【正文】 司研制成功，配給美國通用汽車公司在汽車自動(dòng)組裝線上進(jìn)行控制管理操作，結(jié)果非常成功。他的設(shè)計(jì)理念是用于汽車制造流水線的需要，使用一種新型的控制器來代替那時(shí)廣泛使用于工業(yè)中的繼電器來控制整個(gè)流程的進(jìn)行。4 可編程控制器及控制程序 可編程控制器簡(jiǎn)介可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱為PLC。提出對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的方案相匹配的電氣元件，并對(duì)對(duì)它們進(jìn)行選型。在發(fā)電機(jī)處可以選用型號(hào)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。選用繼電器型號(hào)為LCD84發(fā)電機(jī)差動(dòng)型，它適應(yīng)于大型交流發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)電路中。選用西門子的3TB系列接觸器。區(qū)間機(jī)艙溫控運(yùn)行標(biāo)志位塔架內(nèi)部溫控運(yùn)行標(biāo)志位變壓器運(yùn)行標(biāo)志位變壓器停止運(yùn)行標(biāo)志位PLC運(yùn)行時(shí)這一位始終為1，是常ON繼電器PLC首次掃描時(shí)為1，一個(gè)掃描周期。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在205176。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在195176。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在189176。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在171176。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在165176。區(qū)間風(fēng)向參數(shù)在155176。表32 存儲(chǔ)器注釋表存儲(chǔ)器名稱注 釋風(fēng)速參數(shù)大于3m/s風(fēng)速參數(shù)大于15m/s風(fēng)向參數(shù)在145176。（3）傳感器、繼電器的選擇：風(fēng)速風(fēng)向傳感器使用PH100SX型號(hào)[12]。型號(hào)：YLJW系列力矩三相異步電動(dòng)機(jī)。型號(hào)：MQAEJ系列電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。型號(hào)：YRKF5004（空空冷式雙饋異步發(fā)電機(jī)）。 其他器件的選型風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中所需用到了一些電氣元件有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、傳感器、表31 I/O地址分配表分類名稱數(shù)據(jù)類型I/O口地址輸入系統(tǒng)總啟動(dòng)BOOL變壓器啟動(dòng)BOOL變壓器停止BOOL機(jī)艙溫控系統(tǒng)啟動(dòng)BOOL機(jī)艙溫控系統(tǒng)停止BOOL機(jī)艙溫控系統(tǒng)急停BOOL塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)啟動(dòng)BOOL塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)停止BOOL塔架內(nèi)部溫控系統(tǒng)急停BOOL溫度控制系統(tǒng)總啟動(dòng)BOOL溫度控制系統(tǒng)總停止BOOL輸出系統(tǒng)啟動(dòng)顯示燈BOOL發(fā)電機(jī)啟動(dòng)BOOL向左偏航BOOL向右偏航BOOL合適風(fēng)向顯示燈BOOL風(fēng)速過大警報(bào)顯示燈BOOL機(jī)艙電動(dòng)機(jī)BOOL塔架內(nèi)部電動(dòng)機(jī)BOOL溫控進(jìn)氣閥進(jìn)氣BOOL變壓器運(yùn)行BOOL變壓器停運(yùn)BOOLEM231風(fēng)速WORDAIW0風(fēng)向WORDAIW2機(jī)艙溫度WORDAIW4塔架內(nèi)部溫度WORDAIW6EM232機(jī)艙進(jìn)氣閥進(jìn)氣WORDAQW0塔架內(nèi)部進(jìn)氣閥進(jìn)氣WORDAQW2繼電器、接觸器和熔斷器等。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)。西門子S7200提供外接擴(kuò)展模擬量輸入輸出模塊。選擇西門子S7200CPU226型號(hào)，有24點(diǎn)開關(guān)量輸入，16點(diǎn)開關(guān)量輸出，6個(gè)計(jì)數(shù)器，擴(kuò)展輸入/輸出模板數(shù)量為7個(gè)。根據(jù)控制規(guī)模的大小，即輸入/輸出點(diǎn)的多少，選擇相應(yīng)的CPU型號(hào)。整體式PLC將CPU、輸入/輸出口與電源裝備在一個(gè)箱型機(jī)殼內(nèi)。表32是與風(fēng)力發(fā)電控制程序相關(guān)的存儲(chǔ)器注釋內(nèi)容。 I/O地址分配與電氣元件選型 I/0地址分配根據(jù)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制流程圖的要求，可以設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸入模塊EM231模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，擴(kuò)展模擬量輸出模塊EM232模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為2個(gè)。所以在這一模塊中，變壓器的運(yùn)行和停止分別需要兩個(gè)開關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)。變壓器運(yùn)作的條件是在變壓器啟動(dòng)按鈕按下時(shí)此時(shí)發(fā)電機(jī)正在運(yùn)作狀態(tài)，若無第二個(gè)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(yùn)行的條件下按下啟動(dòng)按鈕，變壓器則會(huì)工作。（4）變壓器控制模塊在變壓器控制系統(tǒng)中，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的高壓（此電壓為傳輸?shù)礁邏狠旊娋€路的高電壓）。進(jìn)氣閥有三個(gè)按鈕，分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕。在這個(gè)溫控系統(tǒng)中，我們需要兩個(gè)測(cè)溫模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要冷卻機(jī)工作輸送冷氣流的模擬量輸入點(diǎn)，兩個(gè)需要排氣閥排出氣流的模擬量輸出點(diǎn)。具體流程是：?jiǎn)?dòng)送風(fēng)電動(dòng)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(shí)間關(guān)閉閘門；控制室內(nèi)溫度時(shí)滿1小時(shí)后進(jìn)行排氣；按下停止按鈕后，關(guān)閉送分電動(dòng)機(jī)和排氣閘門。因?yàn)榇嬖诳刂破鳌⒂?jì)算機(jī)系統(tǒng)、變壓器等各類重要的電力設(shè)備，所以控制塔架內(nèi)溫度是十分必要的。塔架內(nèi)部配置控制器，還必須放置變壓器和線纜將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中很重要的組成部分，假若溫度過高將會(huì)影響發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等重要元器件的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至燒壞電纜，毀壞電機(jī)。只要啟動(dòng)溫控系統(tǒng)，進(jìn)氣閥就會(huì)放冷氣流進(jìn)入降溫，檢測(cè)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?！?。圖 39 溫控PID參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖 在這個(gè)溫度控制系統(tǒng)中，機(jī)艙和塔架內(nèi)部的溫度設(shè)定值、增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間和微分時(shí)間都已在程序中設(shè)定。通常使用PI控制方式。消除了偏差，輸出停止變化。逐步減小積分時(shí)間，積分作用由弱變強(qiáng)，消除余差的能力由弱變強(qiáng)。但余差比較大。在測(cè)試比例系數(shù)Kc時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系數(shù)越小，響應(yīng)曲線反應(yīng)越快，超調(diào)量越小，過渡過程越平穩(wěn)，但余差變大。首先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)湊試直至獲得滿意的控制效果。P(k)KC*Et=0t()積分時(shí)間P(k)Td*Et=0t()微分時(shí)間第三進(jìn)行是微分環(huán)節(jié)。將第一個(gè)步驟中選擇的比例系數(shù)減少到原來的50%80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。E(k)Et=0t()P(k)KC*Et=0t()(a)偏差階躍變化 (b)比例整定作用圖 36 偏差階躍變化經(jīng)比例整定圖第二進(jìn)行整定積分環(huán)節(jié)。第一進(jìn)行整定比例控制。實(shí)驗(yàn)湊試法是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)曲線，從而確定PID控制參數(shù)。直觀而言，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就已經(jīng)消除偏差。積分系數(shù)TI使得系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無靜差跟蹤。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(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)[9]。本文中，溫度控制模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)將采用PID控制。這一過程中，被控對(duì)象為機(jī)艙的溫度[8]。其中偏航電機(jī)的工作是根據(jù)不同的風(fēng)向夾角度，控制電機(jī)向左或向右持續(xù)偏轉(zhuǎn)一定時(shí)間，使風(fēng)向夾角度保持在一定的角度范圍內(nèi)。大約需要30秒，這是由電動(dòng)機(jī)的工作頻率與齒輪的齒數(shù)決定的[8]。之間，向左偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒。205176。195176。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作20秒。之間，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作50秒，當(dāng)角度在165176。時(shí)，向右偏航電機(jī)將連續(xù)工作90秒，當(dāng)角度在155176。之間屬于測(cè)量傳感器誤差范圍內(nèi)，偏航系統(tǒng)將不做任何控制動(dòng)作。時(shí)，表明機(jī)艙位置已對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，在171176。電機(jī)接電源后，制動(dòng)裝置的整流器也隨之接通電源，線圈通電產(chǎn)生磁力吸引銜鐵進(jìn)行制動(dòng)，經(jīng)過摩擦力矩的阻礙，電動(dòng)機(jī)即會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。使得機(jī)艙能夠準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)[7]。因此確定對(duì)風(fēng)目標(biāo)為風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面與風(fēng)向垂直。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(duì)準(zhǔn)實(shí)時(shí)風(fēng)向。215176。偏航控制系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)功能。偏航控制系統(tǒng)的工作原理是通過風(fēng)向傳感器檢測(cè)外界風(fēng)向，將風(fēng)向模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換后傳遞給PLC，PLC內(nèi)部計(jì)算風(fēng)向的夾角，與參定值進(jìn)行比較是否達(dá)到要求，不符要求的話調(diào)整航向，PLC需要發(fā)出信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)變角度使之達(dá)到最佳的角度，從而使風(fēng)能的吸收率最大化[6]。其中風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航是偏航控制最主要的內(nèi)容。通常風(fēng)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)有三種控制方式：風(fēng)向標(biāo)控制的迎風(fēng)自動(dòng)偏航、風(fēng)向標(biāo)控制90176。偏航控制機(jī)構(gòu)用于控制風(fēng)輪機(jī)葉片跟隨風(fēng)向的變化而變化；偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用于驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)運(yùn)作，停止的，它包含有偏航驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置以及偏航軸承。風(fēng)速傳感器采集了外界風(fēng)速模擬值，將風(fēng)速反饋給PLC，假如風(fēng)速過大，不符合發(fā)電的風(fēng)速要求，若風(fēng)速太大或者太小，不穩(wěn)定狀況時(shí)，PLC則可以向工作人員報(bào)警，工作人員可以選擇手動(dòng)停機(jī)；假如風(fēng)速在合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)則啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并在此時(shí)發(fā)電機(jī)信號(hào)燈顯示發(fā)電機(jī)在工作，系統(tǒng)信號(hào)燈顯示表示系統(tǒng)運(yùn)行。下來具體說明每個(gè)模塊的主要功能、控制過程以及控制流程圖。最后是變壓器的控制。首先是偏航自動(dòng)控制，由于風(fēng)向不同導(dǎo)致風(fēng)能吸收率下降，控制航向使風(fēng)輪機(jī)頭部隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以防止繞纜的危險(xiǎn)；然后是溫度模糊控制，控制對(duì)象是機(jī)艙和塔架內(nèi)部這兩部分使溫度保持在恒定數(shù)值。主要流程如下：?jiǎn)?dòng)后PLC開始初始化，用風(fēng)速傳感器檢測(cè)外界風(fēng)力的大小，在發(fā)電允許范圍內(nèi)將控制發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)速檢測(cè)值過大，則要報(bào)警并且進(jìn)行手動(dòng)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(shí)間檢測(cè)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(yùn)行狀態(tài)來控制變壓器的啟動(dòng)與停止。了解該設(shè)計(jì)所需用到的電器元件，對(duì)各種元件進(jìn)行選型。據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本文將對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)控制，偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進(jìn)行研究。一般設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備如果遇到突發(fā)情況，沙塵暴或是暴風(fēng)，風(fēng)速突然加大，測(cè)速傳感器要及時(shí)傳送模擬量，經(jīng)PLC分析后立即做出停機(jī)措施?？刂品矫娴墓ぷ髟砑斑^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(cè)速傳感器感知到風(fēng)速模擬信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，不在參數(shù)范圍內(nèi)則報(bào)警手動(dòng)停機(jī)。最后還介紹了相關(guān)的風(fēng)能理論知識(shí)。氣體密度和速度都隨著海拔高度的變化而變化。mv2=189。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(dòng)能為：E=189。瞬時(shí)風(fēng)速V用平均風(fēng)速Vm加上風(fēng)的波動(dòng)分v來表示：V=Vm+v （） 風(fēng)速為v，當(dāng)風(fēng)吹過葉輪時(shí)，葉輪受力轉(zhuǎn)動(dòng)。圖23 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 風(fēng)能理論簡(jiǎn)介 風(fēng)速和風(fēng)能瞬時(shí)風(fēng)速是指風(fēng)速的瞬時(shí)值[8]?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器，微機(jī)處理器，編程控制器，軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。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。塔架的幾種基本形式：?jiǎn)喂芾€式，衍架拉線式，衍架式和錐筒式。塔架內(nèi)部配置線纜還必須將發(fā)電機(jī)運(yùn)作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。它的作用是調(diào)控葉片隨著風(fēng)向變化而變化，快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，以便風(fēng)機(jī)獲得最大的風(fēng)能；當(dāng)機(jī)艙內(nèi)引出電纜發(fā)生纏繞時(shí)，它會(huì)自動(dòng)解纜。圖22展示了齒輪箱的樣式。齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在機(jī)艙內(nèi)安裝空間小，由于外界工作環(huán)境惡劣，常有強(qiáng)風(fēng)沖擊，維修檢查顯得十分困難，所以齒輪箱材料和可靠性要求比較高。 齒輪箱也是風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，它的作用是在風(fēng)電機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速，而發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)作時(shí)，使兩者實(shí)現(xiàn)工作的匹配。 發(fā)電機(jī)是將傳動(dòng)軸傳給的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝備。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(dòng)加速。機(jī)艙的左邊是風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子（葉片與風(fēng)輪軸）。它還需要承受所受外力作用（靜負(fù)載和動(dòng)負(fù)載），機(jī)艙罩材料應(yīng)具高強(qiáng)度高硬度，表面光滑，均勻厚度，無層件剝離等特點(diǎn)。此外風(fēng)輪機(jī)構(gòu)組件還包括變漿機(jī)構(gòu)，它是根據(jù)風(fēng)速的變化來調(diào)節(jié)槳距角，用以風(fēng)電機(jī)保持高效率的輸出功率。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。輪轂有固定式和鉸鏈?zhǔn)絻煞N。輪轂是將葉片和葉片組固定到主轉(zhuǎn)軸上的裝置。一般葉片具有高硬度，高強(qiáng)度，低密度等特點(diǎn)。而風(fēng)輪軸則將能量給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖21 風(fēng)電機(jī)組的組成 風(fēng)輪及其組件 風(fēng)輪由三部分組成：葉片、輪轂、風(fēng)輪軸[4]。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上大致可以把一個(gè)普通的風(fēng)電機(jī)分為四大部分：風(fēng)輪組件，機(jī)艙組件，塔架組件以及控制部分。由于外界因素影響風(fēng)很不穩(wěn)定，這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓、頻率差異很大且效率低下，沒有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。 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(duì)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）。 按照現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)技術(shù)，風(fēng)速3m/s左右的微風(fēng)即可以開始發(fā)電。附錄中給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路圖。利用STEP7Micro/WIN32軟件輸入程序，查錯(cuò)調(diào)試，連接實(shí)驗(yàn)電路板，進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)觀