基于PLC的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

《基于PLC的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于PLC的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)（33頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 摘 要 偏航監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能的捕獲；當(dāng)機(jī)艙的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。在偏航中需要進(jìn)行偏航潤(rùn)滑操作和偏航壓力檢測(cè)。 本文從計(jì)算機(jī)控制技術(shù)入手，采用先進(jìn)的PLC與變速恒頻控制，通過(guò)完善的軟件與硬件相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種由PLC控制的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航監(jiān)控系統(tǒng)。它分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和MCGS，下位機(jī)為PLC，實(shí)現(xiàn)使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能的捕獲；當(dāng)機(jī)艙的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。在偏航中需要進(jìn)行偏航潤(rùn)滑操作和偏航壓力檢測(cè)。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，偏航監(jiān)控，MCGS ，PLC Abstract Yaw contr

2、ol system for tracking changes in the direction of the wind，conducive to maximum wind energy capture; when the cabin cable occurred when automatic solution for cable winding. The yaw to yaw lubrication in operation and yaw pressure test. This article from computer control technology-based，use of ad

3、vanced PLC and speed constant frequency control，sophisticated software and hardware，designed a from a PLC control of doubly wind turbine yaw control system. It is divided into upper and lower computer two part，and the host computer using industrial control computer and the MCGS，making the wind wheel

4、 track direction changes，conducive to maximum wind energy capture; when the cabin cable occurred when automatic solution for cable winding. The yaw to yaw lubrication in operation and yaw pressure test. Key words: wind turbine ，yaw control ，MCGS ，PLC 目 錄 1 緒論1 1.1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀1 1.2 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r2

5、 1.3 我國(guó)風(fēng)力資源與風(fēng)電發(fā)展前景3 1.4 選題背景與其意義 4 2 風(fēng)向傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)6 2.1 產(chǎn)品描述6 2.2 風(fēng)向傳感器構(gòu)成8 2.3 液壓傳動(dòng)的基本原理和應(yīng)用圍8 2.4 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)9 3 PLC偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)10 3.1 PLC的概述10 3.2 數(shù)字量模塊與模擬量模塊14 3.3 選擇S7-300的原因與硬件的設(shè)計(jì)16 3.4 偏航系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計(jì)18 4 偏航控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)20 4.1 偏航控制基本控制設(shè)計(jì)20 4.2 I/O對(duì)照表22 4.3 偏航系統(tǒng)基本步驟設(shè)計(jì)22 4.4 偏航系統(tǒng)具體程序26 5 總結(jié)32

6、參考文獻(xiàn)33 致34 31 / 33 1 緒論 隨著世界能源的日趨匱乏和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，加上人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，人們?cè)谂ふ乙环N能替代石油、天然氣等能源的可再生、環(huán)保且潔凈的綠色能源。風(fēng)能是當(dāng)前最有發(fā)展前景的一種新型能源，它是取之不盡用之不竭的能源，還是一種潔凈、無(wú)污染、可再生的綠色能源。風(fēng)能的利用，從風(fēng)車到風(fēng)力發(fā)電，證明了文明和科學(xué)進(jìn)步。綠色和平組織和歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)2002年提出了《風(fēng)力12》報(bào)告，報(bào)告中指出到2020年，世界風(fēng)力發(fā)電將達(dá)到世界電力總需求量的12%，我國(guó)電力發(fā)展“十一五”發(fā)展綱要中也指出，中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電將占世界風(fēng)力發(fā)電總量的14%。風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電和水力發(fā)

7、電比較，具有單機(jī)容量小、可分散建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。隨著國(guó)家對(duì)能源需求和環(huán)保要求力度的不斷加大，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)也必將慢慢顯現(xiàn)出來(lái)[1]。 1.1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)是世界上風(fēng)力資源占有率最高的國(guó)家，也是世界上最早利用風(fēng)能的國(guó)家之一，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)10 m高度層風(fēng)能資源總量為3226 GW，其中陸上可開采風(fēng)能總量為253 GW，加上風(fēng)力資源，我國(guó)可利用風(fēng)力資源近1000 GW。如果風(fēng)力資源開發(fā)率達(dá)到60%，僅風(fēng)能發(fā)電一項(xiàng)就可支撐我國(guó)目前的全部電力需求。我國(guó)利用風(fēng)力發(fā)電起步較晚，和世界上風(fēng)能發(fā)電發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、西班牙等國(guó)相比還有很大差距，風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)

8、80年代才迅速發(fā)展起來(lái)的，發(fā)展初期研制的風(fēng)機(jī)主要為1 kW、10 kW、55 kW、220 kW等多種小型風(fēng)電機(jī)組，后期開始研制開發(fā)可充電型風(fēng)電機(jī)組，并在海島和風(fēng)場(chǎng)廣泛推廣應(yīng)用，目前有的風(fēng)機(jī)已遠(yuǎn)銷海外[2]。至今，我國(guó)已經(jīng)在、、榮城、、富錦、達(dá)坂城、和等地建成了多個(gè)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，并且計(jì)劃在、灌云與等地興建GW級(jí)風(fēng)電場(chǎng)。截止2007年底，我國(guó)風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)到6.05 GW，年發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電量的0.8%左右，比2000年風(fēng)電發(fā)電量增加了近10倍，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電量已躍居世界第5位。 1.1.1小型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展 目前，我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)已相當(dāng)成熟，建設(shè)速度也較快，特別是5 kW以下風(fēng)

9、力發(fā)電機(jī)組的制造技術(shù)成熟，已大量使用，并達(dá)到批量生產(chǎn)的要求。100、200、300、500 W與1 kW、2 kW、5 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，年生產(chǎn)能力可達(dá)到5萬(wàn)臺(tái)以上。 1.1.2 大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展 我國(guó)大型風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)研制工作也正在加快。我國(guó)大型風(fēng)電機(jī)組基本上依賴進(jìn)口，通過(guò)多年來(lái)的開發(fā)研制，如今，大型風(fēng)電機(jī)組的主要部件已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，其成本比進(jìn)口機(jī)組低20%～30%，國(guó)產(chǎn)化是我國(guó)大型風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)的大型風(fēng)電機(jī)組從建設(shè)之初的榮成第一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)開始，到后來(lái)的4臺(tái)250kW機(jī)組、安裝660 kW風(fēng)電機(jī)組、富錦單機(jī)960 kW機(jī)組，再到即將在、、等地安裝的大型機(jī)組，我國(guó)已

10、建成一大批大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，使我國(guó)風(fēng)力發(fā)電邁上了一個(gè)新臺(tái)階。我國(guó)風(fēng)能資源雖然蘊(yùn)藏豐富，但由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)力量還遠(yuǎn)不與發(fā)達(dá)國(guó)家，故我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電普與率還很低[3]。在我國(guó)，還有一些無(wú)電村，其中部分地區(qū)風(fēng)能資源豐富，應(yīng)開發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電。 1.2 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r 風(fēng)能的開發(fā)利用在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已相當(dāng)普與，尤其在德國(guó)、荷蘭、西班牙、丹麥等西歐國(guó)家，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中占相當(dāng)比重。20世紀(jì)70年代發(fā)生了世界性的能源危機(jī)，歐美國(guó)家政府加大補(bǔ)貼投入，鼓勵(lì)開展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)。1973年聯(lián)邦德國(guó)風(fēng)能資源投入30萬(wàn)美元，到1980年投資就增至6800萬(wàn)美元；美國(guó)20世紀(jì)80年代初期安裝了1700多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，

11、總裝機(jī)容量達(dá)到3 MW；1979年丹麥能源部決定給風(fēng)輪機(jī)設(shè)備廠投入補(bǔ)貼，政府撥款建立小型風(fēng)輪機(jī)試驗(yàn)中心，承擔(dān)發(fā)電風(fēng)輪機(jī)許可證任務(wù)。到20世紀(jì)80年代末，全球共有大型風(fēng)輪機(jī)近2萬(wàn)臺(tái)，總裝機(jī)容量2 GW。國(guó)際市場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電成本不斷降低，有些條件較好的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，機(jī)組發(fā)電成本僅為8美分/kWh，風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行維修費(fèi)為1.5美分/kWh。從當(dāng)前世界風(fēng)力發(fā)電情況來(lái)看，無(wú)論從風(fēng)機(jī)容量投資、年發(fā)電量、運(yùn)行費(fèi)用與運(yùn)行穩(wěn)定性等指標(biāo)衡量，200～500 kW的中型風(fēng)電機(jī)組都具有較大競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2007年底，世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為94112 MW，其中德國(guó)裝機(jī)容量22247 MW，牢牢的占據(jù)了其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域世界領(lǐng)

12、先地位，美國(guó)風(fēng)機(jī)容量16818MW，居世界第二位，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為6050MW，居世界第五位。資料顯示，目前全球有20個(gè)大風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，其中有13個(gè)位于歐洲，其中德國(guó)、西班牙成為歐洲最大的風(fēng)力發(fā)電國(guó)。截至2007年末，風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)電力行業(yè)中的比例突破0.5%，在歐洲一些風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家，其比例更是接近10%。現(xiàn)在排在世界風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)前幾位，領(lǐng)先的是德國(guó)、美國(guó)、西班牙、丹麥、荷蘭等，亞太地區(qū)新興市場(chǎng)是日本和澳大利亞。 1.3 我國(guó)風(fēng)力資源與風(fēng)電發(fā)展前景 從自然環(huán)境來(lái)看，我國(guó)居于非常有利的優(yōu)勢(shì)地位。我國(guó)地域廣闊，海岸線長(zhǎng)、風(fēng)力資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)平均風(fēng)能密度大約為100 W/m2，風(fēng)能

13、總量為3226 GW，其中可供開發(fā)利用的陸上風(fēng)能總量大約為253 GW。在我國(guó)東南沿海與附近島嶼、蒙和河西走廊，以與我國(guó)東北、西北、華北、與西青藏高原等部分地區(qū)，每年的年平均風(fēng)速在3 m/s以上時(shí)間近4000 h，一些地區(qū)的年平均風(fēng)速在6～7 m/s以上，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，具有很大的開發(fā)價(jià)值和廣闊的利用空間。按“十一五”發(fā)展規(guī)劃，至2010年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量將突破10 GW。 1.3.1 風(fēng)力資源的分布 按風(fēng)能資源密度、有效風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)能資源的分布特點(diǎn)來(lái)看，我國(guó)可分為6個(gè)地區(qū)：東南沿海與其海島為我國(guó)最大風(fēng)力資源區(qū)，有效風(fēng)能密度≥200～300 W/m2以上，風(fēng)速≥3 m/s，全年出現(xiàn)時(shí)間

14、為7000～8000 h，風(fēng)速≥6 m/s的時(shí)間也在4000 h左右；蒙與河西走廊為第二大區(qū)，風(fēng)能密度≥200～300 W/ m2以上，風(fēng)速≥3 m/s，全年出現(xiàn)時(shí)間為5000 h，風(fēng)速≥6 m/s的時(shí)間也在2000 h左右；從北向南逐漸遞減；第三區(qū)為、東部與遼東半島沿海區(qū)域，風(fēng)能密度在200 W/ m2以上，風(fēng)速≥3m/s，時(shí)間為5000～7000 h，風(fēng)速≥6 m/s的時(shí)間也在3000h左右；第四區(qū)為青藏高原北部，風(fēng)能密度在150～200 W/m2，風(fēng)速≥3m/s，時(shí)間為4000～5000 h，風(fēng)速≥6 m/s的時(shí)間也在3000 h左右；第五區(qū)是、、、與嶺以南、、西部和、、部分地區(qū)與塔里木

15、盆地，是我國(guó)風(fēng)能最小區(qū)，其有效風(fēng)能密度在50 W/ m2以下，風(fēng)速≥3 m/s，時(shí)間在2000 h以下，風(fēng)速≥6 m/s的時(shí)間在1500 h以下，可有效利用風(fēng)能僅為20%左右；除上述區(qū)域以外的廣區(qū)被視為第6區(qū)，為風(fēng)能季節(jié)利用區(qū)，風(fēng)能密度在50～150 W/ m2之間，風(fēng)速≥3 m/s的時(shí)間為2000～4000 h左右，風(fēng)速≥6 m/s的時(shí)間在1000 h以下，其可利用風(fēng)力為30%～40%左右。 1.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的種類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩部分組成，一為發(fā)電提供原動(dòng)力的風(fēng)力機(jī)，即風(fēng)輪機(jī)，另一是將其轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。 （1）風(fēng)力機(jī)種類 風(fēng)力發(fā)電中所采用的風(fēng)力機(jī)一般可分為常規(guī)型和新穎型

16、兩類。其中常規(guī)型即傳統(tǒng)的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)，按其運(yùn)動(dòng)形式不同可分為振動(dòng)式、平動(dòng)式、固定式和旋轉(zhuǎn)式4種。按樣式不同又可分為螺旋槳式、荷蘭式、多翼式、渦輪式、多風(fēng)輪式和帆翼式等6種[4]。新穎型是對(duì)常規(guī)型的革新，一般可分為豎軸風(fēng)力機(jī)和增力水平軸風(fēng)力機(jī)2種。其中豎軸風(fēng)力機(jī)又可分為豎軸∮式風(fēng)力機(jī)、旋轉(zhuǎn)翼板風(fēng)力機(jī)、環(huán)量控制型風(fēng)力機(jī)和S型風(fēng)力機(jī)4種。增力水平軸風(fēng)力機(jī)可分為動(dòng)力導(dǎo)流風(fēng)力機(jī)和旋風(fēng)型風(fēng)力機(jī)2種。 （2）發(fā)電機(jī)種類 用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)，一般可分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩類。其中，交流發(fā)電機(jī)又可分為同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)2種。如果把風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)考慮，可以把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分

17、為恒速恒頻、近恒速恒頻、變速變頻和變速恒頻4種系統(tǒng)。 1.4 選題背景與其意義： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械，又稱風(fēng)車。廣義地說(shuō)，它是一種以太陽(yáng)為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源。相對(duì)柴油發(fā)電要好的多。但是若應(yīng)急來(lái)用的話，還是不如柴油發(fā)電機(jī)。 偏航系統(tǒng)也稱對(duì)風(fēng)裝置，它具有兩個(gè)作用:一是在可用風(fēng)速圍可以準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)，提高風(fēng)能的利用率。二是在連續(xù)跟蹤風(fēng)向可能造成電纜纏繞的情況下的自動(dòng)解纜。偏航系統(tǒng)的存在使風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，高效地利用風(fēng)能，節(jié)約大量能源，進(jìn)一步降低發(fā)電成本并且有效地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 大中型風(fēng)力機(jī)一般采用電動(dòng)的伺服或調(diào)向電機(jī)來(lái)

18、調(diào)整風(fēng)輪并使其對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)，偏航電機(jī)，偏航行星齒輪減速器，回轉(zhuǎn)體大齒輪等。其工作原理如下:風(fēng)向標(biāo)作為感應(yīng)元件將風(fēng)向的變化用電信號(hào)傳遞到偏航電機(jī)的控制回路里，經(jīng)過(guò)比較后處理器給偏航電機(jī)發(fā)出順時(shí)針或逆時(shí)針的偏航命令，為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速將通過(guò)同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動(dòng)風(fēng)輪偏航對(duì)風(fēng)，當(dāng)對(duì)風(fēng)完成后，風(fēng)向標(biāo)失去電信號(hào)，電機(jī)停止工作，偏航過(guò)程結(jié)束。 尾舵對(duì)風(fēng)是指在風(fēng)力的作用下，葉輪自行調(diào)至迎風(fēng)位置，這種方式稱之為被動(dòng)迎風(fēng)。而由調(diào)向電機(jī)將葉輪調(diào)至迎風(fēng)位置則被稱為主動(dòng)迎風(fēng)。由于風(fēng)向存在隨機(jī)性，被動(dòng)迎風(fēng)時(shí)葉輪平面頻繁擺動(dòng)，影響調(diào)向機(jī)

19、構(gòu)的壽命，所以被動(dòng)迎風(fēng)僅適用于調(diào)向力矩小的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。而對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，則必須設(shè)計(jì)一套主動(dòng)對(duì)風(fēng)的偏航控制系統(tǒng)。 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中，偏航控制系統(tǒng)控制的精確與否直接影響利用風(fēng)能的效率，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的多少。同時(shí)偏航控制系統(tǒng)控制不精確也會(huì)使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)遭受不必要的外力破壞。要想使偏航控制系統(tǒng)精確地控制風(fēng)機(jī)，就需要使整個(gè)發(fā)電機(jī)組的中央處理單元(CPU ) 時(shí)時(shí)清楚風(fēng)機(jī)準(zhǔn)確的實(shí)際位置，以便做出準(zhǔn)確的控制。因此知道風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)確位置顯得非常重要。過(guò)去，小風(fēng)機(jī)曾采用單片機(jī)做為核心控制單元(CPU ) ，采用其中的記數(shù)功能記錄風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)位置，但現(xiàn)在由于風(fēng)機(jī)的容量很大，控制柜中有很大的電壓和電流經(jīng)

20、過(guò)，能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，對(duì)柜中的控制核心單片機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，容易使單片機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成巨大損失。為了避免這種情況發(fā)生，我們采用西門子S7- 300 系列功能強(qiáng)大抗干擾性好的CPU 315- 2DP來(lái)保證控制核心單元的控制準(zhǔn)確。 2 風(fēng)向傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 風(fēng)向傳感器（見圖2.1）的作用是檢測(cè)風(fēng)向與風(fēng)機(jī)葉輪法線方向的偏差，然后利用控制系統(tǒng)調(diào)整葉輪方向，使偏差最小。風(fēng)向傳感器由風(fēng)向標(biāo)的角度—電信號(hào)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。角度—電信號(hào)轉(zhuǎn)換器與風(fēng)向傳感器的基座一起固定在機(jī)艙上，并隨機(jī)艙的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出，角度—

21、電信號(hào)傳感器則將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為變化的電阻信號(hào)輸出[5]。主控制器通過(guò)檢測(cè)該變化的電阻值，判斷當(dāng)前風(fēng)向角。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要使用的是欣銳儀器儀表的FC-4X風(fēng)向傳感器。 圖2-1 風(fēng)向傳感器 2.1 產(chǎn)品描述 一、風(fēng)向傳感器用途概述： 1）主要技術(shù)參數(shù)見表2-1 表2-1FC-4X風(fēng)向傳感器主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào) FC-4X FC-4XQ 信號(hào)輸出 電流信號(hào) 脈沖信號(hào) 電壓信號(hào) 、RS485/232信號(hào) 信號(hào)輸出方式 4 ~ 20mA 1.5/M*S 0~5V、1~5V、RS485/232 輸入電壓 DC24V V / DC 12 V

22、 /DC5V 響應(yīng)時(shí)間 ＜ 2S 傳輸距離 ＞ 1 ㎞ 測(cè)量圍 0~360度全方位 4、8、 1 6、32方向 可選 測(cè)量精度 ± 0.5% 環(huán)境溫度 E ： -20 ~ 85 ℃（常用） L ： -55 ~ 150 ℃ 工作方式 連續(xù) 電位引線 三線制或二線制 材質(zhì) 鋁合金 ，表面做防水、防腐蝕處理 其他事項(xiàng) 可選配RS485通訊輸出或RS232輸出 FC-4X/4XQ風(fēng)向傳感器是建筑機(jī)械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等領(lǐng)域用于測(cè)量風(fēng)向的傳感器。用它可以外界環(huán)境的實(shí)際風(fēng)向并輸出相應(yīng)的信號(hào)

23、。 FC-4X/4XQ風(fēng)向傳感器是風(fēng)向傳感器和電纜線兩部分組成。本風(fēng)向傳感器采用海洋軍用的高精度測(cè)量風(fēng)向傳感器，它與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，具有精度高、量程寬、輸入線電阻高、觀測(cè)方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。 2）功能 本產(chǎn)品融電子技術(shù)、微電腦技術(shù)為一體。其主要功能如下： ?能夠自動(dòng)檢測(cè)風(fēng)向信號(hào)并輸出各種信號(hào)：脈沖信號(hào)、4-20mA電流信號(hào) 3）特點(diǎn) ?主板核心采用自主開發(fā) MS51單片機(jī)主板與其配套的標(biāo)準(zhǔn)I/O板卡，外加相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理模塊，對(duì)數(shù)據(jù)采集與輸出控制可靈活變更，可靠性進(jìn)一步提高； ?低功耗，數(shù)字電路全部采用 CMOS芯片； ?可以長(zhǎng)期連續(xù)工作； ?有很強(qiáng)的抗電磁干擾功能； ?安裝

24、方便； 2.2 風(fēng)向傳感器構(gòu)成 FC-4X風(fēng)向傳感器由風(fēng)向傳感器、傳輸電纜等附屬裝置構(gòu)成。 1、風(fēng)向傳感器 風(fēng)向傳感器的風(fēng)杯由高耐候性、高強(qiáng)度、防腐蝕和防水金屬制造，傳感器殼體使用鋁鎂合金成形，部電路均經(jīng)過(guò)噴涂三防漆處理，整個(gè)傳感器具有很好的耐惡劣環(huán)境的適應(yīng)性[6]。 風(fēng)向傳感器輸出為：脈沖信號(hào)、4-20mA電流信號(hào)。 2、電路模塊 具有極可靠的抗電磁干擾能力，高低電壓保護(hù)能力，能保證主機(jī)在－20℃～60℃，濕度10％─95％圍均能正常工作。 2.3 液壓傳動(dòng)的基本原理和應(yīng)用圍 液壓傳動(dòng)是用液體作為工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用

25、非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機(jī)械、壓力機(jī)械、機(jī)床等；行走機(jī)械中的工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機(jī)械、提升裝置、軋輥調(diào)整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門與堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機(jī)構(gòu)等；發(fā)電廠渦輪機(jī)調(diào)速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機(jī)械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進(jìn)器等；特殊技術(shù)用的巨型天線控制裝置、測(cè)量浮標(biāo)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機(jī)起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。 液壓傳動(dòng)的基本原理：液壓系統(tǒng)利用液壓泵將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，通過(guò)液體壓力能的變化來(lái)傳遞能量，經(jīng)過(guò)各種控制閥和管路的傳遞

26、，借助于液壓執(zhí)行元件(液壓缸或馬達(dá))把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油，它的作用和機(jī)械傳動(dòng)中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動(dòng)元件相類似。 在液壓傳動(dòng)中，液壓油缸就是一個(gè)最簡(jiǎn)單而又比較完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，分析它的工作過(guò)程，可以清楚的了解液壓傳動(dòng)的基本原理。 2.3.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成 液壓系統(tǒng)主要由：動(dòng)力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。 1、動(dòng)力元件（油泵） 它的作用是利用液體把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓力能；是液壓傳動(dòng)中的動(dòng)力部分。 2、執(zhí)行元件（油缸、液

27、壓馬達(dá)）它是將液體的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其中，油缸做直線運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3、控制元件 包括壓力閥、流量閥和方向閥等。它們的作用是根據(jù)需要無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)液動(dòng)機(jī)的速度，并對(duì)液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 4、輔助元件 除上述三部分以外的其它元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、管件各種管接頭(擴(kuò)口式、焊接式、卡套式）、高壓球閥、快換接頭、軟管總成、測(cè)壓接頭、管夾等與油箱等，它們同樣十分重要[7]。 5、工作介質(zhì) 工作介質(zhì)是指各類液壓傳動(dòng)中的液壓油或乳化液，它經(jīng)過(guò)油泵和液動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 2.4 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 1、液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) （1）體積小、重量輕，例

28、如同功率液壓馬達(dá)的重量只有電動(dòng)機(jī)的10％～20%。因此慣性力較小，當(dāng)突然過(guò)載或停車時(shí)，不會(huì)發(fā)生大的沖擊； （2）能在給定圍平穩(wěn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，且調(diào)速圍最大可達(dá)1：2000(一般為1：100）。 （3）換向容易，在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換； （4）液壓泵和液壓馬達(dá)之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制； （5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間能自行潤(rùn)滑，磨損小，使用壽命長(zhǎng)； （6）操縱控制簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高； （7）容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。 （8)液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造

29、和使用。 2、液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) （1）使用液壓傳動(dòng)對(duì)維護(hù)的要求高，工作油要始終保持清潔； （2）對(duì)液壓元件制造精度要求高，工藝復(fù)雜，成本較高； （3）液壓元件維修較復(fù)雜，且需有較高的技術(shù)水平； （4）液壓傳動(dòng)對(duì)油溫變化較敏感，這會(huì)影響它的工作穩(wěn)定性。因此液壓傳動(dòng)不宜在很高或很低的溫度下工作，一般工作溫度在-15℃~60℃圍較合適。 （5）液壓傳動(dòng)在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，特別是在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，其壓力大，流量損失大，故系統(tǒng)效率較低。 3 PLC偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 PLC的概述 3.1.1 PLC的發(fā)展 隨著微處理器，計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用

30、在幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速的反映，生產(chǎn)出小批量，多品種，多規(guī)格，低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器正式順應(yīng)這一要求的出現(xiàn)，他是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。 可編程序控制器（Programmable Controller----PC或PLC）他的應(yīng)用面廣，功能強(qiáng)大，使用方便，已成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到可廣泛的使用[8]。 PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用得到了

31、迅速的發(fā)展。 3.1.2 西門子PLC 的分類 1．S7 系列：傳統(tǒng)意義的PLC 產(chǎn)品，S7-200 是針對(duì)低性能要求的小型PLC。S7-300 是模塊式中小型PLC，最多可以擴(kuò)展32 個(gè)模塊。S7-400 是大型PLC，可以擴(kuò)展300 多個(gè)模塊。S7-300/400 可以組成MPI、PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)等。 2．M7-300/400：采用與S7-300/400 一樣的結(jié)構(gòu)，它可以作為CPU或功能模塊使用。具有AT 兼容計(jì)算機(jī)的功能，可以用C，C＋＋或CFC 等語(yǔ)言來(lái)編程。 3．C7 由S7-300 PLC，HMI（人機(jī)接口）操作面板、I/O、通信和過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。 4．

32、WinAC 基于Windows 和標(biāo)準(zhǔn)的接口(ActiveX，OPC)，提供軟件PLC 或插槽PLC。 3.1.3 S7-300系列PLC的特點(diǎn)與選用的依據(jù) S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊，信號(hào)模塊和功能模塊能滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇適合的模塊，維修時(shí)更換模塊也和方便。 S7-300 的CPU 模塊（簡(jiǎn)稱為CPU）都有一個(gè)編程用的RS-485 接口，有的有PROFIBUS-DP 接口或PtP 串行通信接口，可以建立一個(gè)MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò)或DP 網(wǎng)絡(luò)。功能最強(qiáng)的CPU 的RAM 為512KB，最大81

33、92 個(gè)存儲(chǔ)器位，512個(gè)定時(shí)器和512 個(gè)計(jì)數(shù)器，數(shù)字量最大65536，模擬量通道最大為4096。有350 多條指令。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)圍為1～999，定時(shí)器的定時(shí)圍為10ms～9990s。 S7-300的每個(gè)CPU都有一個(gè)使用MPI（多點(diǎn)接口）通信協(xié)議的RS-485接口。有的CPU還帶有集成的的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP接口。PROFINET接口或PTP（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）串行通信接口。S7-300/400不需要附加任何硬件，軟件編程，就可以建立一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)。使用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信處理器，S7-300可以作DP網(wǎng)絡(luò)上的主站和從站。 功能最強(qiáng)的CPU319-3DP的RAM

34、存儲(chǔ)容量為1400KB，可以插入8MB的微存儲(chǔ)卡（MCC），有8192B存儲(chǔ)位，2048個(gè)S7定時(shí)器和2048個(gè)S7計(jì)數(shù)器，數(shù)字量輸入和輸出量最多均為65536點(diǎn)，模擬量輸入和輸出量最多均為4096個(gè)，位操作指令的實(shí)行時(shí)間為0.01μS。 3.1.4 PLC的基本組成 （1）CPU CPU是PLC的核心，其作用類似于人的大腦，它能夠識(shí)別用戶按照特定的格式輸入的各種指令，并按照指令的規(guī)定，根據(jù)當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)的狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成預(yù)定的控制任務(wù)。另外，它還能識(shí)別用戶的指令列的格式和語(yǔ)法錯(cuò)誤，并具有系統(tǒng)電源、I/O系統(tǒng)、存儲(chǔ)器與其它接口的測(cè)試與診斷功能，CPU與其他部件之間的連

35、接是通過(guò)總線進(jìn)行的。 1．緊湊型CPU：CPU 312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。各CPU 均有計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量和脈沖寬度調(diào)制功能。有的有定位功能，有的帶有I/O。 2．標(biāo)準(zhǔn)型CPU：CPU 312，CPU 313，314，315，315-2DP 和316-2DP。 3．戶外型CPU：CPU 312 IFM，314 IFM，314 戶外型和315-2DP。在惡劣的環(huán)境下使用。 4．高端CPU：317-2DP 和CPU 318-2DP。 5．故障安全型CPU：CPU 315F。 （2）存儲(chǔ)器： 存儲(chǔ)器只要兩種級(jí)別：一種是可進(jìn)行

36、讀寫操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，另一種是只度存儲(chǔ)器ROM，PROM，EPROM。在PLC中，存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序，用戶程序與工作數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序是由PLC的制造廠家編寫的，與PLC的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷，命令解釋，功能程序調(diào)用管理，邏輯運(yùn)算，通訊與各種參數(shù)設(shè)定等功能，提供PLC運(yùn)行的平臺(tái)。 用戶程序是隨PLC的控制對(duì)象而定的，是由用戶根據(jù)對(duì)象的生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。為了便于讀出，檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS的靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時(shí)不會(huì)丟失信息。 工作數(shù)據(jù)是PLC運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常變化的，經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)，被存放在RAM中，以適應(yīng)隨即存

37、儲(chǔ)的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，設(shè)有存放輸入/輸出繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器等邏輯器件的存儲(chǔ)區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行情況而定的[9，10]。 （3）輸入/輸出系統(tǒng)： PLC的輸入/輸出單元通常也叫I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的連接部件。PLC通過(guò)輸入接口可以檢測(cè)被控對(duì)象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時(shí)PLC又通過(guò)輸出借口將處理結(jié)果送給被控對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。 由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需要的信號(hào)電平是多種多樣的，而PLC部的CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以I/O接口實(shí)現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)換。I/O接口一般都是具有

38、光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。 PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的I/O接口，有多種功能的I/O接口供用戶選擇。I/O接口主要有數(shù)字量（開關(guān)量）輸入，數(shù)字量（開關(guān)量）輸出，模擬量輸入和模擬量輸出等。 （4）電源單元 電源單元將外界提供的電源轉(zhuǎn)化為PLC的工作電源后提供給PLC。有些電源單元也可以接口作為負(fù)載的工作電源，通過(guò)PLC的I/O接口向負(fù)載提供24V（DC）電源。PLC電源一般采用開關(guān)電源，輸入電壓圍寬，抗干擾能力強(qiáng)。電源單元的輸入與輸出之間有可靠的隔離，以確保外界的擾動(dòng)不會(huì)影響PLC的正常工作。 PLC的基本組成如圖3-1： 中央處理器 輸入接口 輸出接

39、口 電源 存儲(chǔ)器（ROM/RAM） 系統(tǒng)程序+用戶程序 擴(kuò)展接口 外部設(shè)備接口 I/O擴(kuò)展單元 輸入設(shè)備 （按鈕，開關(guān)等） 輸出設(shè)備 （接觸器，電磁閥等） 圖3-1 PLC的基本組成 3.1.5 可編程控制器的工作過(guò)程 （1）部處理 部處理也稱為PLC的初始化階段。在該階段，PLC主要完成自檢，自診斷等工作，判斷PLC的存儲(chǔ)區(qū)，I/O口，通訊口等模塊是否正常工作，否則便報(bào)警提示。 （2）通信服務(wù) PLC在通信服務(wù)階段主要負(fù)責(zé)同做網(wǎng)絡(luò)和其他PLC或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。 （3）輸入采樣 PLC在一個(gè)掃描周期，對(duì)輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。當(dāng)PL

40、C進(jìn)入程序執(zhí)行階段后，輸入端將被封鎖，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才對(duì)輸入狀態(tài)重新進(jìn)行采樣，折中方式稱為集中采樣，即在一個(gè)掃描周期，集中一段時(shí)間對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣[11，12]。 （4）執(zhí)行程序 當(dāng)指令中涉與輸入，輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出指令，根據(jù)擁護(hù)程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果在存入輸出映像寄存器和元件映像寄存器中。對(duì)于輸出映像寄存器和元件映像寄存器來(lái)說(shuō)，其容會(huì)隨程序執(zhí)行過(guò)程而變化。 輸出映像寄存器中的變量稱為輸出繼電器，一般用Y和Q表示，其狀態(tài)分為動(dòng)作和不動(dòng)作兩種，而且完全有程序執(zhí)行的過(guò)程而變化。 元件映像寄存器中的變量的類型較多，如M0.0稱為中間繼

41、電器，在程序中起輔助作用，相當(dāng)于中間變量。其狀態(tài)也分為動(dòng)作和不動(dòng)作。而且完全有程序執(zhí)行的過(guò)程而變化。 3.1.6 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 一個(gè)完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)包含兩方面的容：PLC控制系統(tǒng)和人機(jī)界面。PLC控制系統(tǒng)是完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)采集并且控制現(xiàn)場(chǎng)的功能；人機(jī)界面是人與控制系統(tǒng)進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交流的一個(gè)窗口，主要作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)計(jì)時(shí)，不但要熟悉PLC的硬件，還要熟悉PLC的軟件，以與人機(jī)界面軟件的編制方法和原則。 3.1.7 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)容 (l) 選擇I/O設(shè)備，I/O設(shè)備是PLC與控制對(duì)象連接的惟一橋梁； (2) 選擇合適的PLC，包括機(jī)型、容量、I/O模塊和

42、電源等的選擇； (3) 分配I/O點(diǎn)，繪制I/O端子的連接圖，是合理分配I/O點(diǎn)的必要保證； (4) 設(shè)計(jì)控制程序，需求分析、軟件設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、軟件測(cè)試； (5) 編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件，包括說(shuō)明書、電氣原理圖、電器布置圖、元器件明細(xì)表、PLC梯形圖等。 3.1.8 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 (l) 深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求； (2) 根據(jù)被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的功能要求和所需要的I/0信號(hào)的點(diǎn)數(shù)等，選擇合適類型的PLC。如果需要網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，還須選擇網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的類型； (3) 根據(jù)控制要求所需的用戶I/O設(shè)備，確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，并設(shè)計(jì)I/O端子的接線

43、圖； (4) 對(duì)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，畫出工作循環(huán)圖表:必要時(shí)還要畫出詳細(xì)的狀態(tài)流程圖表，它能清楚的表明動(dòng)作的順序和條件[13]； (5) 根據(jù)工作循環(huán)圖表或動(dòng)態(tài)流程圖表設(shè)計(jì)梯形圖。如果被控對(duì)象己經(jīng)有了繼電器控制線路圖，可把線路圖變換為梯形圖。設(shè)計(jì)梯形圖是編制程序的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先應(yīng)熟悉控制要求，同時(shí)還要有電器設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)； (6) 根據(jù)梯形圖編制程序清單，并且編制技術(shù)文件。 3.2 數(shù)字量模塊與模擬量模塊 信號(hào)模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，他們使不同的過(guò)程信號(hào)電壓或電流與PLC部的信號(hào)電平匹配。 S7

44、-300的信號(hào)模塊種類有：數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322，數(shù)字量輸入/輸出模塊SM323，模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332，模擬量輸入/輸出模塊SM324 和SM325.模擬量的輸入模塊可以輸入熱電阻，熱電偶，4-20mA DC和0到10V DC等多種不同類型和不同量程的模擬信號(hào)[14]。 3.2.1 SM321系列數(shù)字量輸入模塊 根據(jù)輸入點(diǎn)數(shù)的多少，SM321系列有6點(diǎn)，16點(diǎn)，32點(diǎn)三類。輸入電壓類型有直流和交流兩種，電壓等級(jí)有24DC，48-125DC ，120/230AC ，120AC等幾種。 信號(hào)模塊輸入點(diǎn)通常要分為若干組，每組在模塊部有電

45、器公共端，選型時(shí)要考慮外部開關(guān)的電壓等級(jí)和形式，不同電壓等級(jí)的信號(hào)必須分配在不同的組。 3.2.2 SM322系列數(shù)字量輸出模塊 SM321系列有6點(diǎn)，16點(diǎn)，32點(diǎn)三類，輸出開關(guān)器件有晶體管輸出方式，晶閘管輸出方式，繼電器輸出方式。電壓等級(jí)有24DC，48-125DC ，120/230AC ，120AC等幾種。 3.2.3 SM323是S7-300的數(shù)字量輸入/輸出模塊 它有兩種型號(hào)可供選擇。一種是8點(diǎn)輸入和8點(diǎn)輸出的模塊，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均只有一個(gè)公共端；另一種有16點(diǎn)輸入（8點(diǎn)1組）和16點(diǎn)輸出（8點(diǎn)1組）。這兩種模塊的輸入/輸出特性一樣。輸入、輸出的額定電壓均為DC24V，輸入電

46、流為7mA，最大輸出電流為0.5A，每組總輸出電流為4A。輸入電路和輸出電路通過(guò)光耦合器與背板總線相連，輸出電路為晶體管型，有電子保護(hù)功能[15]。 3.2.4 模擬量輸入/輸出模塊 西門子S7-300的模擬量模塊包括：模擬量輸入模塊SM331（AI）、模擬量輸出模塊SM332（AO）和模擬量輸入/輸出模塊SM334（AI/AO）等。 3.2.5 SM331模擬量輸入模塊 SM331模擬量輸入模塊的核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，由于若干通道公用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，所以在模擬量進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前，需要有多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)選擇通道，各通道是循環(huán)掃描的，因此每一個(gè)通道的采樣周期不僅取決于各通道的A

47、/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，還取決于所有被激活通道的數(shù)量。為了盡量縮短掃描周期，加快采樣頻率，有必要利用STEP7編程軟件屏蔽掉那些不用的通道。 3.2.6 SM332模擬量輸出模塊 模擬量輸出模塊用于將S7-300的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的模擬信號(hào)，控制模擬量的調(diào)節(jié)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，或者作為其他設(shè)備的模擬量的給定信號(hào)，其核心部件為D/A轉(zhuǎn)換器[16]。 SM332系列模塊的輸出精度主要有12位和16位兩種；輸出通道有2通道和4通道兩種形式；輸出信號(hào)可為電壓或電流。電壓的輸出圍可調(diào)為1-5V，0-10V，±10V。電流的輸出圍可調(diào)為：0-20mA，4-20mA，±20mA。 3.3 選擇S7-300的原

48、因與硬件的設(shè)計(jì) 3.3.1 前期疑問(wèn) （1）為何使用S7-300而不是S7-200; 1.S7-300系列屬于西門子大中型PLC，能夠滿足大，中規(guī)模的性能要求。而S7-200屬于小型PLC系列，適用于小規(guī)模的檢測(cè)，監(jiān)控以與控制自動(dòng)化領(lǐng)域。 2.S7-300系列屬于較新的產(chǎn)品，做為畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題，應(yīng)該學(xué)習(xí)新產(chǎn)品的利用，有利于提升自己的自學(xué)能力以與對(duì)新產(chǎn)品的運(yùn)用。 （2）S7-300與S7-200的特點(diǎn)有何不同; 1.S7-200特點(diǎn)：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；實(shí)時(shí)性強(qiáng)，強(qiáng)大的通訊能力；最重要的是性價(jià)比極高。 2.S7-300是模塊化的PLC系統(tǒng)：簡(jiǎn)單實(shí)用的

49、分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；可以自由擴(kuò)展；大量的集成功能使其功能非常強(qiáng)大。其中最重要的是通訊能力大大加強(qiáng)。 3.3.2 CPU模塊的選擇 過(guò)去，小風(fēng)機(jī)曾采用單片機(jī)做為核心控制單元(CPU ) ，采用其中的記數(shù)功能記錄風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)位置，但現(xiàn)在由于風(fēng)機(jī)的容量很大，控制柜中有很大的電壓和電流經(jīng)過(guò)，能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，對(duì)柜中的控制核心單片機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，容易使單片機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成巨大損失。所以本次課題，我采用的是西門子S7- 300 系列功能強(qiáng)大抗干擾性好的CPU 315- 2DP來(lái)保證控制核心單元的控制準(zhǔn)確。 具體參數(shù)比較表見表3-1 表3-1 S7- 300PL

50、C標(biāo)準(zhǔn)型CPU基本參數(shù)比較表 主要參數(shù) 312 314 315-2DP 317-2DP 318-2DP 最大安裝機(jī)架數(shù) 1 4 最大安裝模塊數(shù) 1*8 4*8 最大開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù) 256 1024 最大模擬量I/O點(diǎn)數(shù) 64 256 用戶程序存儲(chǔ)容量 16KB 64K 128K 512K 邏輯指令執(zhí)行時(shí)間 0．2μs 0．05μs 0．1μs 數(shù)據(jù)運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間 6μs 3μs 1μs 0．6μs 標(biāo)志寄存器數(shù)量 1024點(diǎn) 2048點(diǎn) 16384點(diǎn) 32768點(diǎn) 8192點(diǎn) 定時(shí)器數(shù)量 128 256 256

51、 512 計(jì)時(shí)器數(shù)量 128 256 256 512 可編程的塊總數(shù) 1024 1024 2048 可編程最大FC塊 512 512 2048 2048 1024 可編程最大FB塊 512 512 2048 2048 1024 可編程最大DB塊 511 511 1023 2047 2047 OB1程序容量 16KB 16KB 16KB 64KB 64KB 因?yàn)镃PU 315- 2DP具有中，大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如需要，可以供SIMATIC功能工具使用。同時(shí)對(duì)而進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力?？梢杂糜诖笠?guī)模的I

52、/O配制和建立分布式I/O結(jié)構(gòu)。 相對(duì)317-2DP和318-2DP型的CPU，價(jià)格便宜，比較實(shí)用。所以本次課題我選擇了CPU 315- 2DP。 3.3.3 模擬量模塊的選擇 SM334系列模擬量I/O模塊主要有AI4/AO 2×12 Bit和AI4/AO 8/8 Bit兩種規(guī)格。 AI4/AO 2×12 Bit模塊的特點(diǎn)是：分辨率12位；4個(gè)輸入通道分別為2組，可以測(cè)量電壓信號(hào)，電阻信號(hào)，熱電耦，電壓信號(hào)的測(cè)量圍是0-10V，不能測(cè)量電流信號(hào)；兩路電壓模擬量輸出，輸出圍0-10V，兩線制接法，沒(méi)有測(cè)量端。 AI4/AO 8/8 Bit模塊的特點(diǎn)是，分辨率為8位；4路輸入可測(cè)量電壓

53、和電流信號(hào)，兩路輸出；輸入和輸出的圍均為：電壓0-10V，電流0-20mA；輸入/輸出形式的選擇不是通過(guò)軟件組態(tài)，而是通過(guò)接線形式來(lái)確定，該點(diǎn)是與其他模塊最大的不同之處。 因?yàn)楸敬握n題所使用的風(fēng)向標(biāo)傳感器是輸出4-20mA的電流信號(hào)，所以我選擇了SM334系列的AI4/AO 8/8 Bit模塊[17]。 3.4 偏航系統(tǒng)硬件接線圖設(shè)計(jì) a)總覽圖 b）CPU315-2DP 接線圖 c)SM334的硬件接線 4 偏航控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.1 偏航控制基本控制設(shè)計(jì) 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制主要完成兩個(gè)功能： 1、使風(fēng)輪跟蹤方向的變化，利于最大風(fēng)能的捕獲； 2、

54、當(dāng)機(jī)艙的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。 圖4-1偏航控制框圖 偏航控制框圖如圖4-1所示。正常工作時(shí)，偏航系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，一般在風(fēng)輪的前部或者機(jī)艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時(shí)，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的確認(rèn)后，會(huì)控制偏航電機(jī)或者偏航液壓馬達(dá)將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方向。就偏航控制而言，對(duì)響應(yīng)的速度和控制的精度要求并不高，但是對(duì)風(fēng)過(guò)程中，整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是作為一個(gè)整體轉(zhuǎn)動(dòng)的，具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從控制的穩(wěn)定性角度考慮，應(yīng)該設(shè)置足夠大的阻尼。一般在風(fēng)輪的前部或者機(jī)艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時(shí)，控制器開始計(jì)時(shí)，這種方向偏差達(dá)到一定的時(shí)間后，才認(rèn)為風(fēng)向確實(shí)改

55、變，由控制器發(fā)出向左或者向右偏航的指令，直到方向偏差消除。偏航角度大小的檢測(cè)通過(guò)安裝在機(jī)艙的角度編碼器實(shí)現(xiàn)。作為角度編碼器失效的后備措施，在由機(jī)艙引入塔架的電纜上安裝有行程開關(guān)，電纜纏繞達(dá)到一定程度，行程開關(guān)動(dòng)作，控制器檢測(cè)到該信號(hào)會(huì)起動(dòng)相應(yīng)的處理程序。 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，如果向一個(gè)方向偏航的角度過(guò)大，將使由機(jī)艙引入塔架的各類電纜發(fā)生纏繞，影響整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常工作。因此當(dāng)偏航角度累計(jì)達(dá)到720°時(shí)，需要起動(dòng)自動(dòng)解纜控制程序，通過(guò)偏航調(diào)節(jié)使整個(gè)機(jī)艙回轉(zhuǎn)720°，完成解纜，解纜完成后，發(fā)電機(jī)組再進(jìn)入正常發(fā)電的工作狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)（具體數(shù)值可以設(shè)定），當(dāng)機(jī)艙偏航達(dá)到720度時(shí)也會(huì)起動(dòng)自動(dòng)解

56、纜程序，通過(guò)偏航調(diào)節(jié)使整個(gè)機(jī)艙回轉(zhuǎn)720度，完成解纜，解纜完成后，發(fā)電機(jī)組再進(jìn)入正常發(fā)電的工作狀態(tài)。 風(fēng)速對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、變槳距功率控制、發(fā)電機(jī)并/脫電網(wǎng)和停機(jī)保護(hù)等都有直接作用。因此，準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制中的重要容。 風(fēng)速的測(cè)量是通過(guò)風(fēng)速傳感器來(lái)完成的，風(fēng)速傳感器由一個(gè)槽形光電開關(guān)、遮光罩和三個(gè)風(fēng)杯組成，光電開關(guān)與遮光罩密封在一起，遮光罩與風(fēng)杯通軸安裝。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)光電隔離后，引入主控制器。 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制主要完成兩個(gè)功能： 1、使風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向的變化，利于最大風(fēng)能的捕獲

57、； 2、當(dāng)機(jī)艙的電纜發(fā)生纏繞時(shí)自動(dòng)解纜。 初始風(fēng)向 風(fēng)向標(biāo)與機(jī)艙夾角大于0，順時(shí)針偏航 風(fēng)向標(biāo)與機(jī)艙夾角小于0，逆時(shí)針偏航 機(jī)艙方向 改變后的風(fēng)向1 改變后的風(fēng)向2 圖4-2根據(jù)風(fēng)向標(biāo)選擇偏航方向示意 就偏航控制而言，對(duì)響應(yīng)的速度和控制的精度要求并不高，但是對(duì)風(fēng)過(guò)程中，整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是作為一個(gè)整體轉(zhuǎn)動(dòng)的，具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從控制的穩(wěn)定性角度考慮，應(yīng)該設(shè)置足夠大的阻尼。一般在風(fēng)輪的前部或者機(jī)艙一側(cè)，裝有風(fēng)向儀，當(dāng)風(fēng)輪的主軸與風(fēng)向儀指向偏離時(shí)，控制器開始計(jì)時(shí)，這種方向偏差達(dá)到一定的時(shí)間后，才認(rèn)為風(fēng)向確實(shí)改變。此時(shí)由控制器發(fā)出順時(shí)針或者逆時(shí)針偏航的指令，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整葉輪迎風(fēng)

58、面，直到方向偏差消除，根據(jù)風(fēng)向標(biāo)傳感器信號(hào)選擇偏航方向的方法如4-2所示。 偏航角度大小的檢測(cè)通過(guò)安裝在機(jī)艙的角度編碼器實(shí)現(xiàn)。偏航控制使得風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)風(fēng)輪始終垂直于風(fēng)向，以獲得最大風(fēng)能。然而由于風(fēng)向本身有一定的離散性，因此使風(fēng)向與風(fēng)機(jī)葉輪法線方向的偏差為零既無(wú)必要，也不可能。因此當(dāng)機(jī)艙的偏離角度在可接受圍以時(shí)，就可結(jié)束偏航。 4.2 I/O對(duì)照表 表4-1 偏航系統(tǒng)的具體I/O對(duì)照表 輸入 代碼 地址編號(hào) 名稱 DI0 I0.0 啟動(dòng) DI1 I0.1 制動(dòng) DI2 I0.2 順時(shí)偏航信號(hào) DI3 I0.3 逆時(shí)偏航信號(hào) DI4 I0.4 手動(dòng)

59、順時(shí)偏航控制 DI5 I0.5 手動(dòng)逆時(shí)偏航控制 DI6 I0.6 原始位置控制信號(hào) DI7 I0.7 順時(shí)針超過(guò)720° DI8 I1.0 逆時(shí)針超過(guò)720° AI1 IW0 順時(shí)針?lè)较蚱搅?--20mA AI2 IW2 逆時(shí)針?lè)较蚱搅?--20mA 輸出 DO1 Q0.1 電機(jī)順時(shí)旋轉(zhuǎn) DO2 Q0.2 電機(jī)逆時(shí)旋轉(zhuǎn) 4.3 偏航系統(tǒng)基本步驟設(shè)計(jì) 4.3.1 自動(dòng)偏航 a. 啟動(dòng)程序 1）偏航閘打開； 2）延遲1s； 3）檢查電纜是否纏繞 4）選擇偏航方向。 5）開始偏航。 b.停止程序 1）通過(guò)偏航閘制動(dòng)；

60、 2）解除偏航方向選擇。 具體流程如圖4-3所示 是否發(fā)生纏繞？ 機(jī)艙以對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向？ 風(fēng)向與機(jī)艙夾角>0°？ 順時(shí)針偏航 逆時(shí)針偏航 啟動(dòng)解纜程序 停止偏航 偏航完成？ Y Y N Y N Y Y Y N 延遲1S 啟動(dòng) N 圖4-3 自動(dòng)偏航 4.3.2 自動(dòng)解纜 解纜和扭纜保護(hù): 偏航系統(tǒng)的偏航動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙和塔架之間的連線電纜發(fā)生紐絞，所以在偏航系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置與方向有關(guān)的計(jì)數(shù)器對(duì)電纜的紐絞程度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于主動(dòng)偏航系統(tǒng)，檢測(cè)裝置應(yīng)在電纜達(dá)到規(guī)定的紐絞度之前發(fā)解纜信號(hào);對(duì)于被動(dòng)偏航系統(tǒng)，檢測(cè)裝置應(yīng)該在電纜達(dá)到危險(xiǎn)的紐角度之前禁止機(jī)艙繼續(xù)

61、同向旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行人工解纜。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)運(yùn)行模式，且電纜纏繞超過(guò)720°，執(zhí)行自動(dòng)解纜程序。 1）開始解纜 2）判斷解纜方向 3）到達(dá)初始位置時(shí)停止解纜 4）解纜完成自動(dòng)對(duì)風(fēng) 圖4-4偏航控制解纜程序流程 4.3.3 手動(dòng)解纜 1）手動(dòng)選擇解纜方向 2）開始偏航 3）到達(dá)位置自動(dòng)停止 具體流程如圖4-5 解纜是否完成？ 順時(shí)解纜纜 逆時(shí)解纜纜 順時(shí)針解纜？ 停止解纜 Y Y N N N Y 手動(dòng)解纜啟動(dòng) 圖4-5手動(dòng)解纜程序 4.4 偏航系統(tǒng)具體程序 4.4.1 自動(dòng)偏航程序 a）啟動(dòng)程序 按下I0.0為啟動(dòng)按鈕，M0.

62、0中間繼電器自鎖。 b）延時(shí)程序 按下啟動(dòng)按鈕后延時(shí)1S。 c）將風(fēng)向標(biāo)傳感器輸出的模擬量信號(hào)保存在中間存儲(chǔ)器中。其中順時(shí)針偏航傳感器模擬量保存在MD0中；逆時(shí)針偏航傳感器模擬量保存在MD2中。 d）把輸入的模擬量個(gè)變成對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并與設(shè)定值相比較。 e）把比較結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行自動(dòng)偏航。 4.4.2 自動(dòng)解纜程序 當(dāng)順時(shí)針超過(guò)720°時(shí)，逆時(shí)針解纜開始運(yùn)行。解纜運(yùn)行到初始位置時(shí)，停止解纜。 當(dāng)逆時(shí)針超過(guò)720°時(shí)，順時(shí)針解纜開始運(yùn)行。解纜運(yùn)行到初始位置時(shí)，停止解纜。 逆時(shí)針解纜開始 順時(shí)針解纜開始

63、 4.4.3 手動(dòng)解纜程序 開啟手動(dòng)解纜，其中I1.0，I0.7為限位保護(hù)開關(guān)，防止手動(dòng)操作失誤而引起的傷害事故。 5 總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文主要從介紹風(fēng)力的資源開始，到偏航系統(tǒng)的意義，以與對(duì)PLC、CPU和模擬量模塊的型號(hào)的選型，對(duì)選型依據(jù)做了簡(jiǎn)單的介紹。同時(shí)對(duì)I/O口進(jìn)行了設(shè)定，并且嘗試編程。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我充分體驗(yàn)到完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是多么的不容易，從最開始的選型、接口的設(shè)定到軟件的調(diào)試，其中遇到了很多困難。在指導(dǎo)老師的幫助下，最終完成了大部分程序的調(diào)試。 其實(shí)這次課題令我最高興的地方是我可以學(xué)有所用，以為這次的課題是一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目，雖然我做的是其中的一小

64、部分，但是通過(guò)實(shí)際的編程以與對(duì)S7-300的自學(xué)，不僅是對(duì)以前知識(shí)有所復(fù)習(xí)，又是對(duì)自己能力的一大提升，這將對(duì)我以后走進(jìn)工作崗位有很大的幫助！ 參考文獻(xiàn) [1]中國(guó)能源的發(fā)展與展望[R]. : 中國(guó)計(jì)量，2003. [2]全球氣候變化報(bào)告，應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)[R]. 英國(guó)公共政策研究院、美國(guó)發(fā)展中心、澳大利亞學(xué)院機(jī)構(gòu)聯(lián)合撰寫. 2004. [3]何祚麻，王亦楠.風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最現(xiàn)實(shí)選擇[J].電力，2005，(1) [4] 賀德馨. 中國(guó)風(fēng)能開發(fā)利用現(xiàn)狀與展望[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)(特刊)，1999. [5] 思亮，湯建新.PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

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