【正文】 +5V（DC），50mA。 繼電器的開關(guān)延時(shí)最大為10ms，機(jī)械壽命（無負(fù)載）為107次開∕關(guān)循環(huán)，帶標(biāo)稱負(fù)載時(shí)的觸點(diǎn)的壽命為105次開∕關(guān)循環(huán)。 隔離電阻最小為100MΩ。每組最大輸出電流為8A，負(fù)載為燈時(shí)為30W（DC）/200W（AC）。8路輸出可同時(shí)接通。 CPU224 AC/DC/RLY外圍接線圖 輸出電壓為5~30V(DC)或5~250V(AC)。 S7200系列PLC CPU型號(hào)表特 性CPU221CPU222CPU224CPU224 XPCPU226CPU226 XM程序存儲(chǔ)區(qū)4096B4096B8192B12288B16384B24576B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)2048B2048B8192B10240B10240B20480B本機(jī)I/O6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)027777本設(shè)計(jì)選用CPU224（14DI/10DO）。目前提供的S7200 CPU有：CPU22CPU22CPU22CPU224XP、CPU226和CPU226XM，CPU21X系列產(chǎn)品現(xiàn)已被CPU22X完全取代。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。 與一般計(jì)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]。Siemens S7200所具備的高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。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(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。 本設(shè)計(jì)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。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(gè)不可拆卸的整體。 輸入輸出信號(hào)代碼和地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)啟動(dòng)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(dòng)向左解纜SF6手動(dòng)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1QA1偏航減速器2QA2偏航電機(jī)正轉(zhuǎn)QA3偏航電機(jī)反轉(zhuǎn)QA4偏航減速器3QA5偏航減速器4QA6齒輪箱油泵1QA7齒輪箱油泵2QA8齒輪箱油泵3QA9齒輪箱油泵加熱器QA10齒輪箱加熱器QA11齒輪箱空冷風(fēng)扇1QA12齒輪箱空冷風(fēng)扇2QA13齒輪箱空冷風(fēng)扇3QA14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(dòng)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(hào)QA22 。在下一個(gè)輸出刷新階段開始之前，輸出鎖存器的狀態(tài)不會(huì)改變，從而相應(yīng)輸出端子的狀態(tài)也不會(huì)改變。對(duì)元件映像寄存器來說，每一個(gè)元件（“軟繼電器”）的狀態(tài)會(huì)隨著程序執(zhí)行過程而刷新。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對(duì)應(yīng)元件（“軟繼電器”）的當(dāng)前狀態(tài)。所以，一般來說，輸入信號(hào)的寬度要大于一個(gè)掃描周期，或者說輸入信號(hào)的頻率不能太高，否則很可能造成信號(hào)的丟失。 (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(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中，此時(shí)輸入映像寄存器被刷新[17]。分析上述掃描過程，如果對(duì)遠(yuǎn)程I/O、特殊模塊、更新時(shí)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(gè)階段了。在一個(gè)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(qǐng)求→執(zhí)行邏輯控制程序→寫輸出執(zhí)行→CPU自診斷。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。第三部分是出錯(cuò)處理。第二部分是掃描過程。 PLC工作的整個(gè)過程可分為三部分：第一部分是上電處理。 PLC的工作原理 PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的工作原理是建立在計(jì)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(shí)現(xiàn)的。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(cè)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]。隨著微處理器CPU和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的PLC。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)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(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。了解了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大概內(nèi)容，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)，為接下來的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 系統(tǒng)原理框圖 本章介紹了總體設(shè)計(jì)思路和總體方案的確定。 PLC:選用S7200CPU,EM22EM22EM23EM235等擴(kuò)展模塊。 溫度控制：對(duì)系統(tǒng)各個(gè)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。 液壓控制：制動(dòng)機(jī)構(gòu)壓力保持；變槳系統(tǒng)壓力保持等。 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(tái)偏航電機(jī)。 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(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)和故障情況，并對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。這就要求既要掌握PLC相關(guān)知識(shí)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(shí)。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，主要設(shè)計(jì)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。 偏航解纜后，風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。 自動(dòng)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(shí)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(shí)，向右或向左解纜動(dòng)作。 偏航對(duì)風(fēng)60秒平均偏差大于18176。 低風(fēng)速下自動(dòng)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(duì)風(fēng)60秒平均偏差大于10176。 偏航對(duì)風(fēng)60秒平均偏差大于15176。 高風(fēng)速下自動(dòng)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(duì)風(fēng)60秒平均偏差大于8176。 液壓加熱器：溫控開關(guān)控制主回路通斷。 油位開關(guān)：常開觸點(diǎn)，達(dá)到指定高度開關(guān)閉合，（一通道亮）。高速軸剎車狀態(tài)：兩閥同時(shí)復(fù)位/置位。 發(fā)電機(jī)基本控制原理 發(fā)電機(jī)繞組溫度80℃，空冷風(fēng)扇啟動(dòng)，直到70℃，空冷風(fēng)扇停止； 發(fā)電機(jī)繞組溫度機(jī)艙溫度且機(jī)艙溫度10℃，發(fā)電機(jī)加熱器啟動(dòng)，直到機(jī)艙溫度10℃或發(fā)電機(jī)繞組溫度機(jī)艙溫度10分鐘后停止加熱； 液壓站系統(tǒng)壓力低于145bar啟泵，高于160bar停泵。 維護(hù)條件：維護(hù)模式觸發(fā)條件：維護(hù)開關(guān)動(dòng)作；風(fēng)機(jī)幾種模式維護(hù)模式的過程；待機(jī)模式：直接轉(zhuǎn)換到維護(hù)模式；停機(jī)模式：風(fēng)機(jī)先進(jìn)入待機(jī)模式，再轉(zhuǎn)換到維護(hù)模式；其它模式：風(fēng)機(jī)先經(jīng)過停機(jī)程序進(jìn)入停模式，再經(jīng)待機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式。 幾種模式間的轉(zhuǎn)換： 待機(jī)——〉啟動(dòng)：無故障、非解纜、非維護(hù)模式、機(jī)艙溫度超過10度、發(fā)電機(jī)繞組溫度超過機(jī)艙溫度、變槳系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)、變流器切出本地、產(chǎn)生手動(dòng)啟動(dòng)或自啟動(dòng)信號(hào)； 啟動(dòng)——〉運(yùn)行：、對(duì)風(fēng)角度低于45度、齒輪箱油溫高于10度、未檢測(cè)到暴風(fēng)； 啟動(dòng)、運(yùn)行模式：分別對(duì)應(yīng)槳距角50度和0度； 運(yùn)行——〉發(fā)電：； 停機(jī)——〉待機(jī)：進(jìn)入停機(jī)模式45s后。之間；變槳速度3176。 維護(hù)：當(dāng)控制面板上的維護(hù)開關(guān)打開時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換到維護(hù)模式，進(jìn)入維護(hù)模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定：轉(zhuǎn)矩控制器與變槳控制器禁用；槳距角設(shè)定值在45176。 風(fēng)機(jī)進(jìn)入停機(jī)模式后，35s內(nèi)轉(zhuǎn)速未降到10rpm以下或90s內(nèi)轉(zhuǎn)速未降到4rpm以下，系統(tǒng)將觸發(fā)“停機(jī)程序出現(xiàn)故障”信號(hào)。 速度為：7176。速度為：176。速度為：4176。；逆槳速度限值為0deg/s；轉(zhuǎn)速限定值為0 rpm；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活（緊急停機(jī)時(shí)禁止自動(dòng)偏航）。 停機(jī)：風(fēng)機(jī)處于啟動(dòng)、運(yùn)行或發(fā)電模式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)，或在維護(hù)模式下將維護(hù)開關(guān)關(guān)閉，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換到停機(jī)模式。進(jìn)入發(fā)電模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定：槳距角設(shè)定值為0176。；變槳控制器激活；逆槳速度限值為2deg/s，順槳速度限值為5deg/s；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。延時(shí)20s后，風(fēng)機(jī)由啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到運(yùn)行模式。；變槳控制器激活；逆槳速度限值為2deg/s，順槳速度限值為5deg/s；自動(dòng)偏航系統(tǒng)激活。 啟動(dòng)：允許條件滿足，自啟動(dòng)程序發(fā)出啟動(dòng)指令或按下啟動(dòng)按鈕后，風(fēng)機(jī)由待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到啟動(dòng)模式；進(jìn)入啟動(dòng)模式時(shí)，控制程序?qū)ο铝袇?shù)進(jìn)行設(shè)定： 如果檢測(cè)到有風(fēng)暴，則槳距角設(shè)定值為89176。就會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式；葉片角度設(shè)定值為89176。~96176。 初始化：葉片角度設(shè)定值為89176。其控制軟件根據(jù)風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)理論研究成果和機(jī)組實(shí)際運(yùn)營過程中的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊控制要求，對(duì)機(jī)組的安全可靠性具有十分重要的意義。 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的“大腦”，由它自動(dòng)完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有工作過程，并提供人機(jī)接口和遠(yuǎn)方監(jiān)控的接口。管狀的塔對(duì)于維修人員更為安全，因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。600千瓦風(fēng)電機(jī)的塔高為 40至60米，5兆瓦級(jí)別的塔高則超過100米。 塔架：風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。 變漿距裝置：變漿距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來探知風(fēng)向。通常使用的風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)是感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)，有的也使用永磁同步發(fā)電機(jī)。 發(fā)電機(jī)：風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，是葉片根部與主軸的連接部分，也是控制葉片變槳距的所在。低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)[12]。 結(jié)構(gòu)示意圖 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由葉片、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、變槳距裝置、塔架和控制系統(tǒng)等主要部分所組成。 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和載荷狀況、風(fēng)況、變槳變色特點(diǎn)及其他外部條件，將風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況主要分為以下幾類：待機(jī)狀態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、大風(fēng)停機(jī)方式、故障停機(jī)方式、人工停機(jī)方式和緊急停機(jī)方式、維護(hù)狀態(tài)。監(jiān)測(cè)部分將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)送到控制器，經(jīng)過處理作為控制參數(shù)或作為原始記錄儲(chǔ)存起來，在機(jī)組控制器的顯示屏上可以查詢。 控制系統(tǒng)包括控制和監(jiān)測(cè)兩部分。 控制系統(tǒng)利用西門子plc200通過對(duì)運(yùn)行過程中輸入信號(hào)的采集、傳輸、分析，來控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情況能自動(dòng)地檢測(cè)并分析確定原因，自動(dòng)調(diào)整排除故障或進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)主要依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)和控制策略，由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復(fù)雜，因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求。 預(yù)期成果及意義 我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性及規(guī)律缺乏深入研究，在控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，缺乏最優(yōu)的控制策略依據(jù)。這就要求既要掌握PLC相關(guān)知識(shí)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(shí)[11]。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，主要設(shè)計(jì)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。 當(dāng)然，與陸上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)相比，還上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)又面臨新的問題，如風(fēng)電機(jī)組的海上選用問題，海上風(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)施工問題，海上風(fēng)電場(chǎng)的電量送出問題和海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)問題，這些問題都在不斷探索和解決之中。 盡管海上風(fēng)電項(xiàng)目起步較晚，但越來越受到重視。最近幾年，各種新型大型風(fēng)電機(jī)組不斷出現(xiàn)并得到迅速推廣應(yīng)用。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量逐年增大的趨勢(shì)愈來愈明顯?？勺兒泐l技術(shù)采用了雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)技術(shù)可以使發(fā)電機(jī)始終工作在最佳工作狀態(tài)，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率提高。 從定轉(zhuǎn)速向可變轉(zhuǎn)速機(jī)組發(fā)展。其缺點(diǎn)主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能受葉片失速性能的限制，額定風(fēng)速較高，在風(fēng)速超過額定值時(shí)發(fā)電功率有所下降。采用失速功率調(diào)節(jié)方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片不能繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，功率調(diào)節(jié)通過葉片自身的失速特性實(shí)現(xiàn)。 從定槳距（失速型）向變槳距機(jī)組發(fā)展。 目前風(fēng)電市場(chǎng)上和風(fēng)電場(chǎng)中安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，絕大多數(shù)是水平軸、三葉片、上風(fēng)向、管式塔形式，其他形式的機(jī)組較少見到。 。據(jù)推算，我國2020年需要10億千瓦的發(fā)電裝機(jī)，4萬億千瓦時(shí)的發(fā)電量，之后如果按照人均2千瓦，達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家生活水平的基本要求，在2050年我國需要大約30億千瓦的發(fā)電裝機(jī)和12萬億千瓦時(shí)的發(fā)電量[8]。 發(fā)展風(fēng)力發(fā)電有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。全國累計(jì)生產(chǎn)各類小風(fēng)電機(jī)組20多萬臺(tái)，總?cè)萘?萬多千瓦，小風(fēng)電機(jī)組