【正文】 在MCGS組態(tài)軟件仿真過程中，部分模塊的監(jiān)控顯示比較模糊，例如偏航控制中電機(jī)運行需要監(jiān)控運行時間，在制作時卻沒把時鐘編制進(jìn)去，只能看指示燈變化的情況大致估摸運行時間。所制作的MCGS組態(tài)界面圖文并茂，能成功地表示出系統(tǒng)的控制變化，還擴(kuò)展了MCGS組態(tài)軟件相關(guān)的用戶權(quán)限管理功能。溫度的PID控制模塊中用到了子程序和中斷程序的應(yīng)用，體現(xiàn)對象與功能的分塊控制，復(fù)雜卻能精確地看出控制原理。所設(shè)計的程序跟設(shè)計方案相符，能完成方案中所涉及的四個方面的控制。為了安全起見，變壓器啟動前需要保證發(fā)電機(jī)已經(jīng)在運行狀態(tài)（），按下啟動按鈕（）變壓器才會運行（）。（2） 轉(zhuǎn)為[0,1]區(qū)間內(nèi)的無量綱相對值。下圖則明確說明了機(jī)艙的實際溫度模擬量轉(zhuǎn)換具體過程。其中網(wǎng)絡(luò)1中將擴(kuò)展模擬量輸入模塊EM231中的AIW4機(jī)艙溫度模擬值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。循環(huán)室內(nèi)氣體均勻降溫。在溫度控制系統(tǒng)中，選用冷卻機(jī)來控制制冷系統(tǒng)，冷卻機(jī)控制電路的控制電壓Vk為0~5V。在溫控系統(tǒng)中，需要處理的數(shù)據(jù)分配在多個內(nèi)存地址。根據(jù)系統(tǒng)的按鍵信息調(diào)用子程序SBR0和SBR1傳送PID控制參數(shù)。215176。其他三個角度區(qū)間的控制方法和前兩種相似。風(fēng)向標(biāo)夾角為155176。時，啟動向右偏航的電動機(jī)（）并且運作延時50s；在165176。165176。155176。180176。205176。165176。圖43詳細(xì)表示這一轉(zhuǎn)換過程。該模塊的第二個通道連接一塊帶420mA變送輸出的風(fēng)向顯示儀表，轉(zhuǎn)換為數(shù)值640032000。該儀表的量程設(shè)置為020m/s，即0m/s時輸出4mA，20m/s時輸出20mA。 系統(tǒng)控制程序根據(jù)第三章的設(shè)計方案和I/O口地址分配，寫出各個模塊相關(guān)的程序。其中使用到數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換（A/D和D/A）。用戶用編程語言編輯程序時，由于語言易懂，編程方法簡單，使得用戶設(shè)計簡單便捷。PLC體積小，內(nèi)部系統(tǒng)配線少，能耗低。PLC具有很多優(yōu)點[12]是過去許多控制器不能匹及的。 PLC的工作原理PLC的操作模式有兩種，分別為運行（RUN）模式和停止（STOP）模式。它的功能是采集參數(shù)，輸入和輸出數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用程序；儲存數(shù)據(jù)和程序等。接下來介紹下PLC的組成，功能，應(yīng)用領(lǐng)域等相關(guān)方面的知識。他認(rèn)為這種控制器運作可以減少控制管理汽車組裝改型時的時間和物資。（5）熔斷器的選擇： 熔斷器保護(hù)作為電路過載保護(hù)最常用的一個手段運用于本文各個電路模塊中。~205176。~165176。溫度控制送風(fēng)電動機(jī)選用三相異步電動機(jī)。在本文中使用模擬量擴(kuò)展模塊EM231CN和EM232CN。 PLC的選型西門子S7200是一種小型可編程邏輯控制器，它不僅可以單機(jī)控制，還可以有功能模塊與I/O口的擴(kuò)展。這有利于電壓的傳輸與利用，電壓過低或過高會引起線路的負(fù)載過大，損耗過大。圖 311 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整個系統(tǒng)具有機(jī)艙和塔架內(nèi)兩個溫度控制單元，要對兩個棚內(nèi)溫度進(jìn)行控制。計算25℃。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠較好地將余差消除。經(jīng)過步驟二，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，此時應(yīng)該加入微分控制，構(gòu)成PID控制。實驗湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。PID控制器因為具有不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，有很強(qiáng)的靈活性、實用性，使用方便等優(yōu)點，所以將有效地提高PLC設(shè)計效率?？梢钥闯?，偏轉(zhuǎn)10176。171176。根據(jù)風(fēng)向傳感器信號得到的風(fēng)向標(biāo)夾角信號給出偏航控制指令，當(dāng)角度為180176。的控制系統(tǒng)，控制次數(shù)僅為一次。側(cè)風(fēng)和自動解纜控制。圖31表示這個系統(tǒng)流程框圖：Y啟動控制器初始化采集風(fēng)速參數(shù)大于額定參數(shù) 啟動發(fā)電機(jī)偏航控制停機(jī)溫度控制N變壓器控制圖 31 系統(tǒng)程序流程圖 具體模塊設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)不同方面的功能，將整個系統(tǒng)分為四個主要模塊：發(fā)電機(jī)啟動模塊、偏航控制模塊、溫度控制模塊和變壓器控制模塊。在設(shè)計中四個基本控制要求是：（1）發(fā)電機(jī)啟動之前，將外界風(fēng)速模擬量轉(zhuǎn)換后傳送至內(nèi)存單元，與正常發(fā)電的風(fēng)速范圍進(jìn)行比較，不在范圍內(nèi)則警報進(jìn)行手動停機(jī)，在范圍內(nèi)則啟動發(fā)電機(jī)；（2）事先編制好風(fēng)向標(biāo)夾角的角度區(qū)間，啟動發(fā)電機(jī)后，將外界風(fēng)向模擬量轉(zhuǎn)換后傳送給控制器，將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應(yīng)角度區(qū)間進(jìn)行控制，運作向左偏航電機(jī)或者向右偏航電機(jī)，使之偏轉(zhuǎn)到合適風(fēng)向范圍內(nèi)；（3）對機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制，因為是對模擬量的閉環(huán)控制，所以采用PID控制方法。3 設(shè)計方案和電氣元件選型 設(shè)計方案風(fēng)力發(fā)電的主要工作原理：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這也是發(fā)電機(jī)工作的原理。假設(shè)m為氣體質(zhì)量，ρ為空氣密度。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部分，它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個部件的動作和狀態(tài)。齒輪箱按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式和混合式。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)包含增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)和聯(lián)軸器等[4]，它是用于傳遞機(jī)械能，并且將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。風(fēng)輪軸也叫主軸、低速軸，它在風(fēng)輪以及齒輪箱之間。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最重要的部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)區(qū)別于其他發(fā)電機(jī)的顯要標(biāo)志，其作用是獲取和吸收風(fēng)能，它將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。本章簡單介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成以及相關(guān)的空氣動力學(xué)知識，即可清楚了解風(fēng)力發(fā)電的原理和過程。第三章主要是設(shè)計方案的確定，從整體到各個模塊分層介紹了各個控制部分的工作原理、工作過程，繪制控制流程圖，最后制作I/O地址分配表。在論文中的第一章中講述了設(shè)計課題的背景和選題意義。（3）葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件不斷在可靠性、大型化。這表明去年風(fēng)電市場的年增長率達(dá)6%，總量同比增長超過21%。美國風(fēng)電年均平增速達(dá)到了24％，有超過30個州建成了風(fēng)電場。開發(fā)種由計算機(jī)控制多臺或單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的組群的自動控制系統(tǒng)，這些措施都很大地提升了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性[3]。在2010年，我國的風(fēng)電裝機(jī)容量已超過3000萬千瓦。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國的風(fēng)能資源分布：我國風(fēng)能資源的地區(qū)區(qū)域差異大。在智能化的風(fēng)電領(lǐng)域中，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩和風(fēng)電機(jī)輪片槳距角使葉尖速比保持在最佳值，實現(xiàn)風(fēng)力的最大能量獲取。第二階段，20世紀(jì)末。風(fēng)力發(fā)電在為社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)的同時，可以有效地緩解空氣污染、水體污染和溫室效應(yīng)問題。在此后的時代中，這種風(fēng)能的技術(shù)從中東傳入歐洲，荷蘭人利用風(fēng)車進(jìn)行排水，與海爭地，在低洼的海灘上建設(shè)強(qiáng)大的國家。大氣運動則是因為大氣受到太陽的輻射，能量來源于大氣吸收的部分太陽能，太陽到達(dá)地球輻射的20%會轉(zhuǎn)變成風(fēng)能。針對風(fēng)能具有隨機(jī)性、不確定性的特點，本文用西門子可編程控制器S7200來對風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行控制。主要內(nèi)容包括電氣原理圖和設(shè)計流程圖的繪制，PLC、電氣元件的選型，發(fā)電機(jī)組啟動控制、偏航控制、溫度控制和變壓器控制等。人類對于風(fēng)能利用的歷史久遠(yuǎn)，可以追溯到公元10世紀(jì)，波斯就出現(xiàn)了種水平轉(zhuǎn)動的風(fēng)磨，即為以風(fēng)車為動力的磨坊。19世紀(jì)丹麥人首先研制出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在1891年丹麥建成世界上第一座風(fēng)力發(fā)電站。在各類新能源開發(fā)利用中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對于其他能源開發(fā)是比較成熟的，并且具有大規(guī)模場地開發(fā)和商業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)的條件。風(fēng)電技術(shù)逐步成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成規(guī)模發(fā)展，并建立了穩(wěn)定的商業(yè)模式。利用風(fēng)速風(fēng)向、風(fēng)力測量儀檢測實際模擬量和數(shù)字量或是電功率，傳遞給主控制器進(jìn)行運算處理，控制器做出相應(yīng)的控制措施，調(diào)整輪片轉(zhuǎn)速，偏航角度等。沿海、內(nèi)蒙古和甘肅北部、黑龍江南部和吉林東部三個區(qū)域風(fēng)能最多；青藏高原中部和北部、西北、華北、東北三區(qū)域的北部，東南沿海的風(fēng)能資源豐富；山區(qū)，例如南嶺、武夷山地區(qū)，遼河、華北、長江中下游平原、西北高原地區(qū)，風(fēng)能可待開發(fā)利用；云貴川陜西、豫西、鄂北、湘西、福建廣東，盆地地形區(qū)等風(fēng)能貧乏。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要零部件像是輪片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、電控系統(tǒng)、塔架等已經(jīng)國產(chǎn)化，并且可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。海上風(fēng)電場是最近世界范圍內(nèi)廣泛推廣使用的大型有效利用風(fēng)能資源的形式，在1980年初在美國加利福尼亞首先興起。毋庸置疑，全球最重要的風(fēng)電市場之一是美國，雖然政府政策方面的不確定性和不穩(wěn)定性使得風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展充滿了隨變性，但還存在著有利于風(fēng)電發(fā)展的積極要素。另一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，在全球已經(jīng)有風(fēng)電商業(yè)運營項目的75個國家中，超過22個國家裝機(jī)容量已逾1GW。（4）控制與監(jiān)控技術(shù)不斷完善。從風(fēng)力發(fā)電相比不可再生資源發(fā)電具有的優(yōu)勢和PLC控制的好處這兩個方面介紹基于PLC風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計意義。第四章則是控制程序的具體分析，針對各控制功能列出程序進(jìn)行詳細(xì)解說，最后形成控制總程序。 風(fēng)電機(jī)組組成部分介紹 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量可大小以劃分為小型風(fēng)電機(jī)組（10KW以下），中型風(fēng)電機(jī)組（10~100KW），大型風(fēng)電機(jī)組（100KW以上）；按其主軸與地面的相對位置，可以劃分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（主軸與地面平行），垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（主軸與地面垂直）。而風(fēng)輪軸則將能量給傳動機(jī)構(gòu)。其前面端子由螺栓與輪轂剛性連接，后面端子與齒輪箱低速相連，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受力大。一般情況下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子所必須的轉(zhuǎn)速，增速器要給風(fēng)輪轉(zhuǎn)動加速。圖22展示了齒輪箱的樣式。通常使用PLC，或者DSP微機(jī)處理器作為控制器件，它們功能強(qiáng)大，能夠應(yīng)付惡劣的工作環(huán)境，所以受到廣泛應(yīng)用。根據(jù)空氣流體力學(xué)可知，在一秒中流向風(fēng)輪的空氣具有的動能為：E=189。控制方面的工作原理及過程為：當(dāng)系統(tǒng)的總開關(guān)合上后，可編程控制器初始化，測速傳感器感知到風(fēng)速模擬信號A/D轉(zhuǎn)換后并且傳輸給PLC，處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進(jìn)行比較，若在參數(shù)范圍內(nèi)則啟動系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，不在參數(shù)范圍內(nèi)則報警手動停機(jī)。系統(tǒng)內(nèi)分為機(jī)艙控制單元與塔架控制單元，打開進(jìn)氣閥排放冷氣流，間隔一定時間檢測室溫，溫度太高則使得進(jìn)氣閥繼續(xù)進(jìn)氣，溫度低于設(shè)定值停止進(jìn)氣，使得溫度恒定在安全范圍內(nèi)；（4）根據(jù)發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)來控制變壓器的啟動與停止。下來具體說明每個模塊的主要功能、控制過程以及控制流程圖。其中風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動偏航是偏航控制最主要的內(nèi)容。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能達(dá)到最佳的效能，機(jī)艙必須對準(zhǔn)實時風(fēng)向。時，表明機(jī)艙位置已對準(zhǔn)風(fēng)向，在171176。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作20秒。大約需要30秒，這是由電動機(jī)的工作頻率與齒輪的齒數(shù)決定的[8]。c(t) pυ(t)M(t)sp(t)e (t)機(jī)艙溫度控制PLCA/D圖35為機(jī)艙和塔架內(nèi)部溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)：D/A溫度傳感器圖 35溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖中sp(t)是給定值，pυ(t)是反饋量，c(t)是系統(tǒng)的輸出量，PID控制的輸入輸出關(guān)系式如下：M(t)=Kc[e(t)+(1/TI)+(de(t)/)/dt]+Mo(t) ()其中Kc為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)[9]。第一進(jìn)行整定比例控制。首先置微分時間TD=0，逐漸加大TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)湊試直至獲得滿意的控制效果。消除了偏差，輸出停止變化。只要啟動溫控系統(tǒng)，進(jìn)氣閥就會放冷氣流進(jìn)入降溫，檢測室溫，過程變量高于溫度設(shè)定值，繼續(xù)進(jìn)氣，若過程變量低于溫度設(shè)定值，立即停止進(jìn)氣。具體流程是：啟動送風(fēng)電動機(jī)循環(huán)冷氣流，開啟進(jìn)氣閥給室內(nèi)降溫，經(jīng)過一段時間關(guān)閉閘門；控制室內(nèi)溫度時滿1小時后進(jìn)行排氣；按下停止按鈕后，關(guān)閉送分電動機(jī)和排氣閘門。變壓器運作的條件是在變壓器啟動按鈕按下時此時發(fā)電機(jī)正在運作狀態(tài)，若無第二個條件存在，發(fā)電機(jī)無電壓進(jìn)行耦合，所以在發(fā)電機(jī)運行的條件下按下啟動按鈕，變壓器則會工作。整體式PLC將CPU、輸入/輸出口與電源裝備在一個箱型機(jī)殼內(nèi)。模擬量輸入模塊EM231CN具有4路模擬量輸入通道，為24V DC狀態(tài)。型號：YLJW系列力矩三相異步電動機(jī)。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在165176。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在205176。在發(fā)電機(jī)處可以選用型號為LMZD220的高壓熔斷器；偏航、變槳距以及溫度控制模塊選用RT18低壓熔斷器。在1969年，世界上第一臺可編程控制器在美國數(shù)字設(shè)備公司研制成功，配給美國通用汽車公司在汽車自動組裝線上進(jìn)行控制管理操作，結(jié)果非常成功。 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC發(fā)展至今，已出現(xiàn)多種型號，多種規(guī)格的產(chǎn)品，而PLC的基本結(jié)構(gòu)都是基本的這四大類：CPU模塊，輸入模塊，輸出模塊和編程器。輸入模塊與輸出模塊簡稱為I/O模塊。PLC的工作方式是周而復(fù)始、不斷循環(huán)的，稱為掃描工作方式。（1）功能強(qiáng)大，性價比高。用戶使用方便，能快速地進(jìn)行系統(tǒng)配置，程序運行等。調(diào)試和模擬時，一方面可以再實驗室用信號開關(guān)來模擬查看結(jié)果，另一方面可以再計算機(jī)上使用STEP 7Micro/WIN編程軟件查錯、調(diào)試和模擬，這使得PLC的多方面應(yīng)用都很便捷和人性化。對模擬量實施PID控制（比例積分微分）。下面詳細(xì)分析每個模塊的程序。風(fēng)速顯示儀的鉑電阻輸入端接入一個220歐姆可調(diào)電位器。該儀表的量程設(shè)置為0360176。圖 43 風(fēng)向模擬量轉(zhuǎn)換梯形圖網(wǎng)絡(luò)7中，176。之間；165176。之間；205176。將啟動向左偏航的電動機(jī)，180176。、155176。和165176。171176。165176。在189176。時，啟動向左偏航的電動機(jī)（）并且運作延時90s。子程序SBR0是機(jī)艙溫度參數(shù)輸入和PID參數(shù)設(shè)定，子程序SBR1是塔架內(nèi)部溫度參數(shù)輸入和PID參數(shù)設(shè)定。表41列出溫控系統(tǒng)的內(nèi)存分配表：表41溫控系統(tǒng)內(nèi)存分配表名稱地址數(shù)據(jù)大小機(jī)艙PID表VB1008位機(jī)艙過程變量VD10032位機(jī)艙參數(shù)設(shè)定值VD10432位機(jī)艙輸出值VD10832位機(jī)艙溫度增益VD11232位機(jī)艙采樣時間VD11632位機(jī)艙積分時間VD12032位機(jī)艙微分時間VD12432位機(jī)艙積分前項VD12832位機(jī)艙過程前值VD13232位塔架內(nèi)部PID表VB1368位塔架內(nèi)部過程變量VD13632位塔架內(nèi)部參數(shù)設(shè)定值