西门子CPU模块6ES7211-1AE40-0XB0

1  引言
    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：既能提高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**转换效率，使输出功率*大，从而提高系统性能。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。
    兆瓦级变速恒频变桨距风电机组是目前国际上技术比较先进的风力机型，从今后的发展趋势看，必然取代定桨距风力机而成为风力发电机组的主力机型。其中变桨距技术在变速恒频风力机研究中占有重要地位，是变速恒频技术实现的前提条件。研究这种技术，提高风电机组的柔性，延长机组的寿命，是目前国外研究的热点，国内对此研究甚少，对这一前瞻性课题进行立项资助，掌握具备自主知识产权的独立变桨控制技术，对于打破发达国家对先进的风力发电技术的垄断，促进我国风力发电事业的发展具有重要意义。
    为了获得足够的起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，在国外某知名风电公司风力发电机组上作了实验。

2  变桨距风力机及其控制方式
    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，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。
    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**、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[4][5]。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**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，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的流量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。

3  变桨控制器的设计
3.1 系统的硬件构成
    本文实验中采用国外某知名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。
3.2 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，在额定风速之上，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，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。
    图6为变桨距功率调节部分的梯形图程序。100.08是启动功率调节命令，当满足功率调节条件时，继电器100.08由0变为1；d2100存放的是发动机额度功率与实际功率的偏差，当偏差δp满足-10kw<δp<10kw时将0赋给d2100；60.07为1时即功率偏差为负值，d2100中的功率偏差按一定比例进行缩放，并通过lmt指令限位输出到比例阀，输出的*小值对应-4.1v电压；若继电器60.07为0，即功率偏差为正值，将d2100的值通过scl3指令按比例系数缩放，并通过lmt指令输出到比例阀，输出的电压*大值为1.8v。

图6  变桨距功率调节程序

4  结束语
    采用omron公司的cj1m系列plc作为大型风力发电机变桨距系统的控制器，已经在广东南澳岛的国外某知名风电公司型变桨距风力机上作了实验。在现场的实验记录表明，采用这种plc控制系统可以使风力机安全运行，在出现停机故障时可以迅速顺桨停机；运行时满足功率*优的原则，在额定风速之下时桨距角保持在3°不变，在高风速时能够根据输出功率调整桨距角的位置，使输出功率维持在550kw左右，在高风速阵风时，功率波动不超过额定功率的10%，满足设计要求。由于变桨距系统中采用了plc作为控制器，使得该系统仅用简单的软件程序就完成了复杂的逻辑控制，抗干扰能力强，性能可靠。

1  引言
    中铝青海公司炭素厂原料库现有4台上世纪80年代中期生产的桥式抓斗天车(沈阳冶金机械厂)，其承担着我厂每年20多万吨散装物料的装卸和转运等工作。抓斗天车是炭素原料石油焦和沥青等散装料装卸、运送的专用设备，这4台天车电气控制采用继电器-接触器控制，串电阻能耗多级调速，其控制水平低。原料库贮存着大量粉装物料，其厂房内碳粉尘多，环境恶劣，电器故障率高，严重影响着炭素原料输送作业，且每年维修费用很高。为解决这种被动局面，我们采用plc、 变频器等电气产品对整车电气系统进行了改造。经过2年实际应用，其结果证明其改造效果十分成功，彻底解决了抓斗天车原来电器故障频繁、器件易被烧的问题，天车控制技术得到大幅提高，天车工作效率提高25%以上(原来每班连续作业7小时才能完成的任务，现在只用5小时左右就能完成)；采用先进的控制技术和驱动技术，使天车运行更加节能，高效，安全，可靠。

2  系统设计与主要配置
2.1 电器控制柜
    由于炭素原料库内炭粉尘多、环境较为恶劣，为更好的提高plc、 变频器等电器器件的工作稳定性、延长使用寿命和降低其设备故障，其plc、 变频器等电器器件均安装在密闭的控制柜中。
2.2主控制器plc及 hmi的选型
    由于目前电器产品十分繁杂，在天车改造方案确定后，通过项目论证中，技术人员普遍认为选用欧姆龙产品比较理想，由于欧姆龙的电子产品已在我厂应用十分广泛，其质量高、耐用，其产品货源充足、中文资料丰富、备品备件方便，技术服务方便、国内维修便利等特点。尤其是在炭素企业，其要求控制产品要有很高的抗躁性和耐用性。例如，像欧姆龙生产的plc——c200h、 c40p已用了20余年，目前仍然正常工作，其日常维护工作很少，且工作十分稳定。欧姆龙的plc编程方式简单、方便、一线维修人员十分熟悉、了解。cp1h系列plc具有快速的处理器，执行基本指令只需0.1μs；*大支持320点开关量；4入2出模拟量功能，分辩率为1/12000；标准搭载4轴高速计数器功能(单相100khz/相位50khz)和4轴100khz高速脉冲输出；标准usb端口；串行通讯端口可自由选择(rs-232c和rs-485)；支持hostbbbb、 nt bbbb、 compobus/s、 devicenet、 profibus-dp、controllerbbbb、 ethernet、 协议宏、modbus-rtu等多种通讯方式及串行plc连接功能；支持cpm和cj1系列plc的扩展单元。其天车主控制plc选用cp1h—x40dt—d；扩展模块cpm1a—40edt。
    nt20s是欧姆龙公司为小型控制系统设计的中型显示器，是一个简单实用的终端机。nt20s分辩率为256×128点，*大画面数达500幅； nt20s有内存、开关自检，通信和其他条件状态设定确认，简单通信确认等维护功能；还拥有不反光荧幕，可以调换背光灯来延长使用时间；在恶劣环境下也能运作。
2.3 变频器选择
    抓斗天车一般工作在频繁启动、制动和重载状态；拖动控制变频器要满足生产工艺条件为前提，又要耐用、经济、节能。通过对我厂实际使用的多种变频器性价分析，结合本系统控制功能的要求，选择ctv28系列(施耐德生产)的变频器较为适宜，此系列变频器价低质优、抗燥耐用，易实现模拟量控制等特点，也适合炭素恶劣环境使用。其改造费用低。其天车改造配用的变频器参数如下：
    (1) 大车变频器选用ctv-28hd41 n4 30kw 20hp 62a 380v50hz 1台。
    (2)小车变频器选用ctv-28hd12 n4 7.5kw 10hp 17a 380v 50hz 1台。
    (3)提升变频器选用ctv-28hd41 n4 30kw 20hp 62a 380v 50hz 1台。
    (4)闭合变频器选用ctv-28hd38 n4 28kw 20hp 54a 380v 50hz 1台。
2.4 保留绕线电机
    为充分利用原有设备的电器备件，降低改造费用，并考虑设备的实际拖动要求，原来采用的绕线式异步电机技术性能完全满足变频调速改造要求。绕线式异步电机具有启动电流平稳、冲击小、调速稳定、动态性好等特点。在抓斗天车变频改造中，我们继续使用了原本的旧电机，由于原料库为室内工作场地，其环境温度通常较低(夏季*高不超过怕19℃)；又天车工作流动性大、非连续方式，故其普通绕线式电机采用变频控制后，不会出现温度过高现象。其电机技术参数如下：
    (1) 大车电机：
    yzr—160l-6  11kw  2台；
    (2) 小车电机：
    yzr—132m2- 6  5.5kw  1台；
    (3) 提升电机：
    yzr—250m1- 6  22kw  1台；
    (4) 闭合电机：
    yzr—250m1- 6  22kw  1台。
2.5 其它电器产品选型
    根据多年的实际维修统计，欧姆龙生产的各类开关(如感应式、光电式、超声波式等系列)，其十分耐用(有的连续使用20多年后，还仍然工作稳定、准确；过去采购的备件，目前库存很多)。一线技术人员普遍极为信任欧姆龙电器产品的质量，建议抓斗天车改造电器件选用欧姆龙产品较为适合、经济。如e3z——d8(24dcv，omron)接近限位开关十分适合移动设备和恶劣环境条件下工作的天车类设备使用，其动作距离*大可达到32cm、动作灵敏、准确，工作电压低，质量高，抗躁。如我厂阳极组装托盘反转机、浇铸机、悬链输送机、普通天车等设备均使用这类限位开关，其通常工作于长期连续通电状态，近20多年来，除了几次认为机械撞坏外，很少发生烧坏、动作失效、新能老化等异常现象。
    天车大、小车驾驶操作器选用沈阳一家电器公司生产的天车专用模拟控制方式的联动控制台，其具有模拟信号输出和常规换向输出功能，其模拟量信号变化能与操作手柄转动的角度大小正比例输出，与老式的凸轮控制器操作反腐蚀十分相似。

3 项目实现
3.1 原理设计
    经过综合分析与调查，决定对原料库4台抓斗天车实施plc和变频调速技术改造。采用模拟信号联动控制台实现大、小车无级调速；提升采用5级调速；闭合采用2级调速的控制策略；大小车行走、提升、仓门、平台口安全防护等保护装置，均采用非接触感应式开关或光电式行程开关；天车安全防护、逻辑联锁等措施均采用plc程序实现；天车运行、状态等相关信息进行在线显示、记录和存贮等功能。
    系统上电后，在无故障反馈情况下，司机室驾驶员通过操作控制台给出运行指令，plc按照一定的指令逻辑关系，控制变频器以一定的速度工作；天车运行全程故障监视，轻故障声光提示，重故障紧急停机。运行数据及历史记录通过rs485串行通讯接口传送到触摸屏用于监视，以便于驾驶员对运行状况能准确的把握，也便于工作人员维护。
    桥式抓斗天车总系统控制原理如图1所示；天车plc部分控制接线原理如图2～图4所示；大小车变频控制接线原理如图5所示；提升、闭合变频控制接线原理如图6所示。

图1  抓斗天车配置与控制系统原理图

图2  plc与大、小车操作控制台接线图

图3  plc与提升、闭合操作控制台接线图

图4  plc与天车保护装置接线图

图5  大车、小车变频调速系统接线图

图6  抓斗提升、闭合变频调速系统接线图

3.2  项目评估
    改造完成后，通过2年的实践运行结果证明，其系统控制和变频调速效果十分理想，达到了改造目的。其效果和特点如下：
    (1) 电气控制采用plc控制技术，使硬件结构接线简单，简化控制设备、联锁可靠、便于维修、方便调试、降低故障，以提高天车的作业效率。该系统保护功能及档位逻辑控制由plc来**实现，提高了整套系统的准确档次，实现了可靠性高、保护措施全面、控制灵敏等电气控制系统要求的特点。
    (2) 实现了抓斗天车的微动和超低速运行，使大、小车定位更准确，方便驾驶人员的操作，天车工作效率得到显著提高。提高了天车的控制技术性能，大幅减少了天车配线，解决了天车频繁发生故障问题，维修成本大幅降低。
    (3) 采用变频调速技术对大、小车的行走速度，使得调速平滑、定位准确、接线简单、调速性能可靠；超低速控制调速的设计，使天车真正实现了微动控制功能，对实现天车抓料、卸料和运料等作业十分有利。
    (4) 变频控制电机的起动、调速、换向和制动功能，使天车控制、运行更加平稳、安全、可靠。解决了过去大车、小车滑行距离长、抓料过程中频繁撞坏料仓的问题。
    (5) 所有电器控制柜均采用密封性良好的密闭柜，解决了原料库恶劣环境、高粉尘对电器元气件的影响。天车电器方面故障降至2—4次/台·月(改造前平均为28—36次/台月)。
    (6) 完善变的频器保护功能。如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下天车长时间运行，使拖动电机得到及时保护。
    (7) 故障、异常信息可准确、迅速地指示在显示器上，极大地方便了操作、维修人员及时了解和排除故障。
    (8) 经济效益显著。每台天车改造费用为32万元，改造前由于天车电器故障高，备件损坏率高，每年维修备件消耗费用(包括维护材料费用)一般在12～14万元/台；改造后年均维修费用降为2.5～2.8万元/台。单台天车改造投资可在3年内收回。

4  结束语
    用用plc、 变频器等器件对我厂炭素原料库4台抓斗天车电气控制系统改造后，天车设备控制水平显著提高，大车拖动系统改进后，实现了大车启动平稳、制动准确、可靠，解决了原来抱闸机械制动不平衡，出现的大车扭动现象。主大、小车拖动系统改进后，实现了超低速控制的要求，提高了桥式抓斗天车抓料作业准确性效率。plc技术的成功应用，使操作控制方便，保护功能完善，互锁功能可靠和方便天车维修工作；欧姆龙plc、变频器等电子产品的完美结合与应用，充分证明了其自动化产品高质量、高性能。