【導(dǎo)讀】在某種意義上講，人類社會(huì)的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使用。風(fēng)能作為一種可持續(xù)發(fā)展的新能源，不僅可以節(jié)約常規(guī)能源，而。且減少環(huán)境污染，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，越來越受到各國的重視。非線性不確定系統(tǒng)，因此，控制技術(shù)是機(jī)組安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。偏航控制系統(tǒng)成為水。平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成部分。前者多用于小型的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由。尾舵控制，風(fēng)向改變時(shí)，被動(dòng)對(duì)風(fēng)。后者則多用大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由位于下風(fēng)。向的風(fēng)向標(biāo)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)對(duì)風(fēng)控制。本文在介紹風(fēng)力機(jī)的偏航控制機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用PLC作為主控單元，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，采取邏輯控。制主動(dòng)對(duì)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)過程可控。

　　

【正文】 微處理器，微處理器計(jì)算出風(fēng)向信號(hào)與機(jī)艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機(jī)艙方向以及朝哪個(gè)方向調(diào)整能盡快對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，微處理器發(fā)出一定的信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的。 偏航系統(tǒng)控制過程分析 自動(dòng)偏航 為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的功率最大，發(fā)揮最大效能，機(jī)艙必須準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)；因此必須使葉輪法線方向與風(fēng)向基本一致。當(dāng)風(fēng)向改變，超過允許誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)出自動(dòng)偏航指 令，傳感器和偏航電機(jī)組成的對(duì)風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作，使機(jī)艙準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)。 在實(shí)際的偏航控制中，帶有解纜傳感器的自動(dòng)偏航控制過程分析：連續(xù)一段時(shí)間檢測(cè)風(fēng)向情況；根據(jù)自動(dòng)偏航風(fēng)向標(biāo)傳感器 ASS 信號(hào)給出偏航控制指令。當(dāng) ASS=00 時(shí)，表明機(jī)艙己處于對(duì)風(fēng)位置；若 ASS=11，則表明進(jìn)行的是鈍角偏航，為了有效地防止電纜纏繞，讀上次鈍角偏航方向并取其反方向，記錄此次偏航方向；若 ASS=01，設(shè)置偏航電機(jī)正轉(zhuǎn)，若 ASS＝ 10，設(shè)置偏航電機(jī)反轉(zhuǎn)；偏航電機(jī)工作后啟動(dòng)偏航計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，控制偏航電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間，再判斷 ASS 是否為 00，若 ASS=00，表明機(jī)艙已對(duì)風(fēng)，否則判斷計(jì)時(shí)時(shí)間是否超過偏轉(zhuǎn) 360 度所需時(shí)間，若計(jì)時(shí)時(shí)間超過偏轉(zhuǎn) 360 度所需時(shí)間偏航電機(jī)仍未停止工作，則停止偏航，向中心控制器發(fā)出安全停機(jī)信號(hào)和風(fēng)向標(biāo)故障信號(hào)。若 ASS＝ 00，偏航計(jì)時(shí)時(shí)間不超過偏轉(zhuǎn) 360 度所需時(shí)間時(shí)，控制偏航電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到 ASS=00，向中心控制器發(fā)出自動(dòng)偏航完成信號(hào)并復(fù)位自動(dòng)偏航標(biāo)志位。自動(dòng)偏航傳感器 ASS 狀態(tài)示意圖，如圖 所示，參數(shù)說明和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如表 所示。 運(yùn) 行 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 風(fēng)速 和 風(fēng) 向自 動(dòng) 偏 航 還 是 手 動(dòng) 偏 航 ?風(fēng) 速 超 過 4 m / s ？左 偏 航 = 1 并 且 右 偏 航 = 1 ？計(jì) 算 風(fēng) 向 角 與 偏 航角 的 角 度 差 θ左 偏 航 = 左 偏 航 手 動(dòng) 信 號(hào)右 偏 航 = 右 偏 航 手 動(dòng) 信 號(hào)θ 超 過 允 許 值 θ 1？偏 航 電 機(jī) 運(yùn) 行左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0YYNY自動(dòng)偏航手 動(dòng)偏 航Y(jié)NNY開 始θ ＞ = 0 ？θ ＞ = 允 許 的 角 度 差 θ 2？ θ ＜ = 允 許 的 角 度 差 θ 2* （ 1 ） ？左 偏 航 = 0右 偏 航 = 1左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 1右 偏 航 = 0YNYNYN 圖 自 動(dòng)偏航傳感器狀態(tài)示意圖（虛線表示風(fēng)向標(biāo) 0 度位置） 24 表 自動(dòng)偏航傳感器 ASS 說明和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài) ASS 設(shè)置 電機(jī)狀態(tài) 00 已對(duì)風(fēng) 停止 01 銳角偏航 偏航電機(jī)正轉(zhuǎn) 10 銳角偏航 偏航電機(jī)反轉(zhuǎn) 11 鈍角偏航 視上次偏航情況 自動(dòng)解纜 自然界中的風(fēng)是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風(fēng)向是不定的。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(duì)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(huì)隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而扭轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)造成電纜纏繞，絞死，甚 至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要解纜時(shí)的纏繞圈數(shù)都有其規(guī)定。當(dāng)達(dá)到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)解纜，此時(shí)啟動(dòng)偏航電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞圈數(shù)解纜，將機(jī)艙返回電纜無纏繞位置。若因故障，自動(dòng)解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也規(guī)定了一個(gè)極值圈數(shù)，在紐纜達(dá)到極值圈數(shù)左右時(shí)，紐纜開關(guān)動(dòng)作，報(bào)紐纜故障，停機(jī)等待人工解纜。在自動(dòng)解纜過程中，必須屏蔽自動(dòng)偏航動(dòng)作。 自動(dòng)解纜包括計(jì)算機(jī)控制的凸輪自動(dòng)解纜和紐纜開關(guān)控制的安全鏈動(dòng)作計(jì)算機(jī)報(bào)警兩部分，以保證風(fēng)電機(jī)組安全。 凸輪控制的自動(dòng)解纜過程如下 :根據(jù)角度傳感器 CW 和 CCW 所記錄的偏轉(zhuǎn)角度情況，確定順時(shí)針解纜還是逆時(shí)針解纜。首先松偏航閘，封鎖傳感器故障的報(bào)告，當(dāng)需要解纜且記錄 CW 為 1 時(shí)，控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)需要解纜且記錄 CCW 為 1 時(shí)，控制偏轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。在此過程中同時(shí)檢測(cè)偏航中心傳感器信號(hào)，直到偏航傳感器中心信號(hào)為 0，則結(jié)束解纜；此時(shí)停止偏航電機(jī)工作，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，向中心控制器發(fā)出自動(dòng)解纜完成信號(hào)。紐纜開關(guān)控制的安全鏈保護(hù)；若凸輪控制的自動(dòng)解纜未能執(zhí)行，則紐纜情況可能會(huì)更加嚴(yán)重，當(dāng)紐纜達(dá)到極值圈數(shù)時(shí)（比如設(shè)定 3 圈），紐纜開關(guān)將動(dòng)作，此開關(guān)動(dòng)作將會(huì)觸發(fā)安全鏈動(dòng)作，向中心控制 器發(fā)出緊急停機(jī)信號(hào)和不可自復(fù)故障信號(hào)，等待進(jìn)行人工解纜操作 。 阻尼剎車 為了保證剎車過程的穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航系統(tǒng)中的阻尼剎車裝置都是成對(duì)對(duì)稱分布的，至少有兩組四個(gè)剎車盤組成。 阻尼剎車的工作過程：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)收到偏航指令時(shí)，剎車機(jī)構(gòu)動(dòng)作。根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向及偏航系統(tǒng)調(diào)向的速度，來確定阻尼力矩的大小。阻尼力矩大小的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié) 25 比例閥的開度的大小，從而調(diào)節(jié)液壓流量的大小和液壓力的大小。液壓力的大小的改變同時(shí)也改變了剎車力矩的大小，剎車力矩的大小的變化也就反映了阻尼力矩的大小的變化。 偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 運(yùn) 行 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 風(fēng)速 和 風(fēng) 向自 動(dòng) 偏 航 還 是 手 動(dòng) 偏 航 ?風(fēng) 速 超 過 4 m / s ？左 偏 航 = 1 并 且 右 偏 航 = 1 ？計(jì) 算 風(fēng) 向 角 與 偏 航角 的 角 度 差 θ左 偏 航 = 左 偏 航 手 動(dòng) 信 號(hào)右 偏 航 = 右 偏 航 手 動(dòng) 信 號(hào)θ 超 過 允 許 值 θ 1 ？偏 航 電 機(jī) 運(yùn) 行左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0YYNY自動(dòng)偏航手 動(dòng)偏 航Y(jié)NNY開 始θ ＞ = 0 ？θ ＞ = 允 許 的 角 度 差 θ 2 ？ θ ＜ = 允 許 的 角 度 差 θ 2 * （ 1 ） ？左 偏 航 = 0右 偏 航 = 1左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0左 偏 航 = 1右 偏 航 = 0YNYNYN 圖 偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 如圖 所示偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖，首先，通過 EWind Turbine 采集風(fēng)速和風(fēng)向；然后，判斷是采用手動(dòng)偏航還是自動(dòng)偏航；如果是采用手動(dòng)偏航，在確定是左偏航還是右偏航；如果是采用自動(dòng)偏航的話，當(dāng)風(fēng)速超過 4m/s，計(jì)算風(fēng)向角與偏航角的差，再判斷是否偏航，最后，確定是左偏航還是右偏航。 解纜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 如圖 所示解纜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖，首先，監(jiān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向；然后 ，再判斷偏航幾圈，超過 5 圈則手動(dòng)偏航；超過 3 圈但不到 5 圈的則自動(dòng)偏航；不到 3 圈則不用偏航。 26 運(yùn) 行 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 風(fēng)速 和 風(fēng) 向偏 航 角 = 1 8 0 0 ？偏 航 角 = 1 8 0 0 ？偏 航 角 ＜ = 1 0 8 0 ？偏 航 角 ＞ = 1 0 8 0 ？正 常 停 機(jī)正 常 停 機(jī)手 動(dòng) 左 偏 航手 動(dòng) 右 偏 航Y(jié)Y開 始自 動(dòng) 左 偏 航自 動(dòng) 右 偏 航Y(jié)NNNY左 偏 航 = 0右 偏 航 = 0N 圖 解纜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 與組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)主要用于對(duì)偏航系統(tǒng)的控制 ,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于PROFIBUS 一 DP 網(wǎng)絡(luò) ,采用可編程控制器 PLC300 和上位機(jī)兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)： PLC300 通過PROFIBUS 一 DP 網(wǎng)絡(luò)控制偏航系統(tǒng)，上位機(jī)組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控偏航系統(tǒng)運(yùn)行；組態(tài)王可通過 MPI 或 TCP/IP 與 PLC 通訊 ,本試驗(yàn)臺(tái)選用 TCP/IP 通訊方式，上位機(jī)組態(tài)王還可通過 OPC 與風(fēng)電偏航系統(tǒng)在線監(jiān)控系統(tǒng)通訊 ,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。 國際電工委員會(huì)（ IEC）對(duì)可編程序控制器的定義為：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 定義強(qiáng)調(diào)了 PLC 直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境， 具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這是區(qū)別于一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。這也是本課題選用 PLC 作為控制系統(tǒng)的重要原因。 PLC 的主要功能： （ 1）開關(guān)量（數(shù)字量）控制 這是 PLC 最基本的功能。 PLC 具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單和復(fù) 27 雜的邏輯控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。 （ 2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。而 PLC 中的微處理器 CPU 只能處理數(shù)字量。所以 PLC 中配置了 A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換模塊，把 現(xiàn)場(chǎng)輸入的模擬量經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送 CPU 處理。而 CPU 處理數(shù)字量結(jié)果，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備，以完成對(duì)連續(xù)量的控制。 （ 3）定時(shí)監(jiān)控 PLC 具有定時(shí)控制的功能，它為用戶提供了若干個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器的時(shí)間可以由用戶在編寫用戶程序時(shí)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)定時(shí)或延時(shí)的控制。 （ 4）計(jì)數(shù)控制 PLC 具有計(jì)數(shù)控制的功能，它為用戶提供了若干個(gè)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以由用戶在編寫用戶程序時(shí)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)控制。 （ 5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)據(jù)處理的能力。它不僅能進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算（包括四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù) 運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算以及求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等）和數(shù)據(jù)傳送，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)通信等。 （ 6）通信和聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)代 PLC 具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，它既可以對(duì)遠(yuǎn)程 I/O 進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn) PLC 與 PLC、 PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通信，從而構(gòu)成 “集中管理、分散控制 ”的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。 PLC300 CPU315 一 PN/DP 型 PLC300 具有中等規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和程序框架 ,對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力 ,與集中式 1/0 和分布式 UO 一起使用 ,可用 作生產(chǎn)線上的中央控制器 ,集成的 PROFINET 接口 ,組合了 MPI/PROFIBUS 一 DP 主 /從接口 ,在PROFINET 上實(shí)現(xiàn)基于組件的自動(dòng)化 ,PROFINET 代理 ,用于基于組件的自動(dòng)化 (CBA)中的 PROFIBUs 一 DP 智能設(shè)備 ,PROFINET1/0 控制器 ,用于在 PROFINET 上運(yùn)行分布式1/0,CPU 運(yùn)行需要微存儲(chǔ)卡 (MMC)。 PROFIBUS 一 DP PROFIBUS 是國際化和開放式的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線。它廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化。用國際標(biāo)準(zhǔn) EN50170 和 IEC6ll58 來保證其中立性和 開放性，可分為 PROFIBUS 一DP,PROFIBUS 一 PA,PROFIBUS 一 FMS 三種。其中 PROFIBUS 一 DP 應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí) ,它是一種高速低成本通信 ,用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式 1/0 之間的通訊 PROFIBUS 主要使用主一從方式 ,周期性地與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 但經(jīng)過改進(jìn) ,現(xiàn)在擴(kuò)展的PROFIBUS 一 DP 除周期型數(shù)據(jù)傳送外 ,也具有非周期型數(shù)據(jù)傳送同時(shí)進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)傳送和報(bào)警過程功能 主站決定在總線上的數(shù)據(jù)傳送而且也被設(shè)計(jì)作為主動(dòng)結(jié)點(diǎn)。有兩種類型 :第 1 類 DP 一主站 (DPMI)是一些中心站 ,按規(guī)定的通訊周 期與從站交換信息。第 2 類 28 DP 一主站 (DPM2)這類站點(diǎn)主要是一些編程 ,計(jì)劃及監(jiān)控站點(diǎn) ,主要用于配置、啟動(dòng)及運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。從站僅能在主站要求時(shí)確認(rèn)所接收或發(fā)送的信息 ,從站也能夠被設(shè)計(jì)作為被動(dòng)結(jié)點(diǎn)。如圖 所示 PROFIBUS—DP 實(shí)物圖，如圖 所示實(shí)驗(yàn)實(shí)物連接圖。 圖 PROFIBUS—DP 實(shí)物圖 圖 實(shí)驗(yàn)實(shí)物連接圖 29 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng) 組態(tài)王簡(jiǎn)介 組態(tài)王軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它最大的亮點(diǎn)在于可視化的操作界面；自動(dòng)建立 I/O 點(diǎn)；分布式存儲(chǔ)報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)； 設(shè)備能力強(qiáng)，可連接幾乎所有設(shè)備和系統(tǒng)。 組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器（ Project Manage）、工程瀏覽器（ TouchExplorer）及運(yùn)行系統(tǒng)（ TouchVew）三部分構(gòu)成。 工程管理器：用于創(chuàng)建工程、備份和恢復(fù)工程以及數(shù)據(jù)詞典的管理 工程瀏覽器：是工程開發(fā)設(shè)計(jì)的工具，在工程瀏覽器中可以繪制工程界面、制作動(dòng)畫、編寫命令語言以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、配方、報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)等工程元素的制作與管理。 運(yùn)行系統(tǒng)：工程的運(yùn)行界面。工程瀏覽器中設(shè)計(jì)開發(fā)的畫面工程在運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。 組態(tài)王軟件作為一 個(gè)開放型的通用工業(yè)監(jiān)控軟件，支持國內(nèi)外常見的 PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、板卡等上千種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。它可以通過常規(guī)通信接口實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與其它工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。