【文章內(nèi)容簡介】 程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行[16]。（3）存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。（4）輸入輸出接口電路現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。（5）功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。（6）通信模塊如以太網(wǎng)、RS48ProfibusDP通訊模塊等[17]。 PLC的特點(diǎn)（1） 功能完善，組合靈活，擴(kuò)展方便，實(shí)用性強(qiáng)?，F(xiàn)代PLC具有豐富的功能及各種擴(kuò)展單元、智能單元和特殊功能模塊，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對象的要求，靈活組合出要求匹配的控制系統(tǒng)。（2） 使用方便，編程簡單，簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言采用的是常規(guī)控制電路的設(shè)計思想，它更能為計算機(jī)知識薄弱的工作人員接受，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。（3）安裝簡單，容易檢修。工作人員只需將PLC相應(yīng)的I/O端與現(xiàn)場設(shè)備相連接，并寫入程序即可運(yùn)行。PLC的運(yùn)用能夠做到在線修改程序，改變控制的方案而無需拆開機(jī)器設(shè)備， 大大縮短了傳統(tǒng)控制設(shè)備的安裝和維修時間。各種模塊上也均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。PLC還有強(qiáng)大的自檢功能，這為它的維修提供了方便[18]。（4）抗干擾能力和可靠性能力都強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。隔離和濾波，是抗干擾的兩大主要措施。對PLC的內(nèi)部電源還采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保證供電質(zhì)量。另外使輸入/輸出接口電路的電源彼此獨(dú)立，以免電源之間的干擾。正確的選擇接地地點(diǎn)和完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。為適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，還采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)。通過以上措施，保證了PLC能在惡劣環(huán)境中可靠工作，使平均故障間隔時間長，故障修復(fù)時間短。（5）環(huán)境要求低。PLC的技術(shù)條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境下工作，能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作。這是PLC產(chǎn)品的市場生存價值。（6）易學(xué)易用。PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備，接口容易。PLC的梯形圖是根據(jù)繼電接觸器硬件邏輯控制原理設(shè)計的，將原有電器控制系統(tǒng)輸入信號及輸出信號作為PLC的I/O點(diǎn)。對使用者來說，即使不需要具備計算機(jī)的專門知識，也能快速上手，更易于為工程技術(shù)人員接受[19]。 本章小結(jié)本章對風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)動控制系統(tǒng)的各個組成部分做了大體的介紹。包括偏航系統(tǒng)、變漿距控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。同時，對PLC的基本結(jié)構(gòu)做了大體介紹，并描述其相對其他控制器的優(yōu)點(diǎn)。第3章 偏航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 硬件組成風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)由偏航控制機(jī)構(gòu)和偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩大部分組成，偏航控制機(jī)構(gòu)是風(fēng)力機(jī)特有的伺服系統(tǒng)，機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)則是偏航系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中偏航控制機(jī)構(gòu)包括：1風(fēng)向傳感器、2偏航控制器、3解纜傳感器。機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括：1偏航軸承、2偏航驅(qū)動裝置、3偏航制動器。 系統(tǒng)的硬件主要有:偏航電機(jī)，扭纜開關(guān)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器，PLC。偏航驅(qū)動裝置包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。在大型風(fēng)電機(jī)組上通常由兩臺或多臺驅(qū)動器驅(qū)動偏航系統(tǒng)。偏航電機(jī)多為三相異步電動機(jī)，它與一個直流電磁鐵制動器配合進(jìn)行偏航。電磁制動器的直流勵磁電源電機(jī)接線盒內(nèi)的整流裝置提供，制動器具有手動釋放裝置。偏航時，剎車松閘。偏航停止時，剎車抱閘。偏航系統(tǒng)通過齒輪減速器得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動比很大，通常在1：1000左右，因此采用多級減速器，一般采用二到三級平行軸斜齒輪減速器和兩級行星減速器組合而成（BONUS和NEGMicon機(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)）。也有采用一級渦輪減速器和一級行星減速器組合而成的減速器（VESTAS機(jī)組采用這種機(jī)構(gòu)）[20]。 風(fēng)速風(fēng)向傳感器 風(fēng)向風(fēng)速信號作為偏航控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的輸入信號，對其準(zhǔn)確的測量將影響整個控制系統(tǒng)的性能。風(fēng)作為矢量，既有大小，又有方向，其測量包括風(fēng)向和風(fēng)速兩項。 風(fēng)速的測量風(fēng)速計是測量空氣流速的儀器。它的種類較多，常見的風(fēng)速測量儀器有散熱式風(fēng)速計、旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計、和聲學(xué)風(fēng)速計，但是最經(jīng)常使用的是旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計。旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計的感應(yīng)部分是一個固定在轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)風(fēng)的組件，常用的有風(fēng)杯、螺旋槳葉片和平板葉片三種類型。風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)的來向，螺旋槳葉片和平板葉片旋轉(zhuǎn)軸平行于風(fēng)的來向。風(fēng)電機(jī)組上常常采用的是風(fēng)杯風(fēng)速計，它的優(yōu)點(diǎn)在于它與風(fēng)向無關(guān)。風(fēng)杯由3個互成120176。固定在支架上或互成90176。角的十字形支架上的拋物錐空杯組成其感應(yīng)部分，空杯的凹面都順向一個方向。整個感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上，在風(fēng)力的作用下，風(fēng)杯繞軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。以WAA —15為例，它是一種高響應(yīng)、低門限、三風(fēng)杯的光電型風(fēng)速計。它通過統(tǒng)計單位時間脈沖數(shù)來測量風(fēng)速。首先齒盤可隨軸轉(zhuǎn)動，并安置于光電耦合器的發(fā)光管與光電三極管之間,光電耦合器裝于印制電路板上。轉(zhuǎn)盤有多個齒度,發(fā)光管LED 發(fā)射的光束因磁盤的轉(zhuǎn)動而被切割,光電三極管即產(chǎn)生脈沖輸出。當(dāng)光束被遮住是時輸出為低電平,這樣由于連續(xù)切割光束就可輸出一高一低的脈沖信號，且輸出頻率與風(fēng)速成正比[21]。圖32 　風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 風(fēng)向的測量風(fēng)向標(biāo)一般是由尾翼、指向桿、平衡錘以及旋轉(zhuǎn)主軸四部分組成的首尾不對稱的平衡裝置。其重心在支撐軸的軸心上，整個風(fēng)向標(biāo)可以繞垂直軸自由擺動。在風(fēng)的動壓力作用下，取得指向的來向的一個平衡位置，即為風(fēng)向的指示。傳送和指示風(fēng)向標(biāo)所在方位的方法有電觸點(diǎn)盤、環(huán)形電位、自整角機(jī)和光電碼盤四種類型，其中最常用的是碼盤。以WAV15為例，它也是光電型傳感器,由單風(fēng)標(biāo)、格雷碼盤、光電組件組成,紅外LED 和光電三極管分別安裝于6 位格雷碼盤上下兩側(cè)的6 個窩型孔內(nèi)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動時,通過其軸帶動軸下端固定著的格雷碼盤,在光電組件的狹縫中轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的光電信號經(jīng)放大整形后,輸出對應(yīng)當(dāng)時風(fēng)向的幅度為12V的六位格雷碼(每位格雷碼只有電平高低的區(qū)別,習(xí)慣上高電平為1 ,低電平為0) ,轉(zhuǎn)動時風(fēng)向信號以516度的分辨率為步進(jìn)變化。測量范圍為0～360176。,64 個方位,[22] 。 圖33　風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 偏航保護(hù)有時機(jī)艙可能長時間向一個風(fēng)向偏航數(shù)圈，這樣會造成電纜的纏繞，如果旋轉(zhuǎn)過多圈，電纜將會損壞。所以為了避免這樣的事故發(fā)生，偏航系統(tǒng)需要解纜系統(tǒng)。解纜系統(tǒng)分為解纜傳感器控制的自動解纜和紐纜開關(guān)控制的安全鏈保護(hù)兩種。解纜傳感器安裝在機(jī)艙底部，通過一個尼龍齒輪與偏航大齒圈嚙合，這樣在偏航過程中，尼龍齒輪也一起轉(zhuǎn)動。傳感器內(nèi)部設(shè)有微處理器和增量式編碼器，對尼龍齒輪旋轉(zhuǎn)齒數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計與判斷是否需要解纜，向哪個方向解纜以及何時停止解纜等。若控制系統(tǒng)沒有自動進(jìn)行解纜，當(dāng)電纜纏繞達(dá)到允許的極限時，觸發(fā)紐纜開關(guān)的安全鏈保護(hù)，機(jī)組緊急停機(jī)，等待人工處理[23]。電路設(shè)計見附錄一。 本章小結(jié)本章介紹了偏航系統(tǒng)硬件的部件組成。以PLC為控制單位設(shè)計了偏航系統(tǒng)電路圖，該線路設(shè)計考慮到了左右偏航驅(qū)動互鎖、手自動切換、左右偏航極限位置保護(hù)。第4章 偏航系統(tǒng)控制編程 程序本體流程風(fēng)電機(jī)組的偏航控制主要完成兩個功能：（1）使風(fēng)輪跟蹤方向變化，利于最大風(fēng)能的捕獲；（2）當(dāng)機(jī)艙內(nèi)的電纜發(fā)生纏繞時自動解纜。偏航控制系統(tǒng)框圖如圖41 所示。風(fēng)力機(jī)放大器偏航機(jī)構(gòu)控制器風(fēng)向信號偏航計數(shù) 監(jiān)測元件 風(fēng)輪軸方向圖41 偏航控制系統(tǒng)框圖風(fēng)機(jī)上裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時，控制器開始計時，這種方向偏差達(dá)到一定的時間后，才認(rèn)為風(fēng)向確實(shí)改變，由控制器發(fā)出向左或者向右偏航的指令，直到方向偏差消除。偏航角度大小的檢測通過安裝在機(jī)艙內(nèi)的角度編碼器實(shí)現(xiàn)。作為角度編碼器失效的后備措施，在由機(jī)艙引入塔架的電纜上安裝有行程開關(guān)，電纜纏繞達(dá)到一定程度，行程開關(guān)動作，控制器檢測到該信號會啟動相應(yīng)的處理程序。在風(fēng)電機(jī)組工作時，如果向一個方向偏航的角度過大，將使由機(jī)艙引入塔架的各類電纜發(fā)生纏繞，影響整個發(fā)電機(jī)組的正常工作。因此當(dāng)偏航角度累計達(dá)到1080176。時，需要啟動自動解纜控制程序，通過偏航調(diào)節(jié)使整個機(jī)艙回轉(zhuǎn)1080176。，完成解纜。解纜完成后，發(fā)電機(jī)組再進(jìn)入正常發(fā)電的工作狀態(tài)[24]。風(fēng)電機(jī)組無論處于運(yùn)行狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)均可以主動對風(fēng)。當(dāng)緊急停車時，需要通過偏航調(diào)節(jié)使機(jī)艙經(jīng)過最短的路徑與風(fēng)向成90176。夾角。為了實(shí)現(xiàn)這樣的伺服控制，通過對整個偏航系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行分析。偏航系統(tǒng)的控制過程可以分為：自動解纜、人工偏航、自動對風(fēng)，如下圖所示。開始延時自動偏航人工偏航自動解纜 N N 執(zhí)行人工偏航執(zhí)行自動解纜 Y Y Y執(zhí)行自動偏航 結(jié)束圖42 偏航程序流程圖此處先定義風(fēng)向角和偏航角：風(fēng)向角 α 的范圍是180176。~180176。，定義正北方向為風(fēng)向角0176。方向。風(fēng)向從正北方向順時針變化時，風(fēng)向角正向增加，正南方向為180176。方向；風(fēng)向從正北方向逆時針變化時，風(fēng)向角反向增加，正南方向為180176。方向。偏航角 γ 的范圍是1080176。~1080176。，同樣定義正北方向為偏航角0176。方向。風(fēng)輪主軸順時針旋轉(zhuǎn)時，偏航角正向增加；風(fēng)輪主軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，偏航角反向增加[25]。風(fēng)向角和偏航角的定義如圖43所示圖43 風(fēng)向角和偏航角風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)工作原理是通過測風(fēng)傳感器檢測風(fēng)向、風(fēng)速，并將檢測到的風(fēng)向信號送到控制器。當(dāng)需要調(diào)整方向時，控制器發(fā)出信號給偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，使風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。 人工偏航控制人工偏航是指當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動偏航失效、人工解纜或者是在需要維修和時，通過人工送命令來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航的操作。人工偏航控制可通過硬件設(shè)計完成，具體實(shí)施方案參照上一章的電路設(shè)計圖。由于風(fēng)向的不確定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就需要經(jīng)常偏航對風(fēng)，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次向同一方向轉(zhuǎn)動，就會造成電纜纏繞、絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。當(dāng)風(fēng)機(jī)偏航超過3 圈（177。1080176。）時，運(yùn)行解纜控制程序，使風(fēng)機(jī)朝扭纜的相反方向偏航解纜，防止內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞。解纜子程序的優(yōu)先級高于偏航子程序[26]。無論是自動對風(fēng)程序還是自動解纜程序，對機(jī)艙位置的記錄都是不可或缺的一部分。通過在偏航齒圈旁安裝如圖瑣事的兩個位置傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對偏航角的測量。利用兩個位置傳感器錯開安裝的方式，安裝示意圖如圖44所示圖44 位置傳感器的安裝示意圖當(dāng)位置傳感器A和B掃描一個齒時，A和B的狀態(tài)會發(fā)生