S7300PLC的恒速变桨距风力发电机控制系统研究
S7300PLC的恒速变桨距风力发电机控制系统研究[20191207124652]
摘要
人类想要生存和发展，能源及环境问题亟待解决。化石燃料这类一次性能源虽能解决能源短缺问题，但同时也给地球造成了非常严重的污染，所以大力开发资源丰富且环境友好的能源刻不容缓。因而，具有可再生、成本低廉且清洁无污染等诸多优点的风能便得到了世界范围内的认可，目前对风能资源利用最为广泛的方式便是风力发电。
由于风力发电机组工作的地理位置通常都比较偏远，自然环境恶劣多变，一般是没有办法安排工作人员时刻值守，因此这就对风力发电机组的自动化控制系统要求比较高。而恒速变桨距风力发电机组作为风力发电机组中应用较为普遍的一种机型，对其控制系统的研究具有相当重要的现实意义。
本篇论文首先介绍风力发电和PLC方面的相关知识，然后进一步研究了风力发电机运行控制的工艺流程，这其中主要涉及到风机的偏航控制、制动控制、变桨距控制、风机自动化启停系统以及相关传感器特性，接着利用STEP7软件对控制系统进行编程，最后对相关程序进行调试。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:风力发电机变桨距控制偏航控制可编程控制器
目录
1. 绪 论 1
1.1 课题的背景与研究意义 1
1.2 风电的发展历程及趋势 1
1.3 本课题研究的主要内容 2
2. 恒速变桨距风力发电机系统基础知识概述 3
2.1 风机简介 3
2.1.1 风机系统的组成 3
2.1.2 恒速变桨距风力发电机控制流程简介 4
2.2 PLC基本概念及对应编程软件介绍 5
3. 恒速变桨距风力发电机的硬件设计 6
3.1 硬件设计的基本步骤 6
3.2 估算I/O口数量 6
3.3 PLC和系统硬件配置及相关传感器的选型 6
3.3.1 PLC的选型 6
3.3.2 电源模块的选型 7
3.3.3 CPU模块的选型 7
3.3.4 输入/输出模块的选型与分配 7
3.3.5 部分传感器的选型 8
3.3.6 PLC硬件组态 8
3.3.7 I/O模块的地址分配 9
3.4 电气控制系统原理图 10
4. 变桨距恒速风力发电机的软件设计 12
4.1 系统程序的总体设计思路 12
4.2 系统主程序的设计 13
4.3 系统各功能的设计 14
4.3.1 紧急停车 14
4.3.2 风机系统的变桨功能 16
5. 变桨距恒速风力发电机监控系统的调试 19
5.1 系统调试方案 19
5.2 PLC调试 19
总结 20
参考文献 21
附录1 部分程序 22
附录2 PLC模块接线图 33
致谢 35
1绪 论
1.1 课题的背景与研究意义
在社会发展初期，人们对都是直接利用风能、木材、水和其他自然资源，尤其是木材，长期占据的一次能源消费结构中的首位。直到18世纪蒸汽机的出现，加速了产业革命，促使了煤炭资源的开采。到了19世纪60年代，煤炭在一次能源消费结构的比重中占24％，之后更是上升到了62％。从此，世界进入了“煤炭时代”。20世纪末期，各类一次性能源消费结构的比例为：石油54％，天然气18%，煤炭也为18％，由此可以看出人们对于石油的依赖已经远大于煤炭。
然而，现在人们都清晰地认识到了这些一次性能源在推进社会发展进步的同时所带来的巨大危机。化石能源的枯竭以及对环境气候难以逆转的危害，已日益地威胁着人类的健康和安全。因此大力开发资源丰富且环境友好的能源迫在眉睫。
风是最为清洁的能源之一，风力发电是对风能利用最为广泛技术手段。且由于风能取之不尽，用之不竭，对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原等偏远地区，大力发展风力发电，不仅可以解决当地独立供电等问题，利用风力发电也可以发掘这些地区的相关副产业，同时多余的电量也能为国家分担供电压力，促进社会和谐发展。由于风力发电机组工作的地理位置通常都比较偏远，自然环境恶劣多变，一般是无法安排人员时刻值守，因此这对风力发电机组的自动化控制系统要求比较高。而恒速变桨距风力发电机组作为风力发电机组中应用较为普遍的一种机型，对其控制系统的研究具有相当重要的意义。
1.2 风电的发展历程及趋势
人们早在二十世纪初期便开始尝试风力发电，当时的美国等许多科技强国便陆续成功地研制出了一些小型的风力发电机。这类风机大多在风力资源丰富的偏远乡村以及沿海城市广泛使用。当然，那时的发电量都非常低，一般小于5000W，不过由于这些小型风机所获得的电力成本远小于小型内燃机的发电成本，这让当时研究风机的相关科学家振奋不已，积极性大增。
到了二十世纪末期，美国已经研制出发电量近200KW的大型风力发电机，这么高的发电量足够向近百户居民提供日常用电。不过这些在当时已经算发电量非常多的大型风力发电机并没有让研究人员们满足，紧随其后，丹麦便研制并投入使用了发电量高达2000KW的风力发电装置，其中发四分之三的电量送入国家电网，其他四分之一用于附近民用。
回顾世界风电的发展历程，我们不难知道大型发电机组的研制以及海上风力发电厂研究将是风力发电技术的大势所趋。
1.3 本课题研究的主要内容
本课题以恒速变桨距风力发电机的运行控制为目标，研究恒速变桨距恒速风力发电机的控制系统设计。通过学习风力发电方面的专业知识和PLC控制技术完成设计。 课题的主要研究内容为：
1、搜集文献资料，了解风力发电机构架及运行原理，研究风力发电机运行控制工艺流程，研究相关传感器和执行器相关特性。
2、学习、研究PLC自动化技术，掌握硬件和软件设计知识。
3、系统结构方案设计和硬件的选型。
4、设计并编写PLC控制程序研究。
5、系统的调试。
2. 恒速变桨距风力发电机系统基础知识概述
2.1 风机简介
2.1.1 风机系统的组成
风力发电机的发电原理即为风带动电机组风轮转动将风能转换为机械能，并通过调速装置带动发电机工作进而再将机械能转换为电能的过程。
风力发电机基本结构如图2-1，主要由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
。
图2-1 风力发电机基本结构
①-叶片 ②-轮毂 ③-电机舱 ④-叶轮轴与主轴连接 ⑤-主轴 ⑥-齿轮箱 ⑦-刹车机构 ⑧-联轴器 ⑨-发电机 ⑩-散热器 ?-冷却风扇 12-风速仪和风向标 13-控制系统 14-液压系统 15-偏航驱动 16-偏航轴承 17-机舱盖 18-塔架 19-变桨距部分
其中部分结构的作用如下：
风轮：作用把接收到的风能转化为机械能。
对风装置：用来接收风信号。
传动装置?：用来增加风轮的转速，一般当风轮的转速小于额定值时，才需增速。
调速装置?：是为了让风轮的转速稳定在一定范围内。当风太大时，风轮转速也会随之快速增大，这样就会减少发电机组装置的寿命，因而调速装置非常重要。
发电机：即把从风轮处接收到的机械能转成电能。
塔架：主要是为了把风机托起在适当高度。
2.1.2 恒速变桨距风力发电机控制流程简介
图2-2 运行控制流程
由于风力发电机工作地理位置通常都比较偏远，环境也恶劣多变，一般没有办法安排工作人员时刻值守，所以这就对风力发电机的自动化控制系统要求比较严格。
一般风力发电机的运行控制流程如图2-2：当风机开始运行时，上位机（本设计为组态王）给出控制指令，相应控制器响应并动作，执行器执行指令并按实际情况进行变桨系统、偏航系统以及制动系统动作，与此同时，各部分传感器接受信号参数并通过对应变送器的处理整合向上位机进行反馈，控制器对接受的反馈信号，与相应预设值进行比对判断再对之后的风机动作做出相应的调整，这便是一整套简易的运行控制工艺流程。风力发电机组的控制系统主要监偏航控制系统、变桨距控制系统、制动控制系统，主要作用如下：
摘要
人类想要生存和发展，能源及环境问题亟待解决。化石燃料这类一次性能源虽能解决能源短缺问题，但同时也给地球造成了非常严重的污染，所以大力开发资源丰富且环境友好的能源刻不容缓。因而，具有可再生、成本低廉且清洁无污染等诸多优点的风能便得到了世界范围内的认可，目前对风能资源利用最为广泛的方式便是风力发电。
由于风力发电机组工作的地理位置通常都比较偏远，自然环境恶劣多变，一般是没有办法安排工作人员时刻值守，因此这就对风力发电机组的自动化控制系统要求比较高。而恒速变桨距风力发电机组作为风力发电机组中应用较为普遍的一种机型，对其控制系统的研究具有相当重要的现实意义。
本篇论文首先介绍风力发电和PLC方面的相关知识，然后进一步研究了风力发电机运行控制的工艺流程，这其中主要涉及到风机的偏航控制、制动控制、变桨距控制、风机自动化启停系统以及相关传感器特性，接着利用STEP7软件对控制系统进行编程，最后对相关程序进行调试。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:风力发电机变桨距控制偏航控制可编程控制器
目录
1. 绪 论 1
1.1 课题的背景与研究意义 1
1.2 风电的发展历程及趋势 1
1.3 本课题研究的主要内容 2
2. 恒速变桨距风力发电机系统基础知识概述 3
2.1 风机简介 3
2.1.1 风机系统的组成 3
2.1.2 恒速变桨距风力发电机控制流程简介 4
2.2 PLC基本概念及对应编程软件介绍 5
3. 恒速变桨距风力发电机的硬件设计 6
3.1 硬件设计的基本步骤 6
3.2 估算I/O口数量 6
3.3 PLC和系统硬件配置及相关传感器的选型 6
3.3.1 PLC的选型 6
3.3.2 电源模块的选型 7
3.3.3 CPU模块的选型 7
3.3.4 输入/输出模块的选型与分配 7
3.3.5 部分传感器的选型 8
3.3.6 PLC硬件组态 8
3.3.7 I/O模块的地址分配 9
3.4 电气控制系统原理图 10
4. 变桨距恒速风力发电机的软件设计 12
4.1 系统程序的总体设计思路 12
4.2 系统主程序的设计 13
4.3 系统各功能的设计 14
4.3.1 紧急停车 14
4.3.2 风机系统的变桨功能 16
5. 变桨距恒速风力发电机监控系统的调试 19
5.1 系统调试方案 19
5.2 PLC调试 19
总结 20
参考文献 21
附录1 部分程序 22
附录2 PLC模块接线图 33
致谢 35
1绪 论
1.1 课题的背景与研究意义
在社会发展初期，人们对都是直接利用风能、木材、水和其他自然资源，尤其是木材，长期占据的一次能源消费结构中的首位。直到18世纪蒸汽机的出现，加速了产业革命，促使了煤炭资源的开采。到了19世纪60年代，煤炭在一次能源消费结构的比重中占24％，之后更是上升到了62％。从此，世界进入了“煤炭时代”。20世纪末期，各类一次性能源消费结构的比例为：石油54％，天然气18%，煤炭也为18％，由此可以看出人们对于石油的依赖已经远大于煤炭。
然而，现在人们都清晰地认识到了这些一次性能源在推进社会发展进步的同时所带来的巨大危机。化石能源的枯竭以及对环境气候难以逆转的危害，已日益地威胁着人类的健康和安全。因此大力开发资源丰富且环境友好的能源迫在眉睫。
风是最为清洁的能源之一，风力发电是对风能利用最为广泛技术手段。且由于风能取之不尽，用之不竭，对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原等偏远地区，大力发展风力发电，不仅可以解决当地独立供电等问题，利用风力发电也可以发掘这些地区的相关副产业，同时多余的电量也能为国家分担供电压力，促进社会和谐发展。由于风力发电机组工作的地理位置通常都比较偏远，自然环境恶劣多变，一般是无法安排人员时刻值守，因此这对风力发电机组的自动化控制系统要求比较高。而恒速变桨距风力发电机组作为风力发电机组中应用较为普遍的一种机型，对其控制系统的研究具有相当重要的意义。
1.2 风电的发展历程及趋势
人们早在二十世纪初期便开始尝试风力发电，当时的美国等许多科技强国便陆续成功地研制出了一些小型的风力发电机。这类风机大多在风力资源丰富的偏远乡村以及沿海城市广泛使用。当然，那时的发电量都非常低，一般小于5000W，不过由于这些小型风机所获得的电力成本远小于小型内燃机的发电成本，这让当时研究风机的相关科学家振奋不已，积极性大增。
到了二十世纪末期，美国已经研制出发电量近200KW的大型风力发电机，这么高的发电量足够向近百户居民提供日常用电。不过这些在当时已经算发电量非常多的大型风力发电机并没有让研究人员们满足，紧随其后，丹麦便研制并投入使用了发电量高达2000KW的风力发电装置，其中发四分之三的电量送入国家电网，其他四分之一用于附近民用。
回顾世界风电的发展历程，我们不难知道大型发电机组的研制以及海上风力发电厂研究将是风力发电技术的大势所趋。
1.3 本课题研究的主要内容
本课题以恒速变桨距风力发电机的运行控制为目标，研究恒速变桨距恒速风力发电机的控制系统设计。通过学习风力发电方面的专业知识和PLC控制技术完成设计。 课题的主要研究内容为：
1、搜集文献资料，了解风力发电机构架及运行原理，研究风力发电机运行控制工艺流程，研究相关传感器和执行器相关特性。
2、学习、研究PLC自动化技术，掌握硬件和软件设计知识。
3、系统结构方案设计和硬件的选型。
4、设计并编写PLC控制程序研究。
5、系统的调试。
2. 恒速变桨距风力发电机系统基础知识概述
2.1 风机简介
2.1.1 风机系统的组成
风力发电机的发电原理即为风带动电机组风轮转动将风能转换为机械能，并通过调速装置带动发电机工作进而再将机械能转换为电能的过程。
风力发电机基本结构如图2-1，主要由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
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图2-1 风力发电机基本结构
①-叶片 ②-轮毂 ③-电机舱 ④-叶轮轴与主轴连接 ⑤-主轴 ⑥-齿轮箱 ⑦-刹车机构 ⑧-联轴器 ⑨-发电机 ⑩-散热器 ?-冷却风扇 12-风速仪和风向标 13-控制系统 14-液压系统 15-偏航驱动 16-偏航轴承 17-机舱盖 18-塔架 19-变桨距部分
其中部分结构的作用如下：
风轮：作用把接收到的风能转化为机械能。
对风装置：用来接收风信号。
传动装置?：用来增加风轮的转速，一般当风轮的转速小于额定值时，才需增速。
调速装置?：是为了让风轮的转速稳定在一定范围内。当风太大时，风轮转速也会随之快速增大，这样就会减少发电机组装置的寿命，因而调速装置非常重要。
发电机：即把从风轮处接收到的机械能转成电能。
塔架：主要是为了把风机托起在适当高度。
2.1.2 恒速变桨距风力发电机控制流程简介
图2-2 运行控制流程
由于风力发电机工作地理位置通常都比较偏远，环境也恶劣多变，一般没有办法安排工作人员时刻值守，所以这就对风力发电机的自动化控制系统要求比较严格。
一般风力发电机的运行控制流程如图2-2：当风机开始运行时，上位机（本设计为组态王）给出控制指令，相应控制器响应并动作，执行器执行指令并按实际情况进行变桨系统、偏航系统以及制动系统动作，与此同时，各部分传感器接受信号参数并通过对应变送器的处理整合向上位机进行反馈，控制器对接受的反馈信号，与相应预设值进行比对判断再对之后的风机动作做出相应的调整，这便是一整套简易的运行控制工艺流程。风力发电机组的控制系统主要监偏航控制系统、变桨距控制系统、制动控制系统，主要作用如下：
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