西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8物优价廉

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在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况。变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制。本文针对国外某风电公司液压变桨距风力机，采用可编程控制器(plc)作为风力发电机的变桨距控制器。这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。本文介绍了液压变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统。后在国外某风电公司风力发电机组上做了实验，验证了将该变桨距控制器可以在变桨距风力机上安全、稳定运行的。
随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得更加突出：既能tigao风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持佳转换效率，使输出功率大，从而tigao系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋。目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种。在统一变桨基础上发展起来的独立变桨距技术，每支叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高等优势，越来越受到国际风电市场的欢迎。
在变桨距系统中需要具有高可靠性的控制器，本文中采用了omron公司的cj1m系列可编程控制器作为变桨距系统的控制器，并设计了plc软件程序，在国外某风电公司风力发电机组上作了实验。
变桨距风力机及其控制方式
变桨距调速是现代风力发电机主要的调速方式之一，如图1所示为变桨距风力发电机的简图。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位jingque、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变距装置大多采用液压系统作为动力系统。

图1 变桨距风力发电机简图

如图2所示为变桨距控制器的原理框图。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用pi（或pid）控制，功率误差信号经过pi运算后得到桨距角位置。

图2 变桨距风力机控制框图

当风力机在停机状态时，桨距角处于90°的位置，这时气流对桨叶不产生转矩；当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90°以一定速度（约1°/s）减小到待机角度（本系统中为15°）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3°（桨距角在3°左右时具有佳风能吸收系数）；发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3°不变；当风速高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10v－+10v电压，控制比例阀输出liuliang的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的liuliang和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20°/s。
变桨控制器的设计
◆系统的硬件构成
本文实验中采用国外某风电公司风力发电机组作为实验对象，其额定功率550kw，采用液压变桨系统，液压变桨系统原理图如图3所示。从图3中可以看出，通过改变液压比例阀的电压可以改变进桨或退桨速度，在风力机出现故障或紧急停机时，可控制电磁阀j-b闭合、j-a和j-c打开，使储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90°）。

图3 液压变桨距控制系统原理图

本系统中采用omron公司的cj1m系列plc。发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0～10v对应功率0～800kw）输入到plc，桨距角反馈信号（0～10v对应桨距角0～90°）以模拟量的形式输入到plc的模拟输入单元；液压传感器1、2也要以模拟量的形式输入。在这里选用了4路模拟量的输入单元cj1w-ad041；模拟量输出单元选用cj1w-da021,输出信号为-10v～+10v，将信号输出到比例阀来控制进桨或退桨速度；为了测量发电机的转速，选用高速计数单元cjw-ct021，发电机的转速是通过检测与发电机相连的光电码盘，每转输出10个脉冲，输入给计数单元cjw-ct021。
◆系统的软件设计
本系统的主要功能都是由plc来实现的，当满足风力机起动条件时，plc发出指令使叶片桨距角从90°匀速减小；当发电机并网后plc根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。在有故障停机或急停信号时，plc控制电磁阀j-a和j-c打开，j-b关闭，使得叶片迅速变到桨距角为90°的位置。
风力机起动时变桨控制程序流程如图4所示。当风速高于起动风速时plc通过模拟输出单元向比例阀输出1.8v电压，使叶片以0.9°/s的速度变化到15°。此时，若发电机的转速大于800r/min或者转速持续一分钟大于700r/min，则桨叶继续进桨到3°位置。plc检测到高速计数单元的转速信号大于1000r/min时发出并网指令。若桨距角在到达3°后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1v电压，使桨距角退到15°位置。

图4 风力机起动变桨控制程序流图

发电机并上电网后通过调节桨距角来调节发电机输出功率，功率调节程序流程图如图5所示。当实际功率大于额定功率时，plc的模拟输出单元cj1w-da021输出与功率偏差成比例的电压信号，并采用lmt指令使输出电压限制在-4.1v（对应变桨速度4.6°/s）以内。当功率偏差小于零时需要进桨来增大功率，进桨时给比例阀输出的大电压为1.8v（对应变桨速度0.9°/s）。为了防止频繁的往复变桨，在功率偏差在±10kw时不进行变桨。

图5 变桨调功程序流程图

在变桨距控制系统中，高风速段的变桨距调节功率是非常重要的部分，若退桨速度过慢则会出现过功率或过电流现象，甚至会烧毁发电机；若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率波动较大，而且会缩短变桨缸和变桨轴承的使用寿命。会影响发电机的输出功率，使发电量降低。在本系统中在过功率退桨和欠功率进桨时采用不同的变桨速度。退桨速度较进桨速度大，这样可以防止在大的阵风时出现发电机功率过高现象。

2.设备说明
该设备用于化纤多次拉伸、卷曲前处理生产，主要由导丝架、八棍导丝机、热水槽、牵伸机、水浴槽、第二牵伸机、蒸汽箱、第三牵伸机、叠丝机、张力架、卷曲机、卷曲侧板电机、油泵电机、振动电机、循环水泵、振动检测等设备构成。i/o控制规模为103点，其中开关量输入点为61点，开关量输出点为39点，模拟量输入点为3点。主要控制要求为：化纤丝的速度、牵伸比、蒸汽及水温、相关的连锁逻辑控制等。本系统控制的关键是要保证导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲五台电机的速度同步。
3．系统配置
如图，系统采用三菱公司的q系列plc作为主控制器，传动控制为艾默生公司的ev2000系列变频器，人机界面为f940got。

系统主要配置如下：
●主控制器：q00cpu：速度和牵伸比给定，通过i/o模块，检测现场各机台急停，限位等开关量及模拟量信号，完成连锁控制及报警功能。
●输入模块：qx40：完成现场的开关量控制采集，
●输出模块：qy10：完成开关量输出。
●模块量输入：q64ad：以完成现场的模拟量检测。
●串行通讯模块：：构成变频器通迅链路。
●传动驱动单元：艾默生公司的ev2000系列变频器。
鉴于篇幅的原因，本文主要描述系统控制的关键设计和实现，即保证导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲五台电机的速度同步。客户基于成本的因素，传动驱动单元选用艾默生公司的ev2000系列变频器，并要求主控制器和其构成一个以rs485为通讯介质的低速廉价通讯链路。尽管导丝、一牵、二牵、三牵、卷曲5台变频器采用共用直流母线运行方式，并安装增量式编码器构成转速闭环以tigao速度精度，卷曲机变频器还外加张力传感器以稳定控制拉伸张力，tigao纤维质量，但是在设备起停过程特别是在运行过程中调整运行速度和牵伸比等工艺参数时低速通讯链路的实时性的问题就表现出来了。
在设计上，虽然一个通讯模块可以组成485网络，但因为通信量很大，我们必须实时发送电机的速度指令及起停信息，同时还要不断读取变频器的工作电压、电流、频率等参数，所以如果采用一块模块的话，通信周期将增大，也就达不到实时的作用。所以我们选用两块485通讯模块，即四个通讯口同时对一牵、二牵、三牵、卷曲四台变频进行通讯，而导丝和一牵共用一个通讯口，在下一周期通讯。考虑到通讯协议帧长度长为18个字节，在19200bit/s传输速率下，各速度指令响应的大时差为20ms左右，当大车速为200m/min时，尽管导丝略有滞后，但在工艺上是可以接受的。该方案可以有效地解决速度指令的同步能力，实现开车起步和停车过程中按指令同步升降速以及运行中速度调整时五台电机速度的同步和纤维拉伸张力的均匀。
4．调试情况和体会
在实际调试过程中，系统基本符合我们预想。但在通讯调试中，我们发现q系列plc在搭载多通讯模块系统时，通讯的稳定性和plc的扫描周期的长短有关。随着功能的不断增强，程序的不断完善，扫描周期也随之加大，当大扫描周期大于25ms时，通讯开始有不稳定现象出现。
现象：我们用的专用通讯指令来接受通讯数据，当扫描周期大于25ms时，在同时通讯的4个口中，排在程序的后一个口偶尔会有通讯错误，当接受标志位已跳变为on，表示数据已接受完毕，但接受数据区中却无数据。我们对同时通讯的四个口的程序次序颠倒过来发现情况依旧，错误只发生在次序排在后的一个口。
分析原因：我们认为是通讯时序出现了问题，系统接受标志位的跳变和系统数据的传递不同步，即系统内部通讯标志建立时，通讯缓冲区的数据尚未来得及传送完毕。故我们判断扫描周期延长会影响系统通讯的时序。解决办法：精简程序来缩短扫描周期或更换高速plc。但由于本系统程序量较大，后为了保证系统的可靠性我们将cpu从q00更换为q02，tigao了系统处理速度，把扫描周期降低至10ms以下，问题得以解决。
5．用户的反馈
本系统已正常投产三个多月，目前系统运行非常稳定、可靠，技术指标完全达到了设计效果

§1前言
煤矿胶带机集控系统运行安全可靠与否直接影响矿井的经济效益。为tigao系统的可靠性和安全性，实施集中监控，实现系统的综合保护和集中监控，是十分必要的。
唐山开诚电器有限责任公司生产的智能皮带机集中控制与监测系统是应用于矿山皮带运输自动化的高科技产品，本系统是以《煤矿安全规程》为依据，总结矿山运输过程中所出现的事故，本着安全性高、实用性强、具有先进性的特点而研制开发的新一代综合控制系统。
集控系统与调度电话系统、工业电视系统一起，构成一个完整的操作、调度、监视网络，实现对整个系统的遥测、遥信、遥控。该系统可实现tigao生产效率、降低事故率，减少故障处理时间、减少现场操作人员、tigao经济效益。
§2集控系统的描述
目前，plc始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
在全球工业计算机控制领域，围绕开放式过程控制系统、开放式过程控制软件、开放式数据通信协议，已经发生巨大变革。随着plc(softplc)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有softplc组态软件和基于工业pc过程控制系统正在逐步得到发展。对于控制软件来讲，是plc控制器的核心，向工业用户提供开放式的编程组态工具软件。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将plc融入更加开放的工业自动化控制。
本系统采用全分布式控制结构。由井下控制站和综合操作台构成。综合操作中心位于地面中央控制室。系统采用日本菱电公司的ans和fx系列plc，控制主站与控制分站之间采用菱电开放的网络总线结构cc-bbbb,控制分站与传感器之间采用距阵结构联接，控制主站与综合操作台的监控上位机之间通过cc-bbbb总线网络联接。控制分站负责现场设备的数据采集和控制，通过监控，可对整个系统的设备进行监视和集中控制。

本系统是以菱电ans和fx系列plc作为主控元件，具有防潮、抗干扰能力强，现场易编程、易扩展，基本免维护，并能够实现软件控制化，自动检测系统故障等功能。系统采用多台plc组成数据传输网络，达到不同的规模控制。完成一个系统内多条皮带全过程的监控、监测、连同地面指挥管理中心站，构成一个完善的监控系统。
§3网络系统
考虑到煤矿的现场情况和控制距离,在地面控制中心设置控制主站,采用三菱的大中型plc-ans系列,网络选用开放的cc-bbbb总线,在控制距离大于1200米的两个控制站间要加中继器,在皮带机头设置控制设备分站。控制设备分站负责现场的信号采集与现场的实时控制。
系统为实时监控网络结构，具备有完善的生产监控管理功能，对皮带运输主要环节及相关的辅助环节的生产过程进行实时数据采集、传输、处理、显示、记录打印，对井下运输皮带系统进行远程集中监控，同时配合工业电视系统进行安全图像监视，以确保人员及设备的安全。
监控网络实施后，操作员可在中控室终端上监视控制运输皮带生产过程，完成对运输皮带生产及相关环节的“遥测、遥信和遥控”，实现矿井运输皮带生产系统的综合自动化。

1.实时运行参数监测。各监控系统实时采集生产工况参数，可以采用图形、报表的形式显示系统的实时工况及目前产量、仓储等。
2.实时过程控制。分析采集的参数，各系统自动完成过程控制，或由操作员操作控制。
3.历史数据查询。以上生产实时监测数据均可存贮于生产实时数据历史数据库中，可实现历史回显、历史趋势分析，及直方图、饼图等进行综合分析。

4.设备故障及模拟量超限报警。当设备故障或模拟量超限时，生产监测及管理网络同步显示故障设备名称，并可实现语音报警、实时打印故障功能。服务器将该故障信息存入故障信息数据库，供以后统计分析。
5.优化生产计划。在网络服务器中建立了综合历史数据库，定时将生产、经营等数据存入数据库中，制作计划、生产完成情况的趋势分析图表，为今后的生产计划提供参考；根据外运下达计划和设备实际状态、仓储煤量，合理安排生产计划、设备维修计划，以大限度地减少对生产的影响。

§4操作员工作站
根据监控子系统功能，在监控中心设置工作站,运输系统监控工作站它们的功能有：
1.根据操作人员不同，设定不同的使用权限，各司其职；
2.提供交互式全中文界面的操作平台，各子系统设备运行状态及参数直观动态显示；
3.根据工艺流程及联锁关系实现各子系统的自动/手动/就地控制；
4.实时设定各种运行、生产工艺参数；
5.实时监视各子系统设备的运行参数及状态，同时将各参数数据贮存在硬盘上，将必要的数据上传至数据服务器；

6.实时监视各子系统传感器的当前状态及参数；
7.对各个设备及必要传感器的故障状态实时报警，报警方式为声光报警。并且打印实时报警，同时将报警数据贮存入数据服务器，便于统一管理，以便对报警信息进行事故分析；
8.随时查询、打印实时趋势以及任意时间段的历史趋势；
9.随时查询、打印任意时段历史数据报表。

§5工程师站
工程师站除具有操作员工作站的一切功能外，还具有如下功能。
1.根据工艺的调整在线修改控制器程序，以适 应新工艺的需要；
2.将监控系统中有关数据进行转换，进入全矿的信息管理系统中；
3.设置彩色打印机，打印实时的彩色画面及彩色的趋势图；
4.当某个子系统的操作员工作站发生故障时，可以马上通过设定操作人员权限，将工程师站转换成为该子系统的操作员工作站。
§6皮带运输监控系统
本系统由运输皮带机、给煤机等基本设备组成，利用控制设备、通讯模块、打滑、堆料、超温、烟雾、纵撕、灭尘、速度、跑偏、煤位等保护,达到皮带机集中控制与监测系统的要求。
系统采用多台plc组成数据传输网络，达到不同的规模控制。完成系统内皮带，给煤机的全工作过程的监控、监测、连同地面中控室，构成一个完善的监控系统。
1）实现胶带机运输系统集中监控，实时监控设备状态和运行参数，并显示数据曲线，对重要信息在硬盘记录；
2）控制方式分集控自动/集控手动/就地，三种方式可转换。正常生产时，使用集控自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程由中央控制台自动启停；集控手动时，可在中央控制台操作各设备，无闭锁和联动关系；就地时，在现场操作；
3）启动设备前由集控台发预告信号，预告30秒后，若现场均满足集控自动启动条件，设备按顺序自动启动。现场可用停车钮停止启动过程；
4）现场信号箱设起/停车按钮，现场可随时停车。若设备由集控启动，控制系统接到现场停车停号后，可作急停处理，实施故障停车操作；
5）按“技术规定”胶带运输机装设拉线开关、跑偏保护、低速保护等，这些信号均接入集控系统，参加设备的紧急停车和闭锁停车；
6）对设备故障和工艺参数的异常实时报警，并进行声光提示。一般故障只报警，现场非正常停车或严重故障时，故障设备及其上游设备紧急停车，下游设备顺煤流延时闭锁停车。
6.1系统的主要功能
1.每台设备机头旁均设有就地操作控制箱，上有工作方式转换开关及就地起停钮；
2.所有胶带机上的给煤点均设置堆煤保护和纵向撕裂保护，以防止胶带机事故的扩大化；
3.所有胶带机均设有两极跑偏开关，每隔约50米设置一对跑偏开关，一级跑偏用于故障报警，二级跑偏用于故障停车；
4.所有胶带运输机，均设拉线开关，用于紧急情况下的停车，急停拉线开关的安装间距均确定按50米进行配置，并可扩展下皮带的跑偏保护，以保证设备和人身安全；
5.扩音电话采用新型的选拨电话系统，安装间距确定按200米进行配置；
6.水平胶带机的拉紧装置为液压调节方式，开诚提供一套胶带机的松带检测传感器，由plc控制完成胶带机的张力自动调节功能；
7.在皮带机头设置堆煤传感器，防止皮带的堆煤事故的发生；
8.在皮带机设置皮带速度传感器，以检测皮带的超速及打滑事故的发生；
9.在皮带巷道设置烟雾传感器，以检测皮带巷道的烟雾浓度防止火灾事故的发生；
10.在皮带机的主滚筒设置温度传感器，随时检测滚筒的温度，并配备自动撒水装置，在滚筒超温时实现自动撒水并对主滚筒进行降温；
11.胶带运输机每隔约100米设起动预警装置，设备启动前发出预警信号，提示有关人员应立即远离设备；
12.电机的电流实时监测功能可发现一些机械设备的潜在故障隐患；运行中对电机的电流进行实时监测分析，当发生电流超限或突变时报警，严重时停机。
13.实现对给煤机与皮带的闭锁，实现与以前皮带的闭锁功能，具有自动、手动、检修等控制方式；
14.在软件与硬件上开发了先进的矩阵控制功能，节省主电缆的开支；
15.自控系统在性能上具有良好的抗湿热性、抗干扰性，在结构上满足在井下条件能够迅速检修或更换元器件，根据煤矿井下的现场环境，控制箱采用不锈钢结构，其他采用防腐措施；
16.可根据胶带机系统的故障性质，进行紧急停机、顺序停机或发出报警声光信号；
17.在集中操作台上能集中显示胶带机的工作状态、故障类型、故障地点；
18.隔爆软启动器或隔爆变频器纳入监控；
19.多种操作方式。控制方式有：集中联动、集中手动、就地联动、就地手动、禁起等方式，使系统操作灵活、可靠。在集中方式，所有设备由集控室操作员通过上位机操作；
20.多种流程选择。在联动方式下，可根据工艺选择运输流程，胶带启动按顺煤流方向，并根据胶带速度、长度延时开车，以减少运行时间；重载启动时，按逆煤流方向启动；系统停止或无煤时延时自动停车；
21.完善的信息处理功能，报警信息、运行参数、操作记录等信息自动形成标准格式的数据库文件，并在硬盘长期保存，供信息系统调用；
22.实现系统集中监控，生产数据微机化管理
1)界面直观友好，操作简便，功能齐全。有形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有实时报警监视、安全确认机制和数据记录功能。对操作员素质无特殊要求，培训简单；
2)对报警信息和重要运行参数在硬盘记录，数据表格和曲线可随时调出；
3)生产数据存入计算机硬盘，可由管理信息系统按需调用。
6.2可实现自动化控制系统与生产管理系统数据共享
计算机管理工作站设信息管理系统，决策者通过管理工作站可根据各自权限远程访问监控上位机，得到现场生产数据报表、设备管理信息和生产统计分析。
6.3具有故障自诊断功能
1.网络故障自诊断。当网络由于发生断线、干扰等传输问题时， 网络会自动侦测到，并发出报警；
2.plc故障自诊断。plc的扫描器和适配器发生故障时，系统会通过网络的通讯情况判断故障，并发出报警；plc的i/o模块发生故障时，cpu会通过i/o模块的状态位侦测到故障及故障内容，系统会发出报警；
3.传感器和信号线故障诊断。模拟量的传感器或信号线发生断线故障时，plc通过测量值判断故障并发出报警。
6.4维护方便
1.i/o模块采用可拆卸端子排，出现故障时，集控室发出声光报警，可在几分钟之内即可更换完毕；
2.系统扩展方便，增加新设备或上后期工程，可以方便地加入节点，并可通过网络在线修改程序；
3.系统具有自诊断功能，能及时报告故障时间、位置、类型等信息，更便于维护。
6.5集控系统的特点
本集控系统具有以下几方面特点：
1.选用先进的控制器，系统的实时性好，可靠性高，数据处理速度快；
2.采用全分布式控制结构，系统具有较高的安全性。当地面部分出现控制故障时，井下部分仍可实现集控运行；
3.通讯网络速度快，距离远，可靠性高；
4.界面直观友好，操作简便，功能齐全。人机界面不仅具有形象逼真的动态画面和全中文显示，还具有实时报警监视、安全确认机制和数据记录功能；
5.减少布线成本，由于采用远距离通讯网络，使布线更加方便，并大大减少电缆用量；
6.维护方便，运行费用低。系统扩展方便，可随时增加节点，并可通过网络由中控室在线修改程序。控制器和网络可靠性高，维护工作量小；
7.总结各矿胶带运输系统的经验教训，特别采取了增加设备可靠性的措施，如选用先进可靠的控制器和网络产品