張相考 厲偉

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110870; 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),遼寧沈陽(yáng) 110870)

倍福PLC在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張相考1厲偉2

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110870; 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),遼寧沈陽(yáng) 110870)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制核心,已成為各國(guó)工程研究人員的重要研究對(duì)象,而基于PLC風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用是未來(lái)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向。本文主要介紹了倍福(Beckhoff)PLC在100KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的配置,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖詳細(xì)介紹了塔下主控系統(tǒng)、變流器、塔上控制系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)之間相互聯(lián)系,并列舉了倍福PLC端子模塊在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全鏈和信息采集方面的應(yīng)用。

風(fēng)電機(jī)組 控制 倍福PLC 安全鏈 端子模塊

1 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是綜合性的系統(tǒng)。尤其是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)脫網(wǎng)控制,還要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制[1]。由于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的性能要求較高,選用PLC作為其主控制器可以用簡(jiǎn)單的程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制,同時(shí)還具有穩(wěn)定性高的特點(diǎn),完全能夠滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的要求。本文主要介紹倍福PLC在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

2 控制系統(tǒng)介紹

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成及通訊

某100KW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)由塔上控制柜和塔下控制柜兩部分組成。塔下控制柜作為控制系統(tǒng)的主站,PLC的主控器采用德國(guó)倍福(Beckhoff)公司的嵌入式PC,信號(hào)采集通過(guò)總線端子模塊實(shí)現(xiàn)。塔下控制柜的倍福PLC通訊接口有四個(gè),第一個(gè)是CAN通訊接口,通過(guò)CAN總線連接到VACON變流器的OPT-C6通訊模塊,實(shí)現(xiàn)與變流柜之間的通訊；第二個(gè)是多模光纖通訊接口,實(shí)現(xiàn)與塔上控制柜之間的通訊；第三個(gè)是RS232接口,用于和在線式UPS通訊。PLC通過(guò)RS232串口通訊來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉UPS；第四個(gè)是以太網(wǎng)接口,此接口用來(lái)下載程序和連接塔下以太網(wǎng)交換機(jī)。塔上控制柜的倍福PLC有兩個(gè)通訊接口,一個(gè)是與塔下控制柜實(shí)現(xiàn)光纖通訊的接口；另一個(gè)是CAN 通訊接口,與變槳系統(tǒng)和振動(dòng)模塊之間連接,實(shí)現(xiàn)了它們之間的CAN總線通訊。

塔上和塔下的以太網(wǎng)交換機(jī)使用光纖相連接,塔下交換機(jī)用于連接監(jiān)控觸摸屏、風(fēng)場(chǎng)總監(jiān)控室、無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、還可以作為調(diào)試接口。工作人員進(jìn)入機(jī)艙后將PC連接到塔上的交換機(jī)可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)控。某100KW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的硬件配置結(jié)構(gòu)如圖一所示。

(圖一) 硬件配置結(jié)構(gòu)圖

塔下控制柜主要控制柜體照明、塔下通風(fēng)風(fēng)扇、變流器風(fēng)扇及塔下主電源等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；塔上控制柜主要控制發(fā)電機(jī)、變槳、偏航及機(jī)艙風(fēng)扇、剎車(chē)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。硬件系統(tǒng)由倍福(Beckhoff)系列模塊構(gòu)成,主要采用的模塊有主控制器嵌入式PC CX5020、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、通信模塊、三相功率測(cè)量模塊、特殊功能模塊等。塔上和塔下模塊通過(guò)總線耦合模塊連接形成的主站與變流柜從站、變槳從站以及監(jiān)控觸摸屏構(gòu)成整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)。

主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

(圖二) 主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖可知,塔下控制柜內(nèi)的CAN通訊主站模塊EL6751通過(guò)CANopen協(xié)議與位于變流柜內(nèi)的CAN通訊從站OPT-C6通訊模塊進(jìn)行通訊。塔上控制柜內(nèi)的CAN通訊主站模塊EL6751通過(guò)CANopen協(xié)議與變槳系統(tǒng)的CAN通訊從站OPT-C6通訊模塊和振動(dòng)模塊進(jìn)行通訊。

2.2 控制系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

100KW 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用倍福(Beckhoff)的TwinCAT軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制系統(tǒng)框圖如圖三所示。

由圖三控制系統(tǒng)框圖可知,它是一個(gè)典型的、先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)。它既能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分散控制,又能對(duì)機(jī)組運(yùn)行的自動(dòng)化、狀態(tài)的監(jiān)控、機(jī)組管理實(shí)現(xiàn)集中控制。這樣把系統(tǒng)不可靠因素對(duì)系統(tǒng)影響降低到最低限度,使機(jī)組正?？煽窟\(yùn)行[2]。

控制系統(tǒng)組成分三級(jí):(1)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)——由永磁同步發(fā)電

(圖三) 控制系統(tǒng)框圖

機(jī)、變流器以及CX5020嵌入式PC、安全鏈系統(tǒng)組成；(2)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制級(jí)——由TwinCAT軟件組成；(3)上位監(jiān)控級(jí)——由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成,采用三維力控的工控組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 倍福模塊在100KW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

100KW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的安全鏈控制功能通過(guò)數(shù)字量輸入模塊和PLC內(nèi)部程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。塔上塔下急停按鈕與串入安全繼電器,急停按鈕動(dòng)作時(shí)安全繼電器使安全鏈斷開(kāi),倍福PLC得到信號(hào)之后會(huì)發(fā)出相應(yīng)指令同時(shí)通過(guò)CAN總線給CAN從站發(fā)送相應(yīng)通訊數(shù)據(jù)。

100KW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組串入安全鏈的信號(hào)有:(1)超速模塊:風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超速時(shí),超速模塊內(nèi)的觸點(diǎn)作出相應(yīng)動(dòng)作；(2)振動(dòng)開(kāi)關(guān):機(jī)艙振動(dòng)過(guò)大,振動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；(3)變槳系統(tǒng)緊停:變槳變頻器故障,變槳系統(tǒng)安全鏈斷開(kāi)；(4)偏航扭攬開(kāi)關(guān):偏航扭攬限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作；(5)自動(dòng)復(fù)位繼電器:PLC輸出復(fù)位信號(hào)時(shí)候,安全鏈復(fù)位；(6)手動(dòng)并網(wǎng)斷路器:手動(dòng)并網(wǎng)斷路器的輔助觸點(diǎn)串入安全鏈；(7)自動(dòng)并網(wǎng)接觸器:自動(dòng)并網(wǎng)接觸器由網(wǎng)側(cè)變流器控制,其輔助觸點(diǎn)串入安全鏈。

上述塔上和塔下安全鏈信號(hào)串聯(lián)在一起,塔下安全鏈正常以后反饋給倍福PLC信號(hào),然后倍福PLC自動(dòng)復(fù)位塔上安全鏈信號(hào)。塔上塔下安全鏈反饋給倍福PLC的信號(hào)都正常,則PLC會(huì)根據(jù)程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算然后發(fā)出相應(yīng)指令或通訊數(shù)據(jù)。當(dāng)安全鏈不正常時(shí),倍福PLC會(huì)發(fā)出以下信號(hào):(1)發(fā)出安全鏈急停信號(hào)給變槳系統(tǒng),變槳系統(tǒng)以最快的速度驅(qū)動(dòng)葉片至順槳位置(90°)；(2)當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速小于3r/min時(shí),抱閘系統(tǒng)執(zhí)行剎車(chē)動(dòng)作；(3)變流器停止工作。

倍福PLC在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)信息采集方面的應(yīng)用:倍福PLC中的EL3403端子模塊可以測(cè)量電網(wǎng)中的所有電氣數(shù)據(jù)。例如電網(wǎng)的三相電壓值和電流值。通過(guò)EL3403模塊還可以計(jì)算每相的有功功率和能量損耗。EL1502端子模塊內(nèi)部是一個(gè)加/減計(jì)數(shù)器模塊用來(lái)計(jì)算二進(jìn)制脈沖,并且此模塊以電氣隔離的形式將計(jì)數(shù)器狀態(tài)傳到上層的設(shè)備中。倍福PLC預(yù)裝的程序通過(guò)EL1502模塊接收的接近開(kāi)關(guān)的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。EL3204是4通道PT100輸入端子模塊,此模塊可以直接連接電阻型傳感器。通過(guò)EL3204模塊倍福PLC可以測(cè)量發(fā)電機(jī)、塔上/塔下控制柜的溫度,并將這些溫度值發(fā)送給監(jiān)控觸摸屏[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

在調(diào)試和運(yùn)行100KW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)過(guò)程中,可以發(fā)現(xiàn)倍福PLC作為風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主控制器,編程方便,可實(shí)施性強(qiáng)。倍福PLC模塊化設(shè)計(jì)使其結(jié)構(gòu)緊湊,堅(jiān)固可靠,安裝及接線非常方便,維護(hù)便捷,若某模塊損壞,直接用模塊備件替換即可,編寫(xiě)的程序等其它不需作任何變動(dòng)即可投入正常運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用倍福PLC,通過(guò)倍福PLC自動(dòng)化TwinCAT能夠直接觀測(cè)出系統(tǒng)的運(yùn)行情況,為維護(hù)人員查找故障提供了極大的方便,從而縮短了對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間[4]。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]MD-030.00-A,W2000 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組操作運(yùn)行手冊(cè).

[3]倍福PLC模塊選型手冊(cè).

[4]朱曙.基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2009.3.