基于WinCC的变速变桨距风力发电机监控系统设计含源码
基于WinCC的变速变桨距风力发电机监控系统设计含源码[20200211152640]
摘要
由于大部分风电站都位处偏僻区域，如山区、平地、海边、沙漠、极地、海上等。环境较复杂、恶劣，风电规模的不断扩大，现场可进入性差，在这种复杂环境下对风力发电机组运行状态的监控还十分薄弱。为了达成风力发电监控无人化、远程化、高清化及网络化的目标，为此对风力发电机监控系统的设计就显得极其重要。
本文着重探究了变速变桨距风力发电机监控系统的设计方法及人机界面的组态技巧，涵盖了工控组态软件WinCC以及西门子S7-300PLC在风力发电机监控系统之中的运用。在本课题中，通过对风力发电机的运行情况及所需监控对象的分析，设计了监控系统的整体结构，设计了详细的控制方案。采用组态软件WinCC7.0进行了变速变桨距风力发电机监控系统的人机界面组态，人机界面监控程序具有实时监控，数据在线显示、数据保存、参数设置和报警等功能；本文设计的人机界面程序在实验室与PLC程序进行了联机调试，结果显示，系统运行可靠稳定，所设计的各种功能基本符合相关要求，达到了预期设计目标。
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关键字:人机界面风力发电监控系统WinCCPLC
目录
1绪论 1
1.1课题来源 1
1.2课题研究的背景和意义 1
1.3课题研究的方法 1
2风力发电系统介绍 3
2.1风力发电 3
2.1.1风能及风力发电 3
2.1.2风力发电机介绍 4
2.2风力发电（E-WT）仿真设备 4
2.3风力发电机监控系统 9
3西门子S7-300PLC及组态软件WinCC简介 10
3.1PLC（可编程控制器）简介 10
3.1.1S7-300PLC简介 10
3.1.2PLC的特点 15
3.2 组态软件WinCC软件 15
3.2.1WinCC软件介绍 16
3.2.2WinCC系统配置 16
3.2.3WinCC性能特点 17
3.2.4WinCC工作方式 17
3.3小结 18
4 监控系统设计 19
4.1监控系统的功能需求 19
4.2监控系统的结构设计 19
4.3监控系统的实现方法 20
4.3.1监控系统的相关软件组态 20
4.3.2WinCC与PLC间通讯设置 22
4.3.3监控界面的设计 23
4.3.4数据归档及历史趋势显示 29
4.3.4故障自动报警的实现 31
4.4用户权限设置 33
4.5监控系统的运行调试 36
4.6利用集成的ODBC/SQL数据库查询、处理数据 40
4.7小结 40
结束语 42
参考文献 43
致谢 44
1绪论
1.1课题来源
本课题是在导师指导下，通过对目前风力发电监控现状有所了解后，经多次考察研究确定下来的，课题着重于变速变桨距风力发电机监控系统的设计。该监控系统主要是由偏航、桨距、转速控制以及风力发电机全自动启动和运行状态监控几个部分组成。本课题着重研究的是运用组态软件WinCC，针对变速变桨距的风力发电机运动状态监控部分的设计。
1.2课题研究的背景和意义
由于日趋严重的国际能源危机，当今社会对电力能源的需求不断增加，风力发电规模也随之不断扩大，在当前全国节能减排的大趋势下，减少排放量、创立节约型社会的呼声愈来愈高，大量的代替能源也随之迅速出现。
我国在风力发电技术以及风电装备设计制作行业都已经获得了令人瞩目的成就，金风、华锐等一部分具有国际先进水平的风电设备生产公司是中国风电前进的动力和先驱，通过对国内装机容量的统计，结果显示在2010年底，我国风力发电装机容量排在世界首位。针对风力发电站监控系统的设计要求也随之提升。
由于受风能条件所限，发电站大部分都建在偏僻的地域，如沙漠、海上等，这样人工对风力发电机的运行状态进行监控就比较困难，就需要具有远程化、网络化及无人化的风力发电机监控系统。为此，对变速变桨距风机监控系统的设计研究就显得尤为必要。
1.3课题研究的方法
现代工业生产取得了日新月异的成果，这与科学技术水平的提高是不可分割的。生产过程的加工工艺以及技术也变得愈加复杂精密，生产所需的设备的规模也越来越大，这就提高了工业自动化相关的条件要求。以往的封闭式、老旧的、专用的监控系统日渐的无法满足工业生产的需求。运用工业以太网以及现场总线的监控系统正日渐取代老旧过时的监控，成为当今工业生产的主流。由于PLC良好的向上高速连接和向下分布式I/O的能力，所以现在的监控系统大多采用PC-PLC结构。
WinCC作为西门子的一款组态软件，其操作方便、功能强大，通过它可实现对数据的实时采集，对系统运行状态的实时性监控，同时也可以使用故障报警、用户权限管理、数据归档等功能。能够方便地达到与PLC等控制器之间数据交换的目的。在这里，我们探究的基于WinCC的风力发电机机监控系统，由用作上位机的PC机，同用作下位机的西门子S7-300 PLC，和西门子组态软件WinCC一起构成的。系统涵盖数据采集、控制操作、在线查询、实时趋线、监控报警、信号反馈、通讯打印等方面，具有实时性强、简单易操作、快速便捷、可移植性的特点。
对WinCC有所了解后，就要展开监控系统的设计了，以下是设计所包含的相关内容能：
（1）我们可以通过运用WinCC设计出监控画面。WinCC是基于PC机的人机界面组态软件，当作上位机来使用时，可以通过组态界面，把工业现场的真实情况以及生产工艺环节形象地反映出来，提供图形展示和数据参考功能，方便人们实时了解现场情况。
（2）学会熟练运用STEP7软件。能够运用它展开相关编程以及调试。并且可以实现程序的模块化，争强对功能（FC）及功能块（FB）的使用熟练程度，便于编程和调试人员一目了然。并编辑符号表、变量表。
（3）利用风力发电机仿真设备（E-WT）模拟风力发电，通过Profibus-DP把相关数据传送到PLC，由PLC将数据反映到WinCC监控界面上。从而实现对变速变桨距风力发电机的相关参数的实时监控。
2风力发电系统介绍
2.1风力发电
由于日趋严重的国际能源危机，当今社会对电力能源的需求不断增加，风力发电规模也随之不断扩大。作为一种可持续应用的绿色能源，其具有十分开阔的发展前景，也越来越被人们所关注，并且得到了快速发展。
2.1.1风能及风力发电
风能是一种绿色可再生能源。它是一种因空气流动做功而产生的能量。风能具有分布广泛、资源丰富、清洁干净，并且具有缓解温室效应等相关优点。人类利用风车，通过传动轴把转子的旋转动力传送到发电机来实现风能向电能的转化，即我们所说的风力发电。
除水力发电以外，风力发电以其得天独厚的优势已经成为了当前最具开发规模、技术最完善，发展前景最乐观发电方式。人们通过使用风力发电机组，把风能转变成电能形式以满足人们日常所需。控制系统作为风力发电的核心构成环节，一方面确保风力发电机的正常运行，另一方面也要达到捕获到尽可能多的风能，并将其转化为电能，并且将其稳定地送入到电网的目的。图2-1为风力发电系统的原理图，通过该图我们队风力发电的组成构造有了一个整体上的了解。
图2-1 风力发电原理图
2.1.2风力发电机介绍
风力发电机有许多种样式，然而从原理、构造上来讲，其区别并不是很大的。根据实际应用的情况可划分为水平轴与垂直轴两种形式。现今常用的风机，占极大比例的都是带有两个或者三个叶片的水平轴风机。这里只对水平轴样式的作以简单介绍。
水平轴风力发电机主要包含塔架和机舱两部分，机舱内机械设计为沿轴线的结构，主要是由风轮、发电机、调速器、传动机构等相关部分构成，还包含了一些辅助性系统，实现相关控制的分支系统，例如液压系统、冷却系统等等。这些辅助性系统对风力发电机的稳定性运行尤为重要。液压系统是用来为制动系统和叶尖气动刹车系统提供一定的稳定气压，冷却系统为机舱内各部件提供冷却，是相关部件的温度符合相关要求，避免系统过热产生故障，造成损失。下图为风力发电机原理图：
图2-2 风力发电机原理图
2.2风力发电（E-WT）仿真设备
摘要
由于大部分风电站都位处偏僻区域，如山区、平地、海边、沙漠、极地、海上等。环境较复杂、恶劣，风电规模的不断扩大，现场可进入性差，在这种复杂环境下对风力发电机组运行状态的监控还十分薄弱。为了达成风力发电监控无人化、远程化、高清化及网络化的目标，为此对风力发电机监控系统的设计就显得极其重要。
本文着重探究了变速变桨距风力发电机监控系统的设计方法及人机界面的组态技巧，涵盖了工控组态软件WinCC以及西门子S7-300PLC在风力发电机监控系统之中的运用。在本课题中，通过对风力发电机的运行情况及所需监控对象的分析，设计了监控系统的整体结构，设计了详细的控制方案。采用组态软件WinCC7.0进行了变速变桨距风力发电机监控系统的人机界面组态，人机界面监控程序具有实时监控，数据在线显示、数据保存、参数设置和报警等功能；本文设计的人机界面程序在实验室与PLC程序进行了联机调试，结果显示，系统运行可靠稳定，所设计的各种功能基本符合相关要求，达到了预期设计目标。
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关键字:人机界面风力发电监控系统WinCCPLC
目录
1绪论 1
1.1课题来源 1
1.2课题研究的背景和意义 1
1.3课题研究的方法 1
2风力发电系统介绍 3
2.1风力发电 3
2.1.1风能及风力发电 3
2.1.2风力发电机介绍 4
2.2风力发电（E-WT）仿真设备 4
2.3风力发电机监控系统 9
3西门子S7-300PLC及组态软件WinCC简介 10
3.1PLC（可编程控制器）简介 10
3.1.1S7-300PLC简介 10
3.1.2PLC的特点 15
3.2 组态软件WinCC软件 15
3.2.1WinCC软件介绍 16
3.2.2WinCC系统配置 16
3.2.3WinCC性能特点 17
3.2.4WinCC工作方式 17
3.3小结 18
4 监控系统设计 19
4.1监控系统的功能需求 19
4.2监控系统的结构设计 19
4.3监控系统的实现方法 20
4.3.1监控系统的相关软件组态 20
4.3.2WinCC与PLC间通讯设置 22
4.3.3监控界面的设计 23
4.3.4数据归档及历史趋势显示 29
4.3.4故障自动报警的实现 31
4.4用户权限设置 33
4.5监控系统的运行调试 36
4.6利用集成的ODBC/SQL数据库查询、处理数据 40
4.7小结 40
结束语 42
参考文献 43
致谢 44
1绪论
1.1课题来源
本课题是在导师指导下，通过对目前风力发电监控现状有所了解后，经多次考察研究确定下来的，课题着重于变速变桨距风力发电机监控系统的设计。该监控系统主要是由偏航、桨距、转速控制以及风力发电机全自动启动和运行状态监控几个部分组成。本课题着重研究的是运用组态软件WinCC，针对变速变桨距的风力发电机运动状态监控部分的设计。
1.2课题研究的背景和意义
由于日趋严重的国际能源危机，当今社会对电力能源的需求不断增加，风力发电规模也随之不断扩大，在当前全国节能减排的大趋势下，减少排放量、创立节约型社会的呼声愈来愈高，大量的代替能源也随之迅速出现。
我国在风力发电技术以及风电装备设计制作行业都已经获得了令人瞩目的成就，金风、华锐等一部分具有国际先进水平的风电设备生产公司是中国风电前进的动力和先驱，通过对国内装机容量的统计，结果显示在2010年底，我国风力发电装机容量排在世界首位。针对风力发电站监控系统的设计要求也随之提升。
由于受风能条件所限，发电站大部分都建在偏僻的地域，如沙漠、海上等，这样人工对风力发电机的运行状态进行监控就比较困难，就需要具有远程化、网络化及无人化的风力发电机监控系统。为此，对变速变桨距风机监控系统的设计研究就显得尤为必要。
1.3课题研究的方法
现代工业生产取得了日新月异的成果，这与科学技术水平的提高是不可分割的。生产过程的加工工艺以及技术也变得愈加复杂精密，生产所需的设备的规模也越来越大，这就提高了工业自动化相关的条件要求。以往的封闭式、老旧的、专用的监控系统日渐的无法满足工业生产的需求。运用工业以太网以及现场总线的监控系统正日渐取代老旧过时的监控，成为当今工业生产的主流。由于PLC良好的向上高速连接和向下分布式I/O的能力，所以现在的监控系统大多采用PC-PLC结构。
WinCC作为西门子的一款组态软件，其操作方便、功能强大，通过它可实现对数据的实时采集，对系统运行状态的实时性监控，同时也可以使用故障报警、用户权限管理、数据归档等功能。能够方便地达到与PLC等控制器之间数据交换的目的。在这里，我们探究的基于WinCC的风力发电机机监控系统，由用作上位机的PC机，同用作下位机的西门子S7-300 PLC，和西门子组态软件WinCC一起构成的。系统涵盖数据采集、控制操作、在线查询、实时趋线、监控报警、信号反馈、通讯打印等方面，具有实时性强、简单易操作、快速便捷、可移植性的特点。
对WinCC有所了解后，就要展开监控系统的设计了，以下是设计所包含的相关内容能：
（1）我们可以通过运用WinCC设计出监控画面。WinCC是基于PC机的人机界面组态软件，当作上位机来使用时，可以通过组态界面，把工业现场的真实情况以及生产工艺环节形象地反映出来，提供图形展示和数据参考功能，方便人们实时了解现场情况。
（2）学会熟练运用STEP7软件。能够运用它展开相关编程以及调试。并且可以实现程序的模块化，争强对功能（FC）及功能块（FB）的使用熟练程度，便于编程和调试人员一目了然。并编辑符号表、变量表。
（3）利用风力发电机仿真设备（E-WT）模拟风力发电，通过Profibus-DP把相关数据传送到PLC，由PLC将数据反映到WinCC监控界面上。从而实现对变速变桨距风力发电机的相关参数的实时监控。
2风力发电系统介绍
2.1风力发电
由于日趋严重的国际能源危机，当今社会对电力能源的需求不断增加，风力发电规模也随之不断扩大。作为一种可持续应用的绿色能源，其具有十分开阔的发展前景，也越来越被人们所关注，并且得到了快速发展。
2.1.1风能及风力发电
风能是一种绿色可再生能源。它是一种因空气流动做功而产生的能量。风能具有分布广泛、资源丰富、清洁干净，并且具有缓解温室效应等相关优点。人类利用风车，通过传动轴把转子的旋转动力传送到发电机来实现风能向电能的转化，即我们所说的风力发电。
除水力发电以外，风力发电以其得天独厚的优势已经成为了当前最具开发规模、技术最完善，发展前景最乐观发电方式。人们通过使用风力发电机组，把风能转变成电能形式以满足人们日常所需。控制系统作为风力发电的核心构成环节，一方面确保风力发电机的正常运行，另一方面也要达到捕获到尽可能多的风能，并将其转化为电能，并且将其稳定地送入到电网的目的。图2-1为风力发电系统的原理图，通过该图我们队风力发电的组成构造有了一个整体上的了解。
图2-1 风力发电原理图
2.1.2风力发电机介绍
风力发电机有许多种样式，然而从原理、构造上来讲，其区别并不是很大的。根据实际应用的情况可划分为水平轴与垂直轴两种形式。现今常用的风机，占极大比例的都是带有两个或者三个叶片的水平轴风机。这里只对水平轴样式的作以简单介绍。
水平轴风力发电机主要包含塔架和机舱两部分，机舱内机械设计为沿轴线的结构，主要是由风轮、发电机、调速器、传动机构等相关部分构成，还包含了一些辅助性系统，实现相关控制的分支系统，例如液压系统、冷却系统等等。这些辅助性系统对风力发电机的稳定性运行尤为重要。液压系统是用来为制动系统和叶尖气动刹车系统提供一定的稳定气压，冷却系统为机舱内各部件提供冷却，是相关部件的温度符合相关要求，避免系统过热产生故障，造成损失。下图为风力发电机原理图：
图2-2 风力发电机原理图
2.2风力发电（E-WT）仿真设备
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