從而檢測風力發(fā)電機繞纜是否到達650o；而且還能在解纜時檢測并記錄回轉的齒輪數(shù)量并與偏航齒數(shù)相比較，確保風力發(fā)電機機艙恢復原來的位置。限位開關：作為風力發(fā)電機偏航極限位置保護開關，當檢測到風力發(fā)電機電纜絞纏到達700o的極限位置時使機組停機[12]。3.2設計方案選擇當今工業(yè)自動控制系統(tǒng)中,把單片機作為自動控制系統(tǒng)的核心元件和把PLC作為自動控制系統(tǒng)的核心元件的控制方式是最常見，但PLC比單片機擁有更高的可靠性和靈活性,而且它的梯形圖編程方法相對簡單、擴展模塊也很是豐富、并且具有耐腐蝕、抗噪音等等優(yōu)點，是的PLC比單片機更為適合應用于工業(yè)生產(chǎn)的惡劣環(huán)境中，由德國研發(fā)生產(chǎn)的西門子系列PLC更是性能優(yōu)越。通過對風力發(fā)電機整體工作環(huán)境，經(jīng)濟適用方面綜合考慮，決定選擇用西門子系列的PLC作為風電機偏航控制系統(tǒng)的主要控制元件[13]。3.3偏航系統(tǒng)硬件的選型風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)主要由偏航電機、接近開關、限位開關、風速風向儀和解纜系統(tǒng)等局部組成。3.3.1電動機選型由于是用于偏航控制，需要電動機有下面這些特性：制動迅速〔2〕結構簡單〔3〕可靠性高〔4〕準確性好〔5〕通用性強。根據(jù)以上幾點要求，本系統(tǒng)選用帶剎車裝置的交流異步電動機作為偏航驅動電機[14]。它是全封閉自然風冷式鼠籠型三相異步電動機，完全符合上述所需要求。YEJ系列三相異步電動機的制動器是直接安裝在電機非軸伸端的端蓋上的。電動機接通電源，制動器也會接通電源。由于制動器的電磁鐵就會形成電磁力，鐵吸引銜鐵向后壓縮彈簧，制動盤就會從軸蓋上松開，電動機就能工作了。當斷開電源時，制動器后端的電磁鐵失電，同時電磁鐵失去吸力，在彈簧的彈力的作用下銜鐵會使制動盤緊緊卡在電機非軸伸端的端蓋上增加電機轉動時的摩擦力矩，使電動機停止。圖3-2偏航電機3.3.2限位開關選型限位開關開關又叫做行程開關因為主要在并網(wǎng)型風力發(fā)電機的解纜系統(tǒng)中應用，因此又等于扭纜傳感器，主要是控制機械設備在一定的形程范圍內(nèi)運動并提供位置保護的一種電路切換元件。在實際應用中，限位開關都被安裝在預先設計的位置，當限位開關的觸點被觸發(fā)后，就會對電路進行切換。所以，限位開關是利用運動元件位置的變化來自動切換電路的電器，它的作用原理與按鈕根本相同、不同的是按鈕需要手動，限位開關的動作是自動的。限位開關在風電機偏航系統(tǒng)中的作用是為扭纜角度提供保護。在選擇用于風力發(fā)電機組中的限位開關是必須注意以下內(nèi)容：〔1〕根據(jù)安裝的位置的不同，選擇適宜的形狀以及重量?！?〕根據(jù)保護動作范圍大小的不同，選擇適宜的凸輪個數(shù)。〔3〕根據(jù)電路所需要動作的信號的不同，選擇觸頭對數(shù)及開關的狀態(tài)〔常開或常閉〕?！?〕根據(jù)工作環(huán)境條件的不同，選擇適宜的型號，以保證其穩(wěn)定工作。綜合上述考前須知，最終選用B-COMMAND公司生產(chǎn)的FCN型限位開關[15]。其主要參數(shù)如表3-1所示。表3-1FCN型限位開關參數(shù)額定電壓〔V〕250最大工作電壓〔V〕250工作溫度〔℃〕-20~+60絕緣等級二級防護等級IP65軸直徑〔mm〕12重量〔g〕≈300轉速比1：15、1：25、1:35、1:50、1：75凸輪及驅動角〔°〕20、45、90、180限位開關結構如圖3-3所示。圖3-3限位開關結構圖3.3.3接近開關選型接近開關是一種不需要和運動部件進行直接接觸就可以操作的一種位置開關，當物體到達接近開關的感應距離之內(nèi)時，接近開關就會自動動作，從而切換電路來驅動電器或者將位置信號傳送給PLC等中央控制單元，來使相應的元件動作。接近開關作為開關型傳感器的一種，不但有一般行程開關和微動開關的功能，同時也有傳感功能，除此之外還有動作可靠，性能穩(wěn)定，響應速度快，使用壽命長，抗干擾能力強等許多優(yōu)點。可以分為電感式、電容式、霍爾式、交-直流型。接近開關可以分為兩線制接近開關和三線制接近開關，三線制接近開關根據(jù)組成結構的不同又分為NPN型和PNP型兩種類型，它們的接線方式也有區(qū)別[16]。如圖3-4所示。(a)NPN型三線制(b)NPN型三線制(c)NPN型直流二線制(d)NPN型交流二線制圖3-4接近開關分類接線圖兩線連接式的接近開關接線方式很簡單，只要把接近開關和負載以串聯(lián)的方式接到電源就可以。三線連接的接近開關的接線方式那么較為復雜，紅(棕)線需要連接電源的正極，藍線必須接電源負極，黃(黑)線作為接近開關的信號線要與負載連接。而NPN型和PNP型接近開關的負載接線方式也是有區(qū)別的，NPN型接近開關要求將負載接到電源正極，PNP型那么要求將負載接到電源負極。接近開關的負載可以是多種形式的。信號燈、繼電器線圈或PLC的數(shù)字量輸入模塊等都可以。特別要注意接到PLC數(shù)字輸入模塊的三線制接近開關的型式的選擇。PLC的數(shù)字量輸入模塊在一般情況下分為公共輸入端是陰極，電流直接從輸入模塊進入的情況，遇到這種情況就必須選用NPN型接近開關。如果遇到公共輸入端為電源的陽極，電流輸出由公共端輸入到模塊，遇到這種情況就必須選用PNP型接近開關。兩線連接式的接近開關容易受到工作條件的制約，在開關導通的時候開關本身會消耗一定電壓，截止的時候又會有一定的殘流流過，選用時應當考慮這個因素。三線制接近開關僅僅比兩線制多了一根線，就解決了殘流流過的影響，使得三線制接近開關的工作更為可靠。本設計采用NPN型三線制接近開關如圖3-4〔b〕所示。3.3.4風向傳感器的選型風向傳感器是專門用于測量水平風向的專業(yè)氣象儀器。風向傳感器的外形十分小巧輕便，因此也方便于攜帶和組裝，它的外殼根本都采用優(yōu)質(zhì)鋁合金型防腐蝕材料。風向標是風向傳感器的感應元件，當風向標隨風向變化時，風向儀中的格雷碼盤會將風向標的角位移信號轉換成相應的格雷碼并以電信號的形式輸出給PLC控制器。風向傳感器根據(jù)其工作原理的不同可以分為光電式、電壓式和羅盤式等，并被廣泛應用于氣象、電力、科研、農(nóng)林水牧魚等領域。風向傳感器的風杯具有高耐候性、防腐蝕、高強度和防水等特性；傳感器主體由鋁鎂合金制作而成，內(nèi)部電路經(jīng)過特殊的處理后，能夠適應各種惡劣環(huán)境。光電式風向傳感器是把格雷碼盤編碼〔四位或七位格雷碼〕作為最重要的元件，通過利用A/D轉換原理實現(xiàn)傳遞不同的風向信息的功能。電壓式風向傳感器利用精密的導電塑料作為傳感器的最重要的元件，通過輸出不同的電壓信號來傳遞不同的風向信息的功能。電子羅盤式風向傳感器是利用電子羅盤定位系統(tǒng)為重要元件，然后輸出不同的風向信息。本文設計采用光電式風向傳感器作為偏航系統(tǒng)風向檢測設備。3.3.5PLC選型PLC是一種專為適應在工業(yè)環(huán)境中工作而設計的數(shù)字運算操作的電子控制系統(tǒng)。它內(nèi)部程序的存儲是采用可編程的存儲器，支持邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術操作等用戶指令，并通過數(shù)字或模擬式I/O控制各種類型的生產(chǎn)過程。PLC的分類及功能介紹如表3-2所示。表3-2PLC的分類及特點分類特點按構造分固定式固定式是把CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等組合成一個不可拆卸的整體。模塊式模塊式是把CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架等模塊按照一定規(guī)那么組合配置。按結構形式分整體式整體式PLC具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。它將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)。小型PLC多采用整體式結構。整體式PLC由主機和擴展單元組成。模塊式模塊式PLC具有配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修等特點。模塊式PLC將PLC分成假設干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊以及各種功能模塊。大、中型PLC一般采用模塊式結構。按功能不同分小型小型PLC的I/O點數(shù)是256點，處理器是8或16位，存儲容量4K以下。中型中型PLC—I/O點數(shù)在256～2048之間，雙CPU，用戶存儲器容量2～8K。大型大型PLC—I/O點數(shù)大于2048點；多CPU，處理器是16或32位，用戶存儲器容量8～16K。本設計采用S7-200系列的PLC，S7-200系列是一種小型PLC系統(tǒng)，其功能非常強大，許多功能可以到達大、中型PLC水平，而價格卻比大、中型PLC的低廉很多。功能介紹如表3-3所示。表3-3S7-200CPU224系列特點分類序號S7-200CPU224系列的特點1具有了多種功能模塊和人機界面可供選擇,使得系統(tǒng)的集成非常方便,并且其在網(wǎng)絡中的強大功能,很容易地可以組成PLC網(wǎng)絡。2具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件,使得在控制系統(tǒng)的設計時更加簡單,幾乎可以完成任何功能的控制任務。3具有豐富的指令集和內(nèi)置的集成功能,強大的通信能力和豐富的擴展模塊,能滿足現(xiàn)代高效控制要求。4適用范圍廣,適用于各種場合中的自動檢測、監(jiān)測和控制等。S7-200系列PLC適用范圍廣，適用于各種場合中的自動檢測、監(jiān)測和控制等的特點如下：極高的可靠性。極豐富的指令集。易于掌握。便捷的操作。豐富的內(nèi)置集成功能。實時特性。強勁的通訊能力。豐富的擴展模塊。本設計采用S7-200系列中的CPU224型PLC,S7-200CPU224包含有14個輸入點和10個輸出點，共24個輸入輸出端口。其中還包含2個模擬量的電位器，最多可擴展35個輸入輸出點。有6路頻率為30KHz的高速計數(shù)器，2路高速脈沖輸出口，1個RSS485通信接口，它的中央處理單元CPU224具有很強的模擬量處理能力，模塊擴展能力是S7-200系列產(chǎn)品中使用最多的。風電機偏航控制系統(tǒng)的硬件設計4.1風電機偏航系統(tǒng)工作過程圖4-1系統(tǒng)工作過程框圖4.2系統(tǒng)硬件設計在硬件系統(tǒng)的研究中，要根據(jù)系統(tǒng)要到達的目的來確定哪些信號作為輸入量哪些信號作為輸出量，而且還要確定是數(shù)字量還是模擬量，只有這樣準確的選擇控制器件到達節(jié)約本錢的目。設計電路的時候首先要知道電路中包含那些設備，以及設備在電路當中起什么作用，這些設備需不需要保護，如需要保護應該采取什么保護措施，一定要心思縝密，防止因設計過程中的失誤而造成實際生產(chǎn)過程中對設備的損害，只有這樣設計出來的控制系統(tǒng)才能被廣泛應用到實際生產(chǎn)中。4.2.1PLCI/O地址分配由系統(tǒng)設計需要輸入信號有正向啟動、反向啟動、停止、風向儀、限位開關等；輸出信號被控對象有電機、制動裝置、報警裝置等，PLCI/O地址分配情況如表4-1所示。表4-1I/O地址分配表輸入信號輸出信號名稱功能編號名稱功能編號SB1正向啟動按鈕I0.0KM1偏航電機正向啟動Q0.0SB2反向啟動按鈕I0.1KM2偏航電機反向啟動Q0.1SB3停止按鈕I0.2Y制動裝置Q0.2L1風向儀I0.3L報警裝置Q0.3L2正向限位開關I0.4P報警裝置Q0.4L3反向限位開關I0.5L4正向接近開關I0.6L5反向接近開關IPLC端子連接圖根據(jù)PLCI/O地址分配說明確輸入輸出量并根據(jù)地址分配來設計PLC的外部連接方式，PLC外部接線方式如圖4-2所示。圖4-2PLC端子接線圖4.2.3偏航電機主電路設計偏航方向的變化可以由電動機的正反轉來完成，電路中的電源開關由刀開關中間繼電器的觸頭M0.0來完成，只有觸頭M0.0合上電機才會能得電，在電路中熔斷器FU起到過電流保護的作用，當電網(wǎng)中電流過大時熔斷器期內(nèi)熔絲就會因過熱而斷開從而保護電機不被損壞，當M0.0閉合時，假設KM1觸電閉合就會使電機M1正轉，由于四個點及時并聯(lián)的，所以，此時四個電機都會正轉，使機艙進行正向偏航。假設KM2閉合就會使M1電機反轉，同理，其余三個電極也會同時反轉，使機艙反向偏航。在電路中起到電機的正轉與反轉的功能，即正向偏航與反向偏航。熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4那么是為電動機提供過載保護的。由以上要求可以設計電路如圖4-3所示。圖4-3偏航電機主電路圖風電機偏航系統(tǒng)軟件設計5.1風電機偏航系統(tǒng)整體流程圖按下啟動按鈕，PLC開始掃描，延遲1S后，接近開關將當前的機艙位置信號傳送到PLC中，PLC再將信號值進行處理，與風電機機艙初始位置的設定值進行處理，如果當前位置值高于設定值，那么判斷機艙當前位置與初始位置夾角是否大于+650度，如果到達正向扭纜設定值那么偏航電機反轉，即機艙反向偏航進行解纜。如果比較結果小于設定值，那么判斷機艙當前位置與初始位置夾角是否小于-650度，如果到達反向扭纜設定值那么偏航電機正轉，即機艙正向偏航進行解纜。假設比較結果等于設定值或未到達扭纜設定值時，那么將風向儀測定的風向信號與機艙當前位置進行比較得出角度差。如果兩者之間的夾角大于0o那么偏航電機正轉，如果兩者之間的夾角小于0o，那么偏航電機反轉。如果在偏航過程中，機艙旋轉角度到達極限位置〔+700o或-700o〕那么會觸發(fā)限位開關動作，同時偏航電機停止，報警系統(tǒng)報警，制動裝置動作使偏航工作結束。〔假設限位開關被觸發(fā)而導致偏航電機不能動作，那么必須經(jīng)手動解纜才能恢復正常〕其工作流程如圖5-1所示。圖5-1偏航系統(tǒng)總體軟件設計流程圖5.2風電機手動偏航系統(tǒng)流程圖風力發(fā)電機在調(diào)試、限位開關被觸發(fā)等情況下需要手動偏航或者解纜，所以本控制系統(tǒng)同時設計有手動偏航功能。手動偏航是要手動按下正向啟動按鈕或者反向啟動按鈕，然后由PLC判斷當前機艙位置與原始位置的夾角，假設夾角大于0那么電機反轉，帶動機艙向逆時針方向偏航來解纜，假設夾角小于0那么電機正轉，帶動機艙向順時針方向偏航來解纜。當PLC檢測到風電機機艙當前位置與原始位置一致那么手動偏航程序停止。圖5-2手動解纜系統(tǒng)流程圖5.3風電機手動偏航梯形圖當按下正向啟動按鈕時，常開出入點I0.0閉合，輸出點Q0.0置1，同時輸出點Q0.1清0，即電機正轉，帶動風電機機艙正向旋轉。當按下正向啟動按鈕時，常開出入點I0.1閉合，輸出點Q0.1置1，同時輸出點Q0.0清0，即電機反轉，帶動風電機機艙反向旋轉。當風電機機艙回到原始位置時，C40中的值等于0，輸出點Q0.0和同Q0.1同時清0，即電機停止轉動，風電機機艙也就不會旋轉。同理，當手動按下停止按鈕時，常開出入點I0.2閉合，輸出點Q0.0和同Q0.1同時清0，即電機停止轉動，風電機機艙也就不會旋轉。圖5-3手動偏航系統(tǒng)梯形圖結論本設計以PLC作為風發(fā)電機偏航系統(tǒng)控制的核心，完成了風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的硬件和軟件設計，實現(xiàn)了對風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的控制工作。設計內(nèi)容主要包括：偏航主電路的設計工作和PLC、偏航電動機、風向儀、限位開關、接近開關型號的選取工作，PLCI/O地址分配、流程圖、梯形圖的繪制工作。將PLC控制和風力發(fā)電機系統(tǒng)進行了很好的連接。PLC是開關和繼電器組成的電氣控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)的根底上創(chuàng)造的能實現(xiàn)工業(yè)自動控制的一種裝置，作為計算機控制技術在工業(yè)控制領域的其中一種，它產(chǎn)生的時間并不長，不過從PLC的開展趨勢以及它在工業(yè)控制中不斷提高的地位看來，PLC的開展前景是十分光明的。研究基于PLC控制的風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)，不但能提高其發(fā)電效率，增強系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，又能到達現(xiàn)代高精度控制要求。當今社會科技的開展日新月異，PLC的種類、功能也在不斷的升級增強，在實際的生產(chǎn)應用中必須要根據(jù)實際情況對系統(tǒng)做出最適宜的調(diào)整，只有這樣才能設計出滿足要求的控制系統(tǒng)。對于這次設計研究的風力發(fā)電及偏航控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)中的很多功能還需要進一步的擴展和完善。比方?jīng)]有對風力發(fā)電機超出限定風速時偏航系統(tǒng)的工作進行研究。除此之外，系統(tǒng)對于PLC編程過程中的很多種高級指令都沒有使用到。這些問題都需要以后進行深入的研究并加以解決。謝辭經(jīng)過幾個月的努力與忙碌，畢業(yè)設計終于完成。從最開始接到風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)設計這個題目的不知所措到現(xiàn)在控制系統(tǒng)設計的完成，每一步對我來說都是新的嘗試與體驗。在這里我要感謝人很多。首先，感謝我的母校洛陽理工學院這兩年來對我的教育和培養(yǎng)，要感謝我的老師董紅政對我的耐心指導，由于我一邊實習一邊做畢業(yè)設計，要衷心感謝董老師對我的理解，總是盡力的幫助我，每次見老師，老師都會認真仔細的幫助我分析設計，并給我想出解決的方法。此論文是在老師的悉心指導和嚴格要求下完成的，從課題選擇到設計思想、方案選取、程序調(diào)試，無不凝聚著于老師的心血和汗水。在這兩個月的時間里，董紅政老師給了我細心的指導和不懈的支持，他以其豐富的經(jīng)驗和淵博的知識，在設計期間幫助我攻克了一個又一個難關。董紅政老師負責的工作態(tài)度、嚴謹?shù)闹螌W精神、深厚的理論水平和精益求精的工作作風都深深鼓勵著我。在董紅政老師身上我不僅學到了如何做事，更學會了如何做人，如何對待工作的態(tài)度。同時還要感謝給了我很多幫助的同學和舍友，他們總是不遺余力的再幫我，正因為在她們的幫助和鼓勵下，我才能夠克服重重困難，順利的完成這次的畢業(yè)論文。參考文獻[1]馮江哲.兆瓦級風力發(fā)電機組控制技術的研究[J].華北電力大學(保定)：機械電子工程,2023[2]錢江海，謝源，焦斌.基于PLC的風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)[J].上海電機學院學報,2023.05[3]張雷，鄂春良，李海東.PLC在大型風力機變槳距系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用,2007.09[4]李東東，陳陳.風力發(fā)電機組動態(tài)模型研究[J].中國電機工程學報,2005.03[5]裴興林，程明杰，薛仰全.妍張俊;PLC調(diào)速系統(tǒng)對風電機組的偏航控制[J].裝備制造技術，2023.08[6]吳光宇.基于VisualB軟件開發(fā)風電機組監(jiān)控系統(tǒng)人機界面[J].電氣技術,2023.02[7]武鑫，趙斌，鄂春良.許洪華S7-200PLC在大型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)中的應用[J].電氣自動化，2003.01[8]任致程.電動機變頻器實用手冊[M].北京：中國電力出版社,2004[9]周潔.王立新.應用PLC設計自動控制系統(tǒng)的幾種方法[J].農(nóng)業(yè)技術.2005〔06〕，206-209.[10]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：127-191.[11]劉定邦.大型風力發(fā)電機組的模糊控制研究.重慶大學碩士學位論文[D].2007：13-25[12]楊金明，吳捷，董萍，楊俊華，楊蘋．基于無源性理論的風力機最大風能捕獲控 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windspeedgeneration,pitchmoment,multipleprotection,andaseriesoftechnicalattentionbytheinternationalmarketandinternationalclientsunanimouslyapproved,hasaleadingposition.Moreover,thesmallandmediumWindpowertechnologyisultimatelydistributedindependentpowersupplytomeetend-market,ratherthanlarge-scalewindpowergenerationandnetworktechnologiestomeetthedomesticmonopolymarket,technology,updateratemustbeadaptedtoabroadandrapidlygrowingmarket.3.windandsolartechnology:WindistheintegrationoftechnicalskillsandtheSmalllandMediumWindEnergySolarEnergyTechnology,combinesavarietyofapplicationsofnewtechnology,anditcoversmanyareas,thewiderangeofapplications,technicaldifferentiationissogreatthatavarietyoftechniqueswhichcanseparatematch.Windandsolarpoweriscurrentlytheworldintheuseofnewenergytechnologythemostmature,mostlarge-scaleandindustrialdevelopmentoftheindustry,separateandindividualsolarwindhasitsdrawbacksofdevelopment,butbothwindandsolarpowercomplementarycombinedtorealizethetwonewconfigurationofenergyinnaturalresources,thetechnicalprogramsofintegration,performanceandpricecomparedtoaspectsofthenewenergysourceforthemostreasonable,notonlyreducesthedemandtomeetunderthesameunitcostandexpandthescopeofapplicationofthemarket,alsoincreasesthereliabilityoftheproduct.Inaddition:solarandwindpowerarebothnewenergy,solarenergythanthewindstartedtobelatemorethan30persolarPV/Wbythegeneralpublicaboutthepriceofrecognitioncanbeconvertedtoa15%rate;whilethepriceofsmallwindpowerconversionrationally1/5-1/6ofthesame60%-80%,onlythelowpriceWorsestillsuppressed,photoelectricproductionofpollutionontheenvironmentgreaterthanwindpower,thansubstantialdevelopmentinwindenergy,thiscomparisoncontrasttwistofmeditation,ifpeopleusetheenergyfromthepointofview,ourgoalistomeettheelectricityfromwindpowergeneratingcapacitytomeasurethecostofsolarenergyeconomythanmany.Wind,solarandwindpowerintegrationadvantages,notonlyforthe"energysaving,emissionreduction,"openedupnewhorizonsfortheapplicationofsciencetomeethumanneeds,fortheworldtoopenafourthrevolution.Second，Windpowerhasthreekindsofoperationmode:Oneisindependentoperationmode,usuallyasmallwindgeneratorstooneorafewfamiliestoprovidepower,storagebatteryenergy,toensuretheelectricitywithoutwind,Secondisthewindturbinesandotherpowermode(suchasenginepower),combiningtoaunitoranvillageoranislandpowersupply,Threeiswindpowerintoconventionalpoweroperateandtoprovideelectricpowergrid,isoftenawindtensorhundredsofsetsinstalledwindgenerators,thisisthemaindevelopmentdirectionofwindpower.Windpowersysteminthetwomainpartsiswindmachineandgenerators.Windturbinestochangefromadjustingtechnique,plasmageneratortowardVSCFtechnology,thisisthedevelopmenttrendofwindpowertechnologyisthecoretechnologynowadayswindturbines.Thefollowingsimpleintroductionofthistworespects.1thechangeofwindplasmafromregulationWindturbinesimpeller,willcapturethewindbyconvertingwindeffectsonthemechanicalwheeltorque.ChangeisthechangefromadjustmentwithverticalaxiswindleafsurfaceofAngle,thusaffectingtheforceandtheblade,whenthewindresistanceincreases,theoutputpowerofthefaniskeptconstantpoweroutput.Byregulatingmode,fanfromtheoutputpowercurvesmooth.IntheratedwindleafAngleofattack,controllerwillbeplacednearzero,donotchange,approximatedistanceequaltoadjustforpulp.Intheratedwindabove,variablestructurecontrolfunctionfrompulp,adjustthebladeAngleofattack,theoutputpowercontrolinnearratings.Changefromthewindplasmastartingfromwindspeedissetslurrymachinedowntimeatlowimpactstressrelativeease.Thenormalwork,ismainlyadoptspowercontrol,inpracticalapplications,powerandspeedisdirectlyproportionaltotheset.Smallchangeswillcausethewindchangesofwind.Duetothechangeofwindfrompulpbyadjustingtheimpactthanotherwindfromsmall,canreducematerialutilizationrate,reduceoverallweight.Andthechangeofwindfromaccommodationtypeatlowspeed,canmaketheblades,keepgoodAngleofattackthanaccommodationtypestallwindturbineshavebetterenergyoutput,thereforeissuitableforlowaveragespeedoftheregion.Changefromanotheradvantageofregulation,whenthewindsearchacertainvalue,stalltypeofwindanddowntime,mustfromtypemachinecangraduallychangestothewindloadwithoutabladesofopenmode,avoidwing,increaseofwindturbine.Changeistoadjustthedefectissensitiveresponserequiresgusts.Becausethewindaccommodationtypestallfanvibrationpowerpulsearesmall,andaccommodationtypefromwindturbinesisbigger,especiallyforthechangefromtheconstantspeedwindmillsway,thiskindofcircumstance,thisdoesnotrequiremoreobviouschangeinthefanistheresponsespeedofwindsystemtofastenough,canreducethisphenomenon.Third,thedevelopmentofwindenergytechnologyrequiresconstant.Innovation:Atpresent,China'swindenergydevelopmentintechnologica