基于PLC的风力发电控制系统设计

学号： 2010509044

浙 江 大 学 毕业设计（论文）

题 目 基于PLC的风力发电控制系统设计 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务

二○一二年六月

基于PLC的风力发电控制系统设计

摘 要：近年来随着经济的不断发展和人们生活水平的不断改善，在世界范围内石油、煤炭这些不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧发电厂产生的污染物也对地球环境产生了负影响。然而风能是一种清洁、可再生的能源，在发电这一领域具有巨大的开发潜力和商业活力。随着科技的不断进步，计算机和可编程控制的科研水平在提升，这对于风电控制的研究又提供了新的途径。针对风能具有随机性、不确定性的特点，本文用西门子可编程控制器S7-200来对风力发电进行控制。主要内容包括电气原理图和设计流程图的绘制，PLC、电气元件的选型，发电机组启动控制、偏航控制、温度控制和变压器控制等。在论文中给出详细的控制原理解释和各模块的功能介绍，并配有每一模块的控制程序。最后进行相关调试和仿真，利用STEP7-Micro/WIN32编程软件对PLC程序进行调试、仿真运行和在线诊断等，使仿真结果满足设计要求。

关键词：风力发电；可编程控制器；偏航；温度控制

I

The Control System of Wind Power Based on PLC

Abstract：In recent years, with the continuous development of the economy and people’s living standards continue to improve, in the scope of world petroleum, oil and coal these non-renewable resource consumption was significantly more than the environment can stand. Combustion power generation of pollutants generated also produced negative effect to the environment of the earth. However, the wind energy is a clean, renewable energy power generation, it has tremendous development potential and business activity in this area. With the progress of science and technology, computer and programmable control of the level of scientific research in ascension, for wind power control research provides a new way. In this paper, aiming at these characteristics of uncertainty and randomness wind energy, we can use Siemens programmable controller S7-200 to wind power control. The main contents include drawing the corresponding electrical schematic diagram and the flow chart, selecting the PLC and electrical components, turbine start-up control, yaw control, temperature control, transformer control and so on. In this paper, it gives detailed explanation of the control principle and the function of each module and control program. Finally, it needs testing and simulation, using of STEP7-Micro/WIN32 programming software for the PLC program debugging, simulation and online diagnosis and so on, so that the simulation results meet the design requirements.

Key words：wind power generation; programmable controller; yaw; temperature control

II

目 录

摘 要 ......................................................................................................................................... I 目 录 ...................................................................................................................................... III 1 引言 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景与意义 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外发展现状 ................................................................................................................. 2 1.2.1 国内发展状况 .................................................................................................................. 2 1.2.2 国外发展状况 .................................................................................................................. 3 1.3 主要内容及章节安排 ......................................................................................................... 4 2 风电机组组成与风能理论 .................................................................................................... 6 2.1 风电机组组成部分介绍 ..................................................................................................... 6 2.1.1 风轮及其组件 .................................................................................................................. 6 2.1.2 机舱及其组件 .................................................................................................................. 7 2.1.3 塔架部件 .......................................................................................................................... 8 2.1.4 控制系统 .......................................................................................................................... 8 2.2 风能理论简介 ..................................................................................................................... 9 2.2.1 风速和风能 ...................................................................................................................... 9 2.3 本章小结 ............................................................................................................................. 9 3 设计方案和电气元件选型 .................................................................................................. 10 3.1 设计方案 ........................................................................................................................... 10 3.1.1 系统整体设计 ................................................................................................................ 10 3.1.2 具体模块设计 ................................................................................................................ 11 3.2 I/O地址分配与电气元件选型 .......................................................................................... 19 3.2.1 I/0地址分配 ................................................................................................................... 19 3.2.2 PLC的选型 ..................................................................................................................... 19 3.2.3 其他器件的选型 ............................................................................................................ 20 3.3 本章小结 ........................................................................................................................... 21 4 可编程控制器及控制程序 .................................................................................................. 22 4.1 可编程控制器简介 ........................................................................................................... 22 4.1.1 PLC的基本结构 ............................................................................................................. 22 4.1.2 PLC的工作原理 ............................................................................................................. 23 4.1.3 PLC的特点 ..................................................................................................................... 23 4.1.4 PLC的应用 ..................................................................................................................... 24 4.2 系统控制程序 ................................................................................................................... 24 4.2.1 发电机启动程序 ............................................................................................................ 24 4.2.2 偏航控制程序 ................................................................................................................ 26

III

4.2.3 温度控制程序 ................................................................................................................ 29 4.2.4 变压器控制程序 ............................................................................................................ 35 4.3 本章小结 ........................................................................................................................... 36 5 系统调试与仿真 .................................................................................................................. 37 5.1 程序调试 ........................................................................................................................... 37 5.2 系统仿真 ........................................................................................................................... 37 5.3 本章小结 ........................................................................................................................... 42 6 结论 ...................................................................................................................................... 43 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 44 致 谢 ........................................................................................................................................ 45 附 录 A ................................................................................................................................... 46

IV

常州大学本科生毕业设计（论文）

2 风电机组组成与风能理论

风能发电的原理，是风力带动风电机的轮片旋转，轮片的一端连接发电机的机械联

动杆，发电机内导体切割磁感应线而产生电流，这样实现了风力发电的目的。

按照现在的风机技术，风速3m/s左右的微风即可以开始发电。本章简单介绍风力发电机组的组成以及相关的空气动力学知识，即可清楚了解风力发电的原理和过程。 2.1 风电机组组成部分介绍

风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组

（10KW以下），中型风电机组（10~100KW），大型风电机组（100KW以上）；按其主

轴与地面的相对位置，可以划分为水平轴风力发电机组（主轴与地面平行），垂直轴风力发电机组（主轴与地面垂直）。

最早最简单的风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低下，没有实际运用价值。所以在原有的基础上，增加了偏航系统，齿轮箱，控制系统，停机系统等部件更加有效地使用风能。在现有技术基础上大致可以把一个普通的风电机分为四大部分：风轮组件，机舱组件，塔架组件以及控制部分。图2-1表示风机各个部分的组成。

图2-1 风电机组的组成

2.1.1 风轮及其组件

风轮由三部分组成：叶片、轮毂、风轮轴[4]。风轮是风力发电机最重要的部件，也

是风力发电机区别于其他发电机的显要标志，其作用是获取和吸收风能，它将风能转化为机械能。而风轮轴则将能量给传动机构。

叶片是风力发电机获取风能的部件，风能利用率的好坏大都取决于良好的叶片外

第6页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

形，它材料的强度、硬度、密度以及使用寿命。一般叶片具有高硬度，高强度，低密度等特点。根据叶片横截面形状可以将叶片分为平板型，弧板型和流线型。

轮毂是将叶片和叶片组固定到主转轴上的装置。它的作用是叶片的力和力矩传递到主传动机构中。轮毂有固定式和铰链式两种。

风轮轴也叫主轴、低速轴，它在风轮以及齿轮箱之间。其前面端子由螺栓与轮毂刚性连接，后面端子与齿轮箱低速相连，结构复杂且受力大。风轮轴有较高的综合机械性。

此外风轮机构组件还包括变浆机构，它是根据风速的变化来调节桨距角，用以风电机保持高效率的输出功率。 2.1.2 机舱及其组件

风力发电机的机舱承担容纳所有的机械零部件，起到支撑作用。它还需要承受所受

外力作用（静负载和动负载），机舱罩材料应具高强度高硬度，表面光滑，均匀厚度，无层件剥离等特点。其中包含齿轮箱、发电机等主要部件。机舱的左边是风力发电转子（叶片与风轮轴）。

风力发电机的传动机构包含增速器、主轴、齿轮箱、发电机和联轴器等[4]，它是用于传递机械能，并且将机械能转化为电能的装置。一般情况下，风轮转速低于发电机的转子所必须的转速，增速器要给风轮转动加速。联轴器与制动器往往设计在一起。 发电机是将传动轴传给的机械能转化为电能的装备。一般选用直流发电机、永磁发电机、同步交流发电机、异步交流发电机等作为风电专用发电机。

齿轮箱也是风电发电机组的关键部件之一，它的作用是在风电机工作在低转速，而发电机在高转速下运作时，使两者实现工作的匹配。叶片产生的转矩通过齿轮的传动递给发电机。齿轮箱结构复杂，在机舱内安装空间小，由于外界工作环境恶劣，常有强风冲击，维修检查显得十分困难，所以齿轮箱材料和可靠性要求比较高。齿轮箱按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式和混合式。图2-2展示了齿轮箱的样式。

图2-2 风力发电齿轮箱

偏航系统也称作对风装置，被安装在机舱座内。它的作用是调控叶片随着风向变化而变化，快速平稳地对准风向，以便风机获得最大的风能；当机舱内引出电缆发生缠绕时，它会自动解缆。

第7页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

2.1.3 塔架部件

塔架的功能是支撑位于空中的机舱、轮片等风力发电主要器件，一般要求高度达到

六十米以上，且塔架与地基相连接处要求牢固，能够承受强大的风力冲击以及有风力发电系统运行引起的不同载荷，将这些载荷接地消除，使得整个系统能够平稳安全地运行下去。塔架内部配置线缆还必须将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，必须配有爬梯与安全导轨，备以工作人员操作、维护。塔架的几种基本形式：单管拉线式，衍架拉线式，衍架式和锥筒式。

2.1.4 控制系统

控制系统是整个风力发电机组的核心部分，它关系到系统中每一个部件的动作和状态。通常使用PLC，或者DSP微机处理器作为控制器件，它们功能强大，能够应付恶劣的工作环境，所以受到广泛应用。控制系统的功能主要有对运行过程的模拟量和数字量进行采集、传递、分析、运算，从而做出命令控制风电机组的运行，使得功率输出稳定，转速在合理的范围内；若出现故障或者遇到异常情况可以快速准确地检测到并且分析原因，做出相应的保护措施或停机。控制系统通常由各种传感器，微机处理器，编程控制器，软件系统和执行机构组成。图2-3为风力发电机组控制系统示意图。

用户界面编程，输入各检测安全临界参数总系统的启动和停止主控制器自动控制系统启停电流电压保护故障切断控制各功能模块的启动停止系统运行状态检测 外界环境检测电网运行状况调控功率调整无功功率补偿发电机启动控制功率调整转速调整偏航控制角度调整功率调整温度控制温度检测冷却机运作其他控制

图2-3 风力发电机组控制系统

第8页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

2.2 风能理论简介 2.2.1 风速和风能

瞬时风速是指风速的瞬时值[8]。它只可给出相关风的近似概念，并且因为传感器的惯性作用，风速的瞬时值只能近似地测量。瞬时风速V用平均风速Vm加上风的波动分v来表示：

V=Vm+v （2.1）

风速为v，当风吹过叶轮时，叶轮受力转动。假设m为气体质量，ρ为空气密度。根据空气流体力学可知，在一秒中流向风轮的空气具有的动能为：

E=?mv2 （2.2）

单位时间里气体流过截面S的气体体积是V，那么

V=Sv （2.3）

单位气体体积的质量为

m=ρV=ρvS （2.4）

流动气体具有的动能为

E=?mv2=?v3ρS （2.5）

据风能表达式可知，风能的大小与流过截面的面积和气体的密度相关且成正比，与气体流速的立方也成正比。

气体密度和速度都随着海拔高度的变化而变化。P为当地大气压，t为当地大气压，

则气体密度计算公式：

352.99pρ= （ 2.6） （2.6）

(273?t)*101325 2.3 本章小结

本章主要介绍了风力发电机组的四个主要组成部分：风轮及其组件、机舱及其组件、塔架部件和控制系统，详细介绍了它们的构造和功能。最后还介绍了相关的风能理论知识。

第9页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

3 设计方案和电气元件选型

3.1 设计方案

风力发电的主要工作原理：机械能转化为电能，这也是发电机工作的原理。

控制方面的工作原理及过程为：当系统的总开关合上后，可编程控制器初始化，测速传感器感知到风速模拟信号A/D转换后并且传输给PLC，处理中心则将模拟量与额定参数进行比较，若在参数范围内则启动系统中的发电机，不在参数范围内则报警手动停机。发电机运作后，在运作过程中温度传感器、风向传感器、测速传感器将测得的各类参数模拟量A/D转换后传送给PLC进行分析，PLC根据分析后的结果，做出相应的动作，例如启动发电机开始工作，随风向的变化驱动电机随之旋转，绕缆时自动停机，运行冷却机当机舱或塔架温度过高时，变压器运作控制等。一般设计的风力发电设备如果遇到突发情况，沙尘暴或是暴风，风速突然加大，测速传感器要及时传送模拟量，经PLC分析后立即做出停机措施。最后还有将输出的直流电流经过滤波器滤波，送入电流变换装置成为三相交流电，这两部分控制要求在本文中不涉及。

据系统功能的要求，本文将对风力发电系统的启动，发电机控制，偏航控制、温度模糊控制以及变压器控制着重进行研究。控制顺序为，首先系统初始化启动后，进行发电机启动，接着进行偏航控制，然后控制温度的变化，最后控制变压器的启动与停止。了解该设计所需用到的电器元件，对各种元件进行选型。

在设计中四个基本控制要求是：（1）发电机启动之前，将外界风速模拟量转换后传送至内存单元，与正常发电的风速范围进行比较，不在范围内则警报进行手动停机，在范围内则启动发电机；（2）事先编制好风向标夹角的角度区间，启动发电机后，将外界风向模拟量转换后传送给控制器，将角度数据分析后归相应角度区间进行控制，运作向左偏航电机或者向右偏航电机，使之偏转到合适风向范围内；（3）对机舱和塔架内部的温度进行控制，因为是对模拟量的闭环控制，所以采用PID控制方法。系统内分为机舱控制单元与塔架控制单元，打开进气阀排放冷气流，间隔一定时间检测室温，温度太高则使得进气阀继续进气，温度低于设定值停止进气，使得温度恒定在安全范围内；（4）根据发电机运行状态来控制变压器的启动与停止。 3.1.1 系统整体设计

本文中，控制方式将采取顺序控制和中断控制。主要流程如下：启动后PLC开始初始化，用风速传感器检测外界风力的大小，在发电允许范围内将控制发电机启动，风速检测值过大，则要报警并且进行手动停机。在正常风速范围内，发电机启动，接下来进行各类控制，控制的目的是使风力得到最大程度的利用。首先是偏航自动控制，由于风向不同导致风能吸收率下降，控制航向使风轮机头部随风向转动，还可以防止绕缆的危险；然后是温度模糊控制，控制对象是机舱和塔架内部这两部分使温度保持在恒定数值。因为是对模拟量的闭环控制，所以针对温度的变化采用PID控制方法。最后是变压器的控制。

第10页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

第二进行整定积分环节。在比例控制下稳态误差不能满足要求时，则需要加入积分控制。将第一个步骤中选择的比例系数减少到原来的50%-80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并且相应调整比例系数，反复凑试至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

第三进行是微分环节。经过步骤二，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，此时应该加入微分控制，构成PID控制。首先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复凑试直至获得满意的控制效果。

P(k) KC*E Td*E

P(k) t=0 积分时间

t(0.1s) t=0 微分时间

t(0.1s) (a)积分整定作用 (b)微分整定作用

图 3-7 偏差阶跃变化分别经积分、微分整定图

P(k) t=0 t(0.1s) 图 3-8 偏差阶跃变化经比例、积分和微分综合整定图

根据上述实验凑试法，对这个温控系统进行分析，分别反复凑试各个参数，得到最满意的响应曲线，图3-9为系统经PID各系数整定后的阶跃响应曲线。

在测试比例系数Kc时，发现当系数越小，响应曲线反应越快，超调量越小，过渡过程越平稳，但余差变大。系数越大，偏差也随之变大，过渡过程容易震荡。反复凑试确认系统的比例系数为0.01，但余差比较大。

测试积分系数TI时，将比例系数0.01减小到原来的一半，首先置积分系数为10.0，发现不能很好地消除由比例系数整定后产生的余差。逐步减小积分时间，积分作用由弱变强，消除余差的能力由弱变强。在凑试积分系数为3.0时，发现系统能够较好地将余差消除，。消除了偏差，输出停止变化。

因为该温控系统的特点具有大惯性、大滞后性，所以使用微分系数调节没有效果。通常使用PI控制方式。因此，设定微分系数为0.0。设定系统采样时间为0.1s。

第16页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 3-9 温控PID参数整定阶跃响应图

在这个温度控制系统中，机舱和塔架内部的温度设定值、增益、采样时间、积分时间和微分时间都已在程序中设定，温度设定值为0.616，增益为0.01，采样时间为0.1，积分时间为3.0，微分时间为0.0。温度PID机舱PID设定参数和塔架内部PID设定参数一样。温度设定值0.616表示实际温度为25℃。计算25℃由公式3.1带入各系数具体值得到的。只要启动温控系统，进气阀就会放冷气流进入降温，检测室温，过程变量高于温度设定值，继续进气，若过程变量低于温度设定值，立即停止进气。机舱和塔架温度闭环控制流程图如下：

图 3-10 机舱温度闭环控制流程图

第17页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

温度控制模块的设计思想主要是假设温升过快超过额定值时，控制器启动冷却机进行降温，使温度降至稳定范围。

机舱是风力发电系统中很重要的组成部分，假若温度过高将会影响发电机、主轴、齿轮箱等重要元器件的运行状态，严重的甚至烧坏电缆，毁坏电机。所以将机舱温度控制在一定范围内是很重要的。塔架内部配置控制器，还必须放置变压器和线缆将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，常有人员在其内部操作、维护。因为存在控制器、计算机系统、变压器等各类重要的电力设备，所以控制塔架内温度是十分必要的。

机舱风机M机舱排气阀塔架内风机M总排气阀塔架排气阀机 舱塔架内部机舱排气阀塔架排气阀总进气阀图 3-11 温控系统结构图

整个系统具有机舱和塔架内两个温度控制单元，要对两个棚内温度进行控制。具体流程是：启动送风电动机循环冷气流，开启进气阀给室内降温，经过一段时间关闭闸门；控制室内温度时满1小时后进行排气；按下停止按钮后，关闭送分电动机和排气闸门。这样连锁的控制，使室内温度保持恒定[11]。

在这个温控系统中，我们需要两个测温模拟量输入点，两个需要冷却机工作输送冷气流的模拟量输入点，两个需要排气阀排出气流的模拟量输出点。两个开关量进行启动和开启送风电动机。进气阀有三个按钮，分别为启动按钮、停止按钮和急停按钮。需要用到模拟量输入模块EM231和模拟量输出模块EM232。 （4）变压器控制模块

在变压器控制系统中，将发电机产生的电压转为标准的高压（此电压为传输到高压输电线路的高电压）。这有利于电压的传输与利用，电压过低或过高会引起线路的负载过大，损耗过大。变压器运作的条件是在变压器启动按钮按下时此时发电机正在运作状态，若无第二个条件存在，发电机无电压进行耦合，所以在发电机运行的条件下按下启动按钮，变压器则会工作。变压器停止运行则需要在发电机停止转动的状态下按下停止按钮才能实现。所以在这一模块中，变压器的运行和停止分别需要两个开关条件的实现。

第18页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

变压器控制流程图如下：

发电机停运发电机运转变压器停止按钮按下变压器启动按钮按下变压器停运

变压器运行图 3-12 变压器控制流程图

在这个变压器控制系统中，我们需要2个开关量输入点，2个开关量输出点。 3.2 I/O地址分配与电气元件选型 3.2.1 I/0地址分配

根据风力发电控制系统的硬件电路设计和控制流程图的要求，可以设计控制系统的开关量输入点数为11个，开关量输出点数为11个，扩展模拟量输入模块EM231模拟量输入点数为4个，扩展模拟量输出模块EM232模拟量输出点数为2个。

表3-1是基于PLC的风力发电控制系统的I/O地址分配。 表3-2是与风力发电控制程序相关的存储器注释内容。 3.2.2 PLC的选型

西门子S7-200是一种小型可编程逻辑控制器，它不仅可以单机控制，还可以有功能模块与I/O口的扩展。整体式PLC将CPU、输入/输出口与电源装备在一个箱型机壳内。S7-200具有很多优点，指令集丰富，编辑语言简单，集成功能极高，性价比很高，使用便捷安全等。根据控制规模的大小，即输入/输出点的多少，选择相应的CPU型号。在本文中，系统所需开关量输入点数为11个，开关量输出点数为11个，模拟量输入点数为4个，模拟量输出点数为2个。选择西门子S7-200CPU226型号，有24点开关量输入，16点开关量输出，6个计数器，扩展输入/输出模板数量为7个。提供给扩展单元5VDC[10]。西门子S7-200提供外接扩展模拟量输入输出模块。在本文中使用模拟量扩展模块EM231CN和EM232CN。模拟量输入模块EM231CN具有4路模拟量输入通道，为24V DC状态。模拟量输出模块EM232CN具有2路模拟量输出通道，也为24V DC状态[11]。

第19页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

3.2.3 其他器件的选型

风力发电控制系统中所需用到了一些电气元件有发电机、电动机、变压器、传感器、

分类

输入

表3-1 I/O地址分配表 名称 数据类型

BOOL 系统总启动

BOOL 变压器启动

BOOL 变压器停止

BOOL 机舱温控系统启动

BOOL 机舱温控系统停止

BOOL 机舱温控系统急停

BOOL 塔架内部温控系统启动

BOOL 塔架内部温控系统停止

BOOL 塔架内部温控系统急停

BOOL 温度控制系统总启动

BOOL 温度控制系统总停止

BOOL 系统启动显示灯

BOOL 发电机启动

BOOL 向左偏航

BOOL 向右偏航

BOOL 合适风向显示灯

BOOL 风速过大警报显示灯

BOOL 机舱电动机

BOOL 塔架内部电动机

BOOL 温控进气阀进气

BOOL 变压器运行

BOOL 变压器停运

WORD 风速

WORD 风向

WORD 机舱温度

WORD 塔架内部温度

WORD 机舱进气阀进气

WORD 塔架内部进气阀进气

I/O口地址

I0.0 I0.1 I0.2 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q2.0 Q2.1 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 AQW0 AQW2

输出

EM231 EM232

继电器、接触器和熔断器等。 （1）电机的选择：

风力发电机选用双馈异步发电机。型号：YRKF500-4（空-空冷式双馈异步发电机）。 偏航控制电机选用带电磁制动的三相异步电动机。型号：MQAEJ系列电磁制动三相异步电动机。

温度控制送风电动机选用三相异步电动机。型号：YLJW系列力矩三相异步电动机。 （2）变压器的选择：

变压器选用干式自冷变压器SCB10-M-630/10，低压侧为380V，高压侧则在3000V以上。

（3）传感器、继电器的选择：

风速风向传感器使用PH100SX型号[12]。 温度传感器选用PT100风管式温度传感器。

第20页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

表3-2 存储器注释表

注 释

风速参数大于3m/s 风速参数大于15m/s 风向参数在145°~155°区间 风向参数在155°~165°区间 风向参数在165°~171°区间 风向参数在171°~189°区间 风向参数在189°~195°区间 风向参数在195°~205°区间 风向参数在205°~215°区间 机舱温控运行标志位 塔架内部温控运行标志位 变压器运行标志位 变压器停止运行标志位

PLC运行时这一位始终为1，是常ON继电器

PLC首次扫描时为1，一个扫描周期。常用于调用初始化 该位提供了一个周期为1秒钟，占空比为0.5的时钟 用于存放数据，如运算数据、中间数据和结果数据

接收外部的开关信号 控制外部负载的开关信号

存储器名称

通用辅助存储器M0.1 通用辅助存储器M0.2 通用辅助存储器M0.3 通用辅助存储器M0.4 通用辅助存储器M0.5 通用辅助存储器M0.6 通用辅助存储器M0.7 通用辅助存储器M1.0 通用辅助存储器M1.1 通用辅助存储器M2.0 通用辅助存储器M2.1 通用辅助存储器M3.0 通用辅助存储器M3.1 特殊存储器SM0.0 特殊存储器SM0.1 特殊存储器SM0.5

累加寄存器AC0、AC1 输入映像寄存器I0.0~I1.7 输出映像寄存器Q0.0~Q2.7

（4）接触器的选择：

发电机的开关使用交流接触器。选用西门子的3TB系列接触器。

电机的过载保护需要使用继电器进行保护。选用继电器型号为LCD-84发电机差动型，它适应于大型交流发电机差动保护电路中。 （5）熔断器的选择：

熔断器保护作为电路过载保护最常用的一个手段运用于本文各个电路模块中。在发电机处可以选用型号为LMZD2-20的高压熔断器；偏航、变桨距以及温度控制模块选用RT18低压熔断器。 3.3 本章小结

本章从系统总体设计方案到各个具体模块设计方案有层次地阐述每个系统的具体工

作原理和工作过程，绘制相关控制流程框图。提出对于这个系统的方案相匹配的电气元件，并对对它们进行选型。最后指出控制系统的I/O地址分配表。

第21页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

4 可编程控制器及控制程序

4.1 可编程控制器简介

可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称为PLC。PLC最早是由六十年代末美国通用公司的末迪康提出来的[12]。他的设计理念是用于汽车制造流水线的需要，使用一种新型的控制器来代替那时广泛使用于工业中的继电器来控制整个流程的进行。他认为这种控制器运作可以减少控制管理汽车组装改型时的时间和物资。

在1969年，世界上第一台可编程控制器在美国数字设备公司研制成功，配给美国通用汽车公司在汽车自动组装线上进行控制管理操作，结果非常成功。自这时期起，可编程控制器进入人们的事业，这项新型的技术也在逐步提高以供市场的需求。

可以说，早期的可编程控制器就有很多项功能，例如计数、定时、逻辑运算、双向控制等，应用于工业中的各行各业，取得很好的成效。随着科技水平的不断推进，可编程控制器也跟紧着步伐踏入了集成电路的行列。20世界七八十年代正是计算机技术与微电子控制技术开发和发展的时代，可编程用微电子控制计算或是中规模集成电路、大规模集成电路进行制造使之具有数据处理、数据存储、数据传递等功能。PLC迅速发展过程中体积变小，功耗降低，安全可靠性变高，功能强大自动化程度高，变为人们生活生产中不可或缺的“多功能助手”。

新时期PLC的发展方向有以下几个方面：内部硬件做到高速化，系统化，模块化，容量大，品种多；内部软件做到用户编程语言多样化；通信方面更加快捷，各国家各企业都可方便联系，向大规模联方向发展网；减少功耗，体积减小，整体轻巧，减少赘余。

接下来介绍下PLC的组成，功能，应用领域等相关方面的知识。 4.1.1 PLC的基本结构

PLC发展至今，已出现多种型号，多种规格的产品，而PLC的基本结构都是基本的这四大类：CPU模块，输入模块，输出模块和编程器。其他的特殊功能由另外的特殊功能模块执行。

CPU模块是可编程控制器的核心部分。它由微处理器（CPU）、控制电路、运算器与寄存器组成。其中存储器分为系统程序存储器与用户程序存储器。系统程序是可编程控制器的内置操作系统程序，处理协助人们完成编辑程序，输入参数等它固化在只读存储器之中；用户程序是用户自己设计，下载并且安装在存储器内。PLC使用随机存取存储器、只读存储器、可擦除编程只读存储器等物理存储器。它的功能是采集参数，输入和输出数据，负责执行应用程序；储存数据和程序等。

输入模块与输出模块简称为I/O模块。它是将外部现场设备和CPU模块联系起来的桥梁。其中输入模块接受和采集各类信号，有开关量输入输出模块，模拟量输入输出模块两种。开关量输入模块接受按钮启停开关，选择开关等开关量信号；模拟量输入模块接受连续变化的模拟量电流电压信号。I/O模块中用小型继电器、耦合器等隔离内部电路与外部I/O电路，所以有电平转换与隔离的作用。

编程器模块是PLC的又一重要组成部件，主要同于编辑用户程序，还可以检查，

第22页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

修改程序，监视程序的运行状况等。通常情况下有5种编程语言：顺序功能图、梯形图、功能图、指令表和结构文本，供用户输入程序。 4.1.2 PLC的工作原理

PLC的操作模式有两种，分别为运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。PLC的工作方式是周而复始、不断循环的，称为扫描工作方式。PLC一开始启动后先要对硬件和内部软件进行初始化工作。PLC要连续不停地分阶段处理各种任务和程序。在运行模式，控制器执行内部程序来实现控制管理，其过程是读取输入，将数据信息存放在输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器中，执行用户程序，CPU从指令的第一条开始执行，逐条执行用户的程序，然后进行通信处理，接受请求方信息并将信息传递给对方，紧接着自诊断检查，定期检查处理器内操作和各模块工作状态，最后是改写输出，CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器中数据传输到输出模块，并且锁存数据，这一阶段的工作完成，控制器就进入下一阶段重新对另一用户程序开始工作，一直循环下去。在停止模式时，和运行模式相似，控制器一个阶段有历读取输入、处理通信请求、自诊断和改写输出四步，完成后进入下一阶段，周而复始地工作下去。控制器通常还会进行处理中断程序，或用I/O指令直接存取I/O点等工作[12]。 4.1.3 PLC的特点

PLC作为人类智慧的结晶和先进科技的产物，已成为人们生活生产应用极其广泛的控制工具。PLC具有很多优点[12]是过去许多控制器不能匹及的。 （1）功能强大，性价比高。

PLC是一个具有编程功能的智能元件，因为它可以被用户编辑程序，所以它的控制功能就具有很多种类，小到极其简单，大到异常复杂的控制功能都可以实现。此外它还有存储、运算、传输数据的功能，还能通信连网，进行集散管理与控制。PLC的成本逐年降低，性能逐年提升，越来越来获得消费者的需求，具有很高的性价比。 （2）编程方法多样、简单易学

前面说到PLC的编程语言有国际上通用的5类，尤其是梯形图，形象直观，很易理解，所以应用最多。

（3）硬件配置完整、体积小，能耗低、使用便捷有效

PLC现在已大都整体化，各部分模块化，系统化。硬件装置品种配备齐全，各部分功能都可完成。PLC体积小，内部系统配线少，能耗低。用户使用方便，能快速地进行系统配置，程序运行等。PLC还有带负载能力，可以驱动各种小型电气设备。 （4）可靠性高、抗干扰能力强

PLC不像以前继电器那样由于触点接触不良造成误操作，PLC的开关量启停都使用软件完成，所以它具有很高的工作可靠性和安全性。PLC在硬件上和内部软件上都采用了抗干扰措施，使用它的抗干扰性很高。 （5）易于维修、自我诊断

PLC的故障出现率低，若发生故障，内置程序能快速查找出故障原因。常使用更换模块的方法来排除故障。

第23页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

（6）系统的设计、安装、调试简单 PLC控制系统用内部软件完成，省去很多继电器，计数器，定时器[16]等器件的使用。用户用编程语言编辑程序时，由于语言易懂，编程方法简单，使得用户设计简单便捷。调试和模拟时，一方面可以再实验室用信号开关来模拟查看结果，另一方面可以再计算机上使用STEP 7-Micro/WIN编程软件查错、调试和模拟，这使得PLC的多方面应用都很便捷和人性化。 4.1.4 PLC的应用

PLC的应用已遍布很多工控领域，并且它的应用范围[13]还在不断地扩大，下面简单介绍下PLC的应用：

（1）逻辑量控制和数字量控制

早期的PLC就已具有逻辑量的控制，1/0控制方法简化了复杂的程序，也增快了处理器的运作速度。而在PLC发展较快的年代，针对数字量的处理，PLC采用了“与”、“或”、“非”等逻辑控制指令来编辑程序，以便实现开关通断，电路的分支和串并联等功能。

（2）运动控制

PLC能对直线运动、圆周运动与速度、加速度施以控制，将运动控制与程序控制有机结合起来。它能广泛地应用于各类切割成型机械，装配机械等。 （3）闭环过程控制

闭环过程控制是指对模拟量的控制。例如对温度，速度，流量的闭环控制。其中使用到数字量和模拟量的转换（A/D和D/A）。对模拟量实施PID控制（比例-积分-微分）。它已经广泛应用于化工、电力、冶金等行业。 （4）数据处理

PLC的数学运算包含很多种，有整数运算，浮点数运算，逻辑预算，位运算等，PLC还具有数据存取，数据传输，排序查表等功能。在工控各领域都要用到这一应用。 （5）联网通信

PLC和各种设备联网，互相传递信息，实现集散控制。PLC的通信有各个模块之间的通信，CPU与I/O口通信，多台PLC间互相通信，与计算机等智能器件间的通信等。常用于中大型工业生产开发场所，多台设备配合控制管理系统的整体运行。 4.2 系统控制程序

根据第三章的设计方案和I/O口地址分配，写出各个模块相关的程序。下面详细分析每个模块的程序。 4.2.1 发电机启动程序

发电机启动程序中包括系统总启动、风速模拟量输入、与正常风速参数比较、启动电动机和显示等部分。

第24页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-1 系统总启动、模拟量转换梯形图

在风力发电控制系统中需要用到模拟量的输入和A/D转换值的转换。假设模拟量的标准电信号为A0-Am（例如：4-20mA），A/D转换以后的数值为D0-Dm（例如：6400-32000），模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A=f（D）可以表示为数学方程：

A=(D-D0) ×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0 (4.1) 根据该方程，可以依据D的值计算出A值。将该方程逆变换，得出函数关系D=f（A）可以表示为数学方程：

D=(A-A0) ×(Dm-D0)/ (Am-A0)+D0 (4.2) 在以下程序中遇到模拟量转换，用公式4.1和公式4.2对数据进行计算便可以有效地得出数字量。

网络1中，I0.0是系统总启动开关。当系统启动时，外部风速模拟量由EM231输入模块读入，该模块的第一个通道连接一块带4-20mA变送输出的风速显示仪表，转换为数值6400-32000。该仪表的量程设置为0-20m/s，即0m/s时输出4mA，20m/s时输出20mA。风速显示仪的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器。可以用公式4.3说明模拟量转换过程。X表示输入的模拟量，D表示转换后的数字量。

X=(20-0)×(D-6400)/(32000-6400)-0 (4.3) D=1280X+6400 (4.4) 将风速模拟量进行转换，AIW0送AC0,AC0-6400.0送AC0,AC0/1280.0送VD220。Q0.0显示系统已启动。

模拟量转换后存在VD220，将VD220中数值与正常风力发电参数的上下限值进行比较，在3m/s-5m/s风速范围内有信号则启动发电机（Q0.0）；假若大于风速范围，则发出停机警报（Q0.5），工作人员察觉后可以手动停机。

第25页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-2 参数比较、发电机启动梯形图

4.2.2 偏航控制程序

偏航控制程序是根据不同值的风向标夹角而采取不同的偏航控制策略。

根据上一节关于风速模拟量转换的介绍，同样地，风向模拟量可以同样的方法进行转换。

外部风向模拟量AIW2由EM231输入模块读入。该模块的第二个通道连接一块带4-20mA变送输出的风向显示仪表，转换为数值6400-32000。该仪表的量程设置为0-360°，即0°时输出4mA，360°时输出20mA。风速显示仪的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器。可以用公式4.5说明模拟量转换过程。X表示输入的模拟量，D表示转换后的数字量。

X=(360-0)×(D-6400)/(32000-6400)-0 (4.5) D=71.1X+6400 (4.6) 将风向模拟量进行转换，AIW2送AC1,AC1-6400.0送AC1,AC0/71.1送VD222。图4-3详细表示这一转换过程。

第26页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-3 风向模拟量转换梯形图

网络7中，将外部输入模拟量转换为145.0°至215.0°之间的数。

第27页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-4 风向标夹角区间设置梯形图

图4-4表示将风向标夹角（范围145°-205°）分为7个区间：<155°；155°-165°之间；165°-171°之间；171°-189°之间；189°-195°之间；195°-205°之间；>205°。接下来将对这7个角度区间进行不同的控制策略。180°表示正对迎风面。接下来将对这7个角度区间进行不同的控制策略。180°表示正对迎风面。<180°将启动向左偏航的电动机，>180°将启动向右偏航的电动机。机舱偏转角度的大小由电动机工作时间决定，偏转角度越小，电动机工作时间越短，相反偏转角度越大，电动机工作时间越长。在合适的风向范围内（传感器、电机工作有误差171°-189°），则两个电动机均不做任何动作，显示合适风向指示灯。

图 4-5 145°-155°、155°-165°、165°-171°角度区间控制梯形图

第28页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图4-5表示了风向标夹角为145°-155°、155°-165°和165°-171°时的控制方法。在145°-155°时，启动向右偏航的电动机（Q0.2）并且运作延时90s；在155°-165°时，启动向右偏航的电动机（Q0.2）并且运作延时50s；在165°-171°时，启动向右偏航的电动机（Q0.2）并且运作延时20s。风向标夹角为145°-155°区间的控制方法为M0.3触点连接定时器T39的常闭触点和向右偏航电机（Q0.2），经上升沿有效接通，接通延时定时器T37开始计时，线圈Q0.2接通表示偏航电机工作。在计时90s后，定时器位OFF,当前值=0，此时Q0.2不再接通。这段程序实现了偏航电机延时工作的功能。风向标夹角为155°-165°区间和165°-171°区间控制方法也是如出一辙。

越接近180°，偏航电动机运作时间越短，使之接近合适风向角度区间。由于篇幅限制，不列出其他三个角度区间的控制梯形图。其他三个角度区间的控制方法和前两种相似。在189°-195°时，启动向左偏航的电动机（Q0.3）并且运作延时20s。在195°-205°时，启动向左偏航的电动机（Q0.3）并且运作延时50s。在205°-215°时，启动向左偏航的电动机（Q0.3）并且运作延时90s。

171°-189°属于传感器和电机运作的误差范围之内，所以不需要偏航电机对其进行控制，只需对其这种状态进行显示，打开指示灯（Q0.4）显示在合适的风向标夹角内。

图 4-6 171°-189°角度区间控制梯形图

4.2.3 温度控制程序

在温度控制中，主控制完成系统的初始化，总系统的启动与停止，单个系统温控启

动、停止和急停，计时器的设定等。根据系统的按键信息调用子程序SBR0和SBR1传送PID控制参数。子程序SBR0是机舱温度参数输入和PID参数设定，子程序SBR1是塔架内部温度参数输入和PID参数设定。定时器0每20ms中断一回，进入中断程序INT0进行处理。中断程序INT0对两个对象分别进行控制。每一个控制对象都有温度传感器检测室内温度值。

在这个温度控制系统中，一共有8个按键开关量输入，温度总启动按钮与温度总停止按钮控制总个系统。总启动按钮控制整个系统运行，总停止按钮控制整个系统停止运行。机舱和塔架内部每个均可以通过各自的按钮实现自行控制，启动按钮控制启动温度调控系统的运行，停止按钮控制停止温度调控系统的运行，急停按钮禁止机舱或塔架内部的输出控制，保护设备误动作。

在温控系统中，需要处理的数据分配在多个内存地址。表4-1列出温控系统的内存分配表：

第29页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

表4-1温控系统内存分配表

地址 VB100 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD128 VD132 VB136 VD136 VD140 VD144 VD148 VD152 VD156 VD160 VD164 VD168 VD200 VD202 VD216 VD218

名称 机舱PID表 机舱过程变量 机舱参数设定值 机舱输出值 机舱温度增益 机舱采样时间 机舱积分时间 机舱微分时间 机舱积分前项 机舱过程前值 塔架内部PID表 塔架内部过程变量 塔架内部参数设定值 塔架内部输出值 塔架内部温度增益 塔架内部采样时间 塔架内部积分时间 塔架内部微分时间 塔架内部积分前项 塔架内部过程前值

机舱温度 塔架内部温度 机舱PID输出 塔架内部PID输出 数据大小 8位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 8位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 32位 16位 16位 16位 16位

图 4-7温控系统初始化梯形图

第30页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-8系统启动和停止控制梯形图

图4-7中网络26完成定时中断的设置、中断使能、中断条件设置的任务，设置中断INT_1的中断时间为10，定时中断的时间间隔为20ms。

操作人员摁下温控总启动或温控总停止按钮。处理系统读取按键信息，根据信息执行相关的动作，启动或停止系统，操作总进气阀和排气阀。

图4-8中网络27上I1.6是温控总启动按钮，I1.7是温控总停止按钮，两者均为上升沿时有效接通。按下按钮I1.6，Q1.2被置1表示总进气阀进冷气流（Q1.2=1）。按下按钮I1.7, Q1.2被置0表示总进气阀停止进气流（Q1.2=0）。

图 4-9机舱温度控制梯形图

图4-9中程序的功能是根据运行信息判断确认系统的进气阀开与关，控制送风机的运行等。

第31页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

在温度控制系统中，选用冷却机来控制制冷系统，冷却机控制电路的控制电压Vk为0~5V。然而模拟量输出模块EM232提供的电压为0~10V。EM232模块0~10V的电压可以转换为0~32000之间的数字量进行控制，因为冷却机电压只可以是0~5V，所以PLC送到EM232的最大数字量为16000，在PID的输出值送到模块EM232时，要乘以16000不是乘以32000，保证送至冷却机电路的电压在5V之内。

另外，PID的输出值不可以直接加至EM232，冷却机控制信号变大时，冷却机内部控制的导通角后移，使得输出电压反而降低。所以PLC输出的数字量必须为16000-（16000×PID输出值），这样才能实现温度的控制。PLC输出的数字量正好为16000时表示进气阀停止进气。

分析程序网络28，首先分别对机舱温度控制启动（I1.0）和停止（I1.1）的运行标志置位，按下I1.0，M2.0机舱温控运行标志位置1表示机舱温控启动；按下I1.1，M2.0机舱温控运行标志位置0表示机舱温控停止。遇到紧急情况，需按下急停按钮（I1.2），即使禁止机舱的输出控制同时使得电动机状态复位，保护设备误动作。当M2.0机舱温控运行标志位置1时接通控制风电机运行，循环室内气体均匀降温。在机舱温控系统工作时，控制风机状态（Q1.0）运行并且进入子程序SBR_0。调用子程序将机舱温度控制PID参数传送到相关地址，进行检测判断，执行相应的动作。假设机舱温度过程变量大于温度设定值，将运算所得的PID输出送到扩展模拟量输出模块EM232的AQW0进气阀；假设机舱温度过程变量小于等于温度设定值，控制机舱温控系统急停（I1.2）,并将模块EM232的AQW0值设为16000，这表示进气阀关闭。

由于塔架内部温度控制与机舱温度控制方式类似且限于篇幅，将塔架内部温控系统程序略去。塔架内部温控系统的启动、停止与急停分别为I1.3、I1.4和I1.5。

图4-10为机舱温控子程序。这段程序将机舱的实际温度模拟量转换并且传送到控制器相关地址，再传送PID参数也传送至相关内存单元，进行温度检测与判断，再返回主程序与参数比对，执行相关的操作，例如打开排气阀或关闭进气阀。

其中网络1中将扩展模拟量输入模块EM231中的AIW4机舱温度模拟值进行转换。根据上一节关于风向模拟量转换的介绍，同样地，温度模拟量可以同样的方法进行转换。

外部风向模拟量AIW4由EM231输入模块读入。该模块的第三个通道连接一块带4-20mA变送输出的风向显示仪表，转换为数值6400-32000。该仪表的量程设置为0-100℃，即0℃时输出4mA，100℃时输出20mA。风速显示仪的铂电阻输入端接入一个220欧姆可调电位器。可以用公式4.7说明模拟量转换过程。X表示输入的模拟量，D表示转换后的数字量。

X=(100-0)×(D-6400)/(32000-6400)-0 (4.7) D=256X+6400 (4.8) 温度值送至内存地址VW200,VW200-6400送VW200,VW200/256送VW200,VW200中即为机舱温度数字量。

下图则明确说明了机舱的实际温度模拟量转换具体过程。

第32页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-10 机舱温控子程序SBR_0梯形图

网络2中传送机舱温控PID参数（第三章说明参数的整定），VD104中存放机舱温度设定值0.616，VD112中存放增益0.01，VD116中存放采样时间0.1，VD120中存放积分时间3.0，VD124中存放微分时间0.0。塔架内部的温控子程序和机舱的类似，塔架内部温度输入模拟量为AIW6,塔架内部温度PID参数和机舱温度PID参数相同。

图4-11为机舱温控中断子程序。中断子程序的作用是对机舱与塔架内部进行PID控制，具体进行PID运算并且进行调温控制。

网络1中中断计时用SM0.5秒脉冲时钟，上升沿有效开始执行程序。首先将机舱模拟量（过程变量）进行转换为标准值（0.00-1.00之间的标准化实数）从而利于PID运算。

第33页 共46页

常州大学本科生毕业设计（论文）

图 4-11中断子程序INT_1中机舱温控梯形图

工程实际值标准化的要求是：

（1） 将16位整数转为浮点数—实数。 （2） 转为[0,1]区间内的无量纲相对值。

Rnow=Rraw/Span+Offset 其中Span为最大允许值-最小允许直，当系统为单极性时，Span=32000，Span=64000。

第34页 共46页

(4.9) Offset=0；

当系统为双极性时，常州大学本科生毕业设计（论文）

转为工程实际值(16位整数值)：

Rscal=(Mn- Offset)×Span (4.10) 模拟量AIW4送至AC0，DTR指令使得AC0内的值转为实数，再送单元VD0，VD0/32000.0送VD100。接下来进行PID运算，PID指令中回路表的起始地址在VB100,回路的编号LOOP为0，VD108即为运算后的控制输出值，然后进行转换。将其送至AC0，AC0*16000.0送AC0，ROUND指令使得AC0内的值转换为整数，DTI指令使得AC0内的双整数转为整数，VW216-ACO送VW216,所得控制值就为VW216内的最终PID输出值。这就是主要进行PID运算的中断子程序过程。

塔架内部的中断子程序与机舱中断子程序类似，在此就不再说明了。 4.2.4 变压器控制程序

图 4-12变压器控制梯形图

图4-12为变压器控制梯形图。为了安全起见，变压器启动前需要保证发电机已经在运行状态（Q0.1），按下启动按钮（I0.1）变压器才会运行（Q2.0）。同样道理，变压器停运前需要保证在发电机停止转动（Q0.1置0）后，按下停止按钮（Q0.2）变压器停止运作（Q2.1）。这段程序体现了“起保停”的控制方法。网络35中，按下启动按钮，I0.1的常开触点接通，此时未按停止按钮，M3.1常闭触点接通，M3.0线圈通电，他的常开触点同时接通，放开启动按钮，I0.1常开触点断开，而能流可经过M3.0的常开触

第35页 共46页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oz06.html