基于S7-1200PLC的变速变桨距风力发电机控制系统研究含图纸
基于S7-1200PLC的变速变桨距风力发电机控制系统研究含图纸[20200211151806]
摘要
随着人类对能源需求的不断增加，传统的化石能源已经越来越不能满足人们的需要。另一方面，化石能源的燃烧已经带来严重的环境问题，新能源的出现变得更加紧迫。
本文设计和构建了基于S7-1200PLC的变速变桨距风力发电机控制系统，在E-Wind Turbine仿真软件上模拟实现风机的自启动和平稳发电。
本文首先阐述了风力发电对于人类发展的重要意义和目前国内外的发展状况，并介绍了PLC的特点及其在工业领域中的应用。之后对系统进行了描述与分析，说明控制任务并指出控制重点和难点。然后对硬件选型做介绍，给出所选硬件的参数，再结合PLC和相关的风电知识从偏航控制、桨距控制、转速和功率控制、等几个方面分别阐述其控制要求和实现方法。最后简要讲述调试及操作过程。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PLC偏航控制变桨距E-WindTurbine
目 录
1. 绪论 1
1.1 风力发电研究的背景和意义 1
1.2 PLC 简介及其特点 1
1.2.1 PLC的特点和在工业领域的应用 1
1.2.2 S7-1200的特点和在本课题中的应用 2
1.3 博途 3
1.3.1 博途简介 3
1.3.2 博途特点 3
1.4 本课题研究内容 3
2. 风力发电概述 4
2.1 风机对象描述 4
2.1.1 风机机型 4
2.1.2 风机设计参数 4
2.2 风机对象特性分析 4
2.2.1 自动偏航分析 5
2.2.2 桨距控制分析 6
2.3 风机控制任务 6
2.4 风机开、停机步骤 7
3. 硬件系统设计方案 8
3.1 系统总体设计 8
3.2 系统硬件选型 8
3.3 系统组态 11
3.3.1 系统硬件组态 11
3.3.2 系统网络组态 12
3.4 系统硬件资源分配 13
4. 软件系统设计方案 16
4.1 主控制模块 16
4.2 偏航控制模块 19
4.3 桨距控制模块 20
4.3.1 转速控制模块 21
4.3.2 功率控制模块 23
4.4 停机控制模块 26
4.5 上位机监控 28
5. 系统的操作调试 30
5.1 硬件组态 30
5.1.1 PLC组态 30
5.1.2 PM125组态 30
5.1.3 网络组态 30
5.2 程序运行 30
5.3 曲线性能分析 31
5.4 注意事项 32
6. 总结展望 33
6.1 全文总结 33
6.2 前景展望 33
参考文献 34
附录 35
致谢 47
1. 绪论
1.1 风力发电研究的背景和意义
自第一次工业革命以来，社会生产力飞速发展，同时，能源消耗也急剧增加。目前，人类主要依靠煤炭、石油等化石能源，这种能源利用方式，一方面面临化石能源逐渐枯竭的严重问题，另一方面也给人类和地球生物赖以生存的环境造成很大破坏。为了满足人类生存和发展的需要，保持经济的持续发展，能源的使用率和清洁可再生能源的发展越来越受到人们的关注。
风能清洁和可再生的特点使它成为最具价值的新型能源之一。近年来，随着人们环保意识的增强，风能越来越受青睐，其技术也随之迅速发展，全世界的风力发电总量快速增加。经过相当长时间的不懈努力，我国也已成为世界上风力发电发展最为迅速的国家。
现如今，将风能转化为电能是风能利用的最主要形式，将风能转化为电能主要由风力发电机组来完成。控制系统则在其中扮演着重要的角色，风电机组在它的控制下顺利完成安全平稳发电的任务，并达成尽可能多的获取能量送入电网的目的。风力发电机一般在空旷且风力强的环境下进行工作，需要保证其在无人看管的情况下长时间地以良好的状态运行。本课题以变速变桨距风力发电机的运行控制为目标，研究基于S7-1200PLC变速变桨距风力发电机组的控制系统设计，主要包括风力发电机运行控制工艺流程分析、主控PLC硬件系统设计、风力机组变桨和偏航控制方法研究、PLC控制程序设计。最终实现风机的自启动直至平稳安全发电。
在我国东部广阔的沿海以及中西部沙漠地域，都蕴藏有丰富的风力资源，很多都没有得到有效利用，这是一种很大的资源浪费。如果这些能源能够得到利用无疑可以对我国经济的快速发展起到强大地推动作用。尽快地设计和制造出自主研发的风电设备，降低风能利用成本，对我国各产业发展都具有非凡的意义。
1.2 PLC 简介及其特点
1.2.1 PLC的特点和在工业领域的应用
自PLC问世，以其独有的特性在工业领域中扮演着越来越重要的角色，为自动化行业提供了可靠的控制保证。同时，随着各行各业包括半导体，计算机和通信技术的发展，PLC也在飞速地发展和更新。不断采用新技术增强系统的开放性，可以跟各种组态软件更好地结合使用，相信在未来对于PLC的运用定会不断加强。
PLC全称为Program logic controller（可编程逻辑控制器），是一种应用在工业环境中的数字运算电子系统，将计算机技术，自动控制技术和通信技术融合在一起。具有组合简易，编程简单，可靠性高，抗干扰能力强等诸多优点。在PLC没被发明或广泛应用之前，在工业领域中采用的是以继电器、接触器为主体的控制装置。在这样的控制系统中，通过实际触点的通断实现各部分之间的逻辑控制，用大量的导线将他们连接起来。这样的系统可靠性是得不到充分保证的，任一触点或导线出现问题都会导致整个系统的瘫痪。而且随着工业自动化程度的不断加强，传统的控制装置就更不能满足需求。同时大量的机械触点和导线使得整个系统异常复杂，维护和改造的工作量庞大。而PLC避免了这些缺点，只需将编写好的程序写进PLC，将开关按钮或传感器等设备接到输入点，继电器、接触器等接到输出点，以此实现对大功率设备的控制。工程师可以通过修改存储在存储器中的程序来实现对控制逻辑的变更，不必再将工作重心都放在硬件的搭建和检修上，大大地减少了工作量，提高了工作效率。
PLC将成为工业领域不可缺少的控制设备，未来的PLC将会朝着小型化和大型网络化的方向不断发展，其可靠性会更强，发展前景会更为广阔！
1.2.2 S7-1200的特点和在本课题中的应用
S7-1200 控制器使用灵活、体积小但功能却很强大，可通过它来控制各种各样的设备以满足不同需求。将微处理器、集成电源、输入和输出电路、高速运动控制 I/O 以及板载模拟量输入等组合到一个外壳中形成了一个外观紧凑功能却很强大的控制设备。 程序下载之后， CPU 将包含设备所需逻辑。 CPU 根据用户程序监视输入并输出信号以达到控制设备的目的，用户程序可以包含数字量逻辑、计数、定时、复杂数学运算等。 CPU 提供一个 PROFINET 端口并依靠它进行网络通信，同时还可使用附加模块通过PROFIBUS 、 GPRS、RS485 或 RS232 网络进行通信。
基于以上的特点，在本课题中，选取S7-1200作为主控制器。在主站DP模块和从站PM125之间以PROFIBUS作为通信桥梁实现两者间的信息交互，处理来自从站的输入信息并将输出信息返还执行，以此达到了控制的目的。
1.3 博途
1.3.1 博途简介
博途软件是将SIMATIC STEP 7与SIMATIC WinCC集成到中央工程组态框架中，从硬接线功能发展到全集成的自动化软件平台。未来，博途将在西门子全集成自动化任务中扮演更重要的角色，将是诸多自动化设备的基础。
1.3.2 博途特点
使用起来简易方便。主要有以下几个特点：
（1）方便，从硬件组态到程序的编写再到Wincc的连接都十分的方便、快捷。
（1）直观，容易使用的面向任务，具有智能直观的编辑器。
摘要
随着人类对能源需求的不断增加，传统的化石能源已经越来越不能满足人们的需要。另一方面，化石能源的燃烧已经带来严重的环境问题，新能源的出现变得更加紧迫。
本文设计和构建了基于S7-1200PLC的变速变桨距风力发电机控制系统，在E-Wind Turbine仿真软件上模拟实现风机的自启动和平稳发电。
本文首先阐述了风力发电对于人类发展的重要意义和目前国内外的发展状况，并介绍了PLC的特点及其在工业领域中的应用。之后对系统进行了描述与分析，说明控制任务并指出控制重点和难点。然后对硬件选型做介绍，给出所选硬件的参数，再结合PLC和相关的风电知识从偏航控制、桨距控制、转速和功率控制、等几个方面分别阐述其控制要求和实现方法。最后简要讲述调试及操作过程。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PLC偏航控制变桨距E-WindTurbine
目 录
1. 绪论 1
1.1 风力发电研究的背景和意义 1
1.2 PLC 简介及其特点 1
1.2.1 PLC的特点和在工业领域的应用 1
1.2.2 S7-1200的特点和在本课题中的应用 2
1.3 博途 3
1.3.1 博途简介 3
1.3.2 博途特点 3
1.4 本课题研究内容 3
2. 风力发电概述 4
2.1 风机对象描述 4
2.1.1 风机机型 4
2.1.2 风机设计参数 4
2.2 风机对象特性分析 4
2.2.1 自动偏航分析 5
2.2.2 桨距控制分析 6
2.3 风机控制任务 6
2.4 风机开、停机步骤 7
3. 硬件系统设计方案 8
3.1 系统总体设计 8
3.2 系统硬件选型 8
3.3 系统组态 11
3.3.1 系统硬件组态 11
3.3.2 系统网络组态 12
3.4 系统硬件资源分配 13
4. 软件系统设计方案 16
4.1 主控制模块 16
4.2 偏航控制模块 19
4.3 桨距控制模块 20
4.3.1 转速控制模块 21
4.3.2 功率控制模块 23
4.4 停机控制模块 26
4.5 上位机监控 28
5. 系统的操作调试 30
5.1 硬件组态 30
5.1.1 PLC组态 30
5.1.2 PM125组态 30
5.1.3 网络组态 30
5.2 程序运行 30
5.3 曲线性能分析 31
5.4 注意事项 32
6. 总结展望 33
6.1 全文总结 33
6.2 前景展望 33
参考文献 34
附录 35
致谢 47
1. 绪论
1.1 风力发电研究的背景和意义
自第一次工业革命以来，社会生产力飞速发展，同时，能源消耗也急剧增加。目前，人类主要依靠煤炭、石油等化石能源，这种能源利用方式，一方面面临化石能源逐渐枯竭的严重问题，另一方面也给人类和地球生物赖以生存的环境造成很大破坏。为了满足人类生存和发展的需要，保持经济的持续发展，能源的使用率和清洁可再生能源的发展越来越受到人们的关注。
风能清洁和可再生的特点使它成为最具价值的新型能源之一。近年来，随着人们环保意识的增强，风能越来越受青睐，其技术也随之迅速发展，全世界的风力发电总量快速增加。经过相当长时间的不懈努力，我国也已成为世界上风力发电发展最为迅速的国家。
现如今，将风能转化为电能是风能利用的最主要形式，将风能转化为电能主要由风力发电机组来完成。控制系统则在其中扮演着重要的角色，风电机组在它的控制下顺利完成安全平稳发电的任务，并达成尽可能多的获取能量送入电网的目的。风力发电机一般在空旷且风力强的环境下进行工作，需要保证其在无人看管的情况下长时间地以良好的状态运行。本课题以变速变桨距风力发电机的运行控制为目标，研究基于S7-1200PLC变速变桨距风力发电机组的控制系统设计，主要包括风力发电机运行控制工艺流程分析、主控PLC硬件系统设计、风力机组变桨和偏航控制方法研究、PLC控制程序设计。最终实现风机的自启动直至平稳安全发电。
在我国东部广阔的沿海以及中西部沙漠地域，都蕴藏有丰富的风力资源，很多都没有得到有效利用，这是一种很大的资源浪费。如果这些能源能够得到利用无疑可以对我国经济的快速发展起到强大地推动作用。尽快地设计和制造出自主研发的风电设备，降低风能利用成本，对我国各产业发展都具有非凡的意义。
1.2 PLC 简介及其特点
1.2.1 PLC的特点和在工业领域的应用
自PLC问世，以其独有的特性在工业领域中扮演着越来越重要的角色，为自动化行业提供了可靠的控制保证。同时，随着各行各业包括半导体，计算机和通信技术的发展，PLC也在飞速地发展和更新。不断采用新技术增强系统的开放性，可以跟各种组态软件更好地结合使用，相信在未来对于PLC的运用定会不断加强。
PLC全称为Program logic controller（可编程逻辑控制器），是一种应用在工业环境中的数字运算电子系统，将计算机技术，自动控制技术和通信技术融合在一起。具有组合简易，编程简单，可靠性高，抗干扰能力强等诸多优点。在PLC没被发明或广泛应用之前，在工业领域中采用的是以继电器、接触器为主体的控制装置。在这样的控制系统中，通过实际触点的通断实现各部分之间的逻辑控制，用大量的导线将他们连接起来。这样的系统可靠性是得不到充分保证的，任一触点或导线出现问题都会导致整个系统的瘫痪。而且随着工业自动化程度的不断加强，传统的控制装置就更不能满足需求。同时大量的机械触点和导线使得整个系统异常复杂，维护和改造的工作量庞大。而PLC避免了这些缺点，只需将编写好的程序写进PLC，将开关按钮或传感器等设备接到输入点，继电器、接触器等接到输出点，以此实现对大功率设备的控制。工程师可以通过修改存储在存储器中的程序来实现对控制逻辑的变更，不必再将工作重心都放在硬件的搭建和检修上，大大地减少了工作量，提高了工作效率。
PLC将成为工业领域不可缺少的控制设备，未来的PLC将会朝着小型化和大型网络化的方向不断发展，其可靠性会更强，发展前景会更为广阔！
1.2.2 S7-1200的特点和在本课题中的应用
S7-1200 控制器使用灵活、体积小但功能却很强大，可通过它来控制各种各样的设备以满足不同需求。将微处理器、集成电源、输入和输出电路、高速运动控制 I/O 以及板载模拟量输入等组合到一个外壳中形成了一个外观紧凑功能却很强大的控制设备。 程序下载之后， CPU 将包含设备所需逻辑。 CPU 根据用户程序监视输入并输出信号以达到控制设备的目的，用户程序可以包含数字量逻辑、计数、定时、复杂数学运算等。 CPU 提供一个 PROFINET 端口并依靠它进行网络通信，同时还可使用附加模块通过PROFIBUS 、 GPRS、RS485 或 RS232 网络进行通信。
基于以上的特点，在本课题中，选取S7-1200作为主控制器。在主站DP模块和从站PM125之间以PROFIBUS作为通信桥梁实现两者间的信息交互，处理来自从站的输入信息并将输出信息返还执行，以此达到了控制的目的。
1.3 博途
1.3.1 博途简介
博途软件是将SIMATIC STEP 7与SIMATIC WinCC集成到中央工程组态框架中，从硬接线功能发展到全集成的自动化软件平台。未来，博途将在西门子全集成自动化任务中扮演更重要的角色，将是诸多自动化设备的基础。
1.3.2 博途特点
使用起来简易方便。主要有以下几个特点：
（1）方便，从硬件组态到程序的编写再到Wincc的连接都十分的方便、快捷。
（1）直观，容易使用的面向任务，具有智能直观的编辑器。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4453.html
