【文章內(nèi)容簡介】 時， 402DI48 輸入高電平（四通道亮）。 液壓加熱器：溫控開關(guān)控制主回路通斷。 偏航系統(tǒng) 在不同的風(fēng)速條件下，偏航的動作方式不同，分為高風(fēng)速偏航和低風(fēng)速偏航。 高風(fēng)速下自動偏航： 60 秒平均風(fēng)速大于等于 9 m/s，觸發(fā)偏航程序的條件如下： 偏航對風(fēng) 60 秒平均偏差大于 8176。，延時 210s，風(fēng)機(jī)偏航。 偏航對風(fēng) 60 秒平均偏差大于 15176。，延時 20s，風(fēng)機(jī)偏航。 低風(fēng)速下自動偏航： 60 秒平均風(fēng)速小于 9 m/s，觸發(fā)偏航程序的條件如下： 偏航對風(fēng) 60 秒平均偏差大于 10176。，延時 250s，風(fēng)機(jī)偏航。 偏航對風(fēng) 60 秒平均偏差大于 18176。，延時 25s，風(fēng)機(jī)偏航 。 自動解纜條件： 風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)和非維護(hù)模式，同時不出現(xiàn)偏航和液壓故障； 判斷當(dāng)位置大于 580 或小于 580 時，向右或向左解纜動作。 解纜停止條件： 情況 1：偏航位置回到小于 360 度，對風(fēng)角度 (風(fēng)向標(biāo)數(shù)值與 180 度差值 ) 小于 30度； 情況 2：偏航位置小于 40 度。 偏航解纜后，風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本 次設(shè)計要求是設(shè)計一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)，主控制器為 PLC，主要完成的功能有風(fēng)車具有適應(yīng)風(fēng)向的功能、在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動超出設(shè)定 角度值時，具有自動解纜功能、能對風(fēng)力的大小進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。 根據(jù)設(shè)計的要求，主要設(shè)計內(nèi)容擬包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的偏航系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫度控制等。 本設(shè)計從工業(yè)實用角度出發(fā)，研究基于 PLC 的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。這就要求既要掌握 PLC 相關(guān)知識和特定 PLC 的編程語言，也要有懂得一定的風(fēng)力發(fā)電方面的知識。此外，還必須涉及硬件電路的設(shè)計，才能將 PLC 控制和風(fēng)力發(fā)電電路成功連接。 人機(jī)界面：輸入命令，變更參數(shù)；顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)各項數(shù)據(jù)參數(shù)和故障情況， 并對風(fēng)機(jī)進(jìn) 行控制。 數(shù)據(jù)采集：利用傳感器，風(fēng)向標(biāo)等檢測裝置對溫度、壓力、液位、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 偏航控制：根據(jù)風(fēng)向變化進(jìn)行偏航，解纜等，控制有四臺偏航電機(jī)。 齒輪箱控制：主要對齒輪箱溫度，油位，油泵等進(jìn)行控制。 液壓控制：制動機(jī)構(gòu)壓力保持；變槳系統(tǒng)壓力保持等。液壓系統(tǒng)主要為高速軸剎車和偏航剎車提供壓力。 溫度控制：對系統(tǒng)各個運(yùn)行機(jī)構(gòu)的溫度進(jìn)行控制，確保風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。 其他控制：照明、液壓、溫度、故障處理等控制 [15]。 PLC:選用 S7200CPU,EM22 EM22 EM23 EM235 等擴(kuò)展模塊。 系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。 P L CS 7 2 0 0人 機(jī) 界 面數(shù) 據(jù) 采 集偏 航 控 制齒 輪 箱 控 制液 壓 控 制溫 度 控 制其 他 控 制 圖 系統(tǒng)原理框圖 本章小結(jié) 本章介紹了總體設(shè)計思路和總體方案的確定。包括工作原理圖、工藝流程圖和系統(tǒng)示意圖。了解了系統(tǒng)設(shè)計的大概 內(nèi)容 ，對系統(tǒng)設(shè)計有了一個大概的認(rèn)識，為接下來的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 第 3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 PLC 概述 PLC 的發(fā)展歷程 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類機(jī)械的生產(chǎn)過程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。 PLC 技術(shù)隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，由最初的一位機(jī)發(fā)展為 8位機(jī)。隨著微處理器 CPU 和微型計算機(jī)技術(shù)在 PLC 中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的PLC。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和 32 位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PLC 得到了驚人得發(fā)展，事 PLC 在概念、設(shè)計、性能價格比以及應(yīng)用等方面都有了新的突破。不僅控制功能增強(qiáng)，功耗、體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且遠(yuǎn)程 I/0 和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及人機(jī)界面（ HMI）也有了長足的發(fā)展 [16]。現(xiàn)在 PLC 不僅能得心應(yīng)手的應(yīng)用于制造業(yè)自動化，而且還可以應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng)，所有這些已經(jīng)使之成為自動化技術(shù)領(lǐng)域的三大支柱之一，即使在現(xiàn)場總線技術(shù)成為自動化技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)的今天， PLC 仍然是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中不可缺少的控制器。 PLC 的工作原理 PLC 是一種工業(yè)控制計算機(jī)，它的工作原理是建立在計算機(jī)工作原理的基礎(chǔ)之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。 CPU 是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，計算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。 PLC 工作的整個過程可分為三部分： 第一部分是上電處理。機(jī)器上電后對 PLC 系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化， I/O 模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定，系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理等。第二部分是掃描過程。 PLC 上電處理階段完成以后進(jìn)入 掃描工作過程。第三部分是出錯處理。 PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動作是否正常， 如檢查出異常時， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼；當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時， CPU 被強(qiáng)制為 STOP 方式，所有的掃描便停止。概括而言， PLC 是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。每一次掃描所用的時間稱作掃描周期或工作周期。在一個掃描周期中， PLC 一般將完成部分或全部的以下操作： 讀輸入→處理通信請求→執(zhí)行邏輯控制程序→寫輸出執(zhí)行→ CPU 自診斷。當(dāng) PLC上電 后，處于正常運(yùn)行時，它將不斷重復(fù)掃描過程，并不斷循環(huán)重復(fù)下去。分析上述掃描過程，如果對遠(yuǎn)程 I/O、特殊模塊、更新時鐘和其他通信服務(wù)等枝葉的東西暫不考慮，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”和“輸出刷新”三個階段了。這三個階段是 PLC 工作過程的中心內(nèi)容，也是 PLC 工作原理的實質(zhì)所在。 (1) 輸入采樣階段 PLC 在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入相對應(yīng)的輸入映像寄存器中，此時輸入映像寄存器被刷新 [17]。接著系統(tǒng)進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與 外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的內(nèi)容。所以，一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，或者說輸入信號的頻率不能太高，否則很可能造成信號的丟失。 (2) 程序執(zhí)行階段 進(jìn)入 程序執(zhí)行階段 后，一般來說（因為還有子程序和中斷程序的情況）， PLC 按從左到右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 就從輸入映像寄存器中“讀入”對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件（“軟繼電器”）的當(dāng)前狀態(tài)。然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，最新 的運(yùn)算結(jié)果馬上再存入到相應(yīng)的元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而刷新。 (3) 輸出刷新階段 在用戶程序執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通∕斷開）在輸出刷新階段一起轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式集中輸出，最后經(jīng)過輸出端子驅(qū)動外部負(fù)載。在下一個輸出刷新階段開始之前，輸出鎖存器的狀態(tài)不會改變，從而相應(yīng)輸出端子的狀態(tài)也不會改變。 控制系統(tǒng)的 I/O 通道地址分配 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求， I/O 通道地址分配如表 所 示。 表 輸入輸出信號代碼和地址編號 名稱 代碼 地址編號 啟動按鈕 SF1 停止按鈕 SF2 維護(hù)按鈕 SF3 緊急停機(jī)按鈕 SF4 遠(yuǎn)程緊急停機(jī)按鈕 SF5 手動向左解纜 SF6 手動向右解纜 SF7 偏航左極限 BG1 偏航右極限 BG2 偏航左安全開關(guān) BG3 偏航右安全開關(guān) BG4 機(jī)艙照明開 SF8 機(jī)艙照明關(guān) SF9 塔筒照明開 SF10 塔筒照明關(guān) SF11 偏航減速器 1 QA1 偏航減速器 2 QA2 偏航電機(jī)正轉(zhuǎn) QA3 偏航電機(jī)反轉(zhuǎn) QA4 偏航減速器 3 QA5 偏航減速器 4 QA6 齒輪箱油泵 1 QA7 齒輪箱油泵 2 QA8 齒輪箱油泵 3 QA9 齒輪箱油泵加熱器 QA10 齒輪箱加熱器 QA11 齒輪箱空冷風(fēng)扇 1 QA12 齒輪箱空冷風(fēng)扇 2 QA13 齒輪箱空冷風(fēng)扇 3 QA14 齒輪箱水泵 QA15 發(fā)電機(jī)空冷風(fēng)扇 QA16 發(fā)電機(jī)加熱器 QA17 液壓泵 QA18 液壓油加熱器 QA19 機(jī)箱通風(fēng)風(fēng)扇 QA20 機(jī)箱加熱器 QA21 機(jī)艙照明 PG1 塔筒照明 PG2 啟動指示燈 PG3 運(yùn)行指示燈 PG4 停機(jī)指示燈 PG5 維護(hù)指示燈 PG6 軟起信號 QA22 模擬量輸入輸出信號 如表 。 表 模擬量輸入輸出信號代碼和地址編號表 序號 功能信號 序號 功能信號 AIW0 溫度 傳感器 1 輸入 AIW16 壓力傳感器 2 輸入 AIW2 溫度 傳感器 2 輸入 AIW18 液位傳感器 2 輸入 AIW4 溫度 傳感器 3 輸入 AIW20 位置傳感器輸入 AIW6 溫度 傳感器 4 輸入 AIW24 風(fēng)向傳感器 1 輸入 AIW8 速度傳感器 輸入 AIW26 風(fēng)向傳感器 2 輸入 AIW10 壓力傳感器 1 輸入 AIW28 風(fēng)速傳感器 1 輸入 AIW12 液位傳感器 1 輸入 AIW30 風(fēng)速傳感器 2 輸入 PLC 系統(tǒng)選型 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 本設(shè)計選擇了 Siemens 的模塊化中小型 PLC 系統(tǒng) S7200，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。其模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、和易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)使得 S7200 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的方案。 S7200 系列所具有的多種性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O 擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊。 當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時，可隨時使用附加的模塊對 PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。Siemens S7200 所具備的高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動，抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性 。 此外， S7200 系列 PLC 還具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。 與一般計算機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核 心，它按 PLC 中系統(tǒng)程序賦予的功能控制PLC 有條不紊的進(jìn)行工作 [18]。 CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元 。 S7200 系列 PLC 可提供五種不同的基本單元和多種規(guī)格的擴(kuò)展單元等。目前提供的 S7200 CPU 有：CPU22 CPU22 CPU22 CPU224XP、 CPU226 和 CPU226XM， CPU21X 系列產(chǎn)品現(xiàn)已被 CPU22X 完全取代。不同型號的 S7200 PLC CPU 性能差別較大，見表 所示。 表 S7200 系列 PLC CPU 型號表 特 性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224 XP CPU226 CPU226 XM 程序存儲區(qū) 4096B 4096B 8192B 12288B 16384B 24576B 數(shù)據(jù)存儲區(qū) 2048B 2048B 8192B 10240B 10240B 20480B 本機(jī) I/O 6 入 4 出 8 入 6 出 14 入 10 出 14 入 10 出 24 入 16 出 24 入 16 出 擴(kuò)展模塊數(shù) 0 2 7 7 7 7 本設(shè)計 選用 CPU224（ 14DI/10DO）。 CPU224 的外圍接線圖如圖 所示。 擴(kuò)展模塊選型 數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 EM222 本設(shè)計選用的數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊 EM222 為 8 路輸出，輸出類型為繼電器、干觸點(diǎn)。 C P U