西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0使用说明

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采用变桨距控制的风力发电机不但可以吸收更多的风能，而且使风力机具有更好的起动和制动性能，保证风力机可靠地运行。在风力发电机组或电网发生故障时，可以控制变桨距机构使叶片顺桨，从而使叶轮迅速制动；在风速高于安全运行风速时，可以使叶片处于顺桨状态，改善风力机组的受力状况，避免大风对风力机的损害。此外，若通过合适的变桨距控制，可以减小传递链上的转矩振荡；国外的研究人员通过对独立变桨距风力发电机的研究发现，采用对每个叶片进行合理的控制可以减小塔架的振荡以及叶片的载荷，从而可以减小风机的疲劳度，延长风力机使用寿命。本文采用罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器(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。本文介绍了变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统和硬件系统，在实际风力发电机组上进行了实验验证，运行效果良好。预计罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器(PLC)在我国风力发电场合会有大的作为。

关键词:变桨距 风力发电机 可编程控制器 罗克韦尔

1　引言
　　风能是可再生能源中发展快的清洁能源，也是具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。我国风能资源储量丰富，发展风能对于改善能源结构缓解能源短缺具有重大现实意义。近年来，我国风电产业规模逐步扩大，风电已成为能源发展的重要领域。

　　在风电技术发展方面，风力发电机单机容量朝着大型化发展，兆瓦级风力机已经成为了国际风力发电市场的主流产品。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，例如，VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW， GE的1.5MW、2.5MW、3.6MW机组，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW，NORDEX的S77/1.5MW等都采用变桨距系统。

　　变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。变桨距控制的优点是能够确保高风速段的额定功率，额定功率点以上输出平稳、在额定点具有较高的风能利用系数、提高风力机组起动性能与制动性能、提高风机的整体柔性度、减小整机和桨叶的受力状况。因此国际风力发电市场的主流产品是变速变桨距机组。

　　世界上大型风电机组变桨距系统的执行机构主要有两种，液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构。其中，电动变桨距系统的桨距控制通过电动机来实现，结构紧凑、控制灵活、可靠，正越来越受到大多数整机厂家的青睐，市场前景十分广阔。

　　目前，我国MW级变速恒频风电机组电动变桨距系统产品一直依赖进口，国外比较有代表性的有德国LUST、SSB、美国GE 公司的产品。其高昂的产品价格、技术服务的不足和对关键技术的封锁严重影响了我国风电产业的健康快速发展。风力发电机向着大型化的方向发展，变桨距控制技术已经成为风力发电的关键技术之一，研制电动变桨距系统实现大型风力机电动变桨距控制技术国产化、产业化的要求十分迫切。因此，掌握电动变桨距控制技术将改变国外公司对变桨距控制技术垄断的现状，提高我国风电关键技术的研制能力，降低风力发电的成本；对加快拥有自主知识产权的风电设备研制，大力发展风电事业具有重要意义，从而使我国在该领域的研究达到国际先进水平。

　　变速变桨风力发电机组是风力发电技术发展的主流方向，控制系统是机组的关键部件之一。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响。20世纪90年代，国外便开始了对变速风力机的运行特性和控制策略的研究，并取得了一系列的成果，生产制造出成熟可靠的商业化运营的控制系统产品。目前的研究热点集中在基于现代控制理论的新型控制算法在风力发电控制系统中的应用上，以期进一步提高风力机的运行效率，减小疲劳载荷，改善输出电能质量。我国风电产业起步较晚，目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究，在控制系统的产业化项目中，缺乏优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。

　　大风能捕获是控制系统的重要功能之一，它直接影响的风力发电机组的运行效率。对于提高风电机组的发电量，减小风电成本具有重要意义。而传统的控制方法存在诸多不足，引起较大的能量损失，新型控制算法的研究和应用，可以有效提高风能利用效率，实现大风能捕获。

　　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，本文中采用了罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器（PLC）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。

2　变桨距风电机组及其控制策略
　　变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。如图1所示为变桨距风力发电机的原理图。变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置，控制复杂。

图1 变桨距风电机组原理图

　　在风力机设计的初期，设计人员就考虑到了变桨距控制，但是由于对空气动力学特性和风力机运行工况认识不足，控制技术还不成熟，风力机的变桨距机构可靠性不能满足运行要求，经常出现飞车现象。直到20世纪90年代变桨距风力机才得到广泛的应用。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，例如， VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW，ENRON Wind的1.5S-5MW，NORDEX的S77/1500KW等都采用变桨距结构。

　　定桨距控制，风力机的功率调节完全依靠叶片结构设计发生失速效应使高风速时功率不增大，但由于失速点的设计，很难保证风力机在失速后能维持输出额定功率，所以一般失速后功率小于额定功率[1][4]；而变桨距风力机可以根据风速的大小调节气流对叶片的功角，当风速超过额定风速时，输出功率可以稳定在额定功率上。如图2所示为定桨距风力机和变桨距风力机的输出功率比较曲线。在出现台风的时，可以使叶片处于顺桨，使整个风力机的受力情况大为改善，可以避免大风损害风力机组。在紧急停机或有故障时，变桨距机构可以使叶片迅速顺桨到90°，风轮速度降低，减小风力机负载的冲击，延长风电机组的使用寿命。

图2 变桨距和定桨距风力机的功率曲线

　　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。随着变桨距风力机的广泛应用，许多学者和研究人员投入了变桨距控制技术及变桨距风力机结构的研究。目前人们主要致力于通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等技术的研究。Vestas公司推出了OpiTip（佳桨距角）风力发电机组，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音。

　　目前变桨机构有两种：一种是液压变桨距执行机构；另一种是电动变桨距执行机构。液压变桨控制机构具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位jingque、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。目前国外大公司如丹麦VESTAS的V80-2.0MW风机等都采用液压变桨机构[5][6]。电机变桨执行机构是利用电机对桨叶进行控制，电动变桨没有液压变桨机构那么复杂，也不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，因此目前受到了许多厂家的关注。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生产的兆瓦级风力发电机就采用了电动变桨距机构。

　　如图3所示为液压变桨距执行机构原理图，桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，节距角的变化同液压缸位移成正比。当液压缸活塞杆向左移动到大位置时，节距角为90°，而活塞杆向右移动大位置时，节距角一般为-5°。液压缸的位移由电液比例阀进行jingque控制。在负载变化不大的情况下，电液比例方向阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进行jingque的液压缸位置控制，必须引入液压缸位置检测与反馈控制。

图3 液压变桨机构框图

　　电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行单独调节，如图4所示。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毅内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电机由UPS供电，将桨叶调节为顺桨位置。

 德国大众 Kassel工厂新投产的组装线，由ThyssenKrupp Krause公司为其提供装备。因为这条生产线的系统复杂性和高要求，他们选择了VIPA公司性能卓越的SPEED7 CPU系列PLC。目前，该生产线已全面投运，生产用于所有车型（轿车）的双离合顺序传输变速箱。控制系统是基于集成以太网通讯处理器的VIPA NET CPU。
      ThyssenKrupp Krause公司开发，建造，安装调试的交钥匙工程，包括应用于汽车和组件生产的组装线以及相关的检测和测试设备。标准化产品范围包括用于发动机，变速箱和车轴以及相关组件的手动，半自动和全自动装配生产线，以及相关的检测和测试设备。
       VW在Baunatal －－ 位于Kassel南部约10公里路程，的工厂拥有超过13000多名员工，它是VW在德国的第二大生产基地，受关注和具重要性的零部件供应商之一。这个在Kassel的工厂，每年为VW在全世界所有的工厂提供280万个手动和自动变速箱。在这里，欧洲大的轻金属铸造厂内生产着大众所需的铝镁外壳，原部件的派送也位于这个工厂，其中有超过1700万个的原部件被分发到世界各地。
 
用SPEED7 CPUs实现的装配线控制
       Kassel生产基地装备着ThyssenKrupp Krause有限公司提供的个完整的装配线，它具有35个控制单元，用于生产双离合顺序传输变速箱。它覆盖了一个标准足球场大小的区域，使用来自VIPA公司的基于SPEED7 技术的高性能PLC系统，每天生产几百套用于高性能汽油和柴油发动机的变速箱系统。这个工厂是同行业中具现代化和高生产力的工厂之一。

 每天有几百个变速箱通过现代化的生产车间
       在这个复杂的装配过程中，每两分钟就会有一个完整的变速箱离开传送带。需要考虑的因素还包括，工位生产环境的设计，地考虑到适合于操作人员的需求，佳的职业安全保障。除全面而广泛的测控功能之外，新工厂还提供高度的灵活性，可jingque调整控制每一个批次。
      工厂装备有14台高度复杂的机器人站，4个传送系统段，大量具有旋转位置控制的导轨旋转台和具有编码器的零部件定位，这些都需要性能极高的控制系统。
      一种快速，适应性强的通讯介质是必不可少的，它用于保障所有处理工段的高标准自动化控制，以及集中捕获和处理所有操作和质量的数据。当然，成本效益在PLC系统的选择上也是至关重要的一点。
任务：对性能的要求集中于：循环处理时间，程序容量，通讯能力，佳性价比
解决方案：VIPA的SPEED7 CPU
       VIPA 公司20多年来，一直致力于提供面向未来技术的完整PLC系统，尤其在机械设备和工厂自动化方面，具有丰富的经验；并以灵活创新和快速响应的作风，应对各种复杂的技术问题和艰难的挑战，提供完美的解决方案。VIPA公司的解决方案已经成为一种工业标准，服务于全球众多声誉卓著的企业。

用于要求极短循环处理时间的理想PLC系统
       特别集成的高性能以太网通讯接口，内置的主存储器以及它的可灵活扩展性，高速SPEED7技术，这些使得ThyssenKrupp Krause公司决定将VIPA SPEED7 CPU系统应用到大众的Kassel生产基地。

 
  
      小的循环时间和集成的高速以太网通讯是VW在Kassel工厂安装这套系统的决定性因素。
      37套同等的SPEED7 CPU在这条装配线上相互通讯，并与工厂中央控制室的CPU通过以太网连接。通讯也同样支持备份。为了能够立即鉴别和纠正任何问题，操作和质量数据必须被以实时的方式处理和捕获。
      具有循环时间仅为5μs或0.090μs （定点/浮点算术值）以及基本容量为1M的程序和数据工作存储器，集成有以太网CP343的VIPA SPEED7 CPU315SN/NET被证实了是可以满足这一特殊需求的一个理想的PLC 系统。
      内置的SPEED7技术使得用户能够按照自己的要求支配其性能，灵活的内存管理可以优化地适合项目的需求。在无需改变现有硬件的情况下，工作内存可以按照今后工厂/或项目需求而进行动态的扩展。
     “VIPA SPEED7 CPU优异的运行性能，充足的存储器容量和集成的以太网通讯处理器，足以说服我们使用VIPA系统去装配面向未来的工厂”伯尔尼弗瑞德（Bernfried Trittin） －－ 大众项目执行管理人。
 
VIPA 系统 300S －－ 高速控制系统
       采用VIPA独特“Speed7”技术的300S系统是基于西门子STEP7编程的快的控制系统（硬件PLC）。用于存储程序和数据的超大存储器已经集成在SPEED7 CPU中，这意味着CPU的运行不再需要外置的附加存储卡。根据CPU的类型，利用VIPA的存储器组态卡可将集成的工作存储器按照需求扩展到2MByte或8MByte，所有CPU都配有以太网接口用于PG/OP通讯。在’NET’ 型CPU中还集成有一个CP343通讯处理器。由于它的高性能和存储器可扩展，300S系统可以适合于几乎任何的应用场合。

系统特性:
         使用VIPA的WinPLC7或西门子STEP®7 编程
         集成有工作存储器-无需使用附加存储卡即可运行，并可采用MCC卡进行灵活的升级
         集成有电池备电RAM存储器
         支持标准MMC卡，用于保存程序和数据备份
         SPEED-Bus可以连接高速信号模块和通讯处理器
         带有Ethernet, Profibus-DP和MPI接口
         实时时钟
         适合于集中和分散控制应用，CPU主机架可直接连接32个模块

1、引言染色工序在纺织品生产中占有重要地位，染色质量直接决定了纺织品的色泽、外观，甚至还影响纺织品的生产成本。在染色工序中，影响染色的因素主要有染液浓度、温度、液位等，其中温度控制是很重要而又复杂的控制过程。染色过程实际上是执行由工艺人员针对不同织物的一条温度曲线，每个工艺对染色的温度、升降温过程都有严格的要求，否则，容易使织物产生色差、缸差、条痕等疵点，造成复染率上升，生产成本的增加。针对染色过程温度控制的复杂性，设计了基于PLC 的染色机温度控制系统，实现对染色过程温度的控制，从而减少织物疵点，提高生产效率，降低生产成本。 2、系统控制要求1）温度曲线存储要求对于不同的染色品种，其对温度的要求是不同的，因此对应的温度工艺曲线也是不同的，本系统通过触摸屏的组态配方设计将多种染色工艺及每一套工艺中的不同阶段的数据存储在触摸屏中，从而更方便的让工艺人员去操作，工艺人员可以随时修改工艺参数，并保存，这个数据将保持在触摸屏中，将工艺人员设定的不同的温度工艺曲线，全部由工作人员在触摸屏上输入，控制器根据接收的温度工艺曲线进行温度控制。控制器和触摸屏都具有断电长期保存当前数据的功能。2）温度控制要求在染色工艺过程中，典型的工艺曲线如图1 下所示：图1 典型的工艺曲线 　　由图 1 可知，染色工艺可以分为多个曲线段，不同的曲线段对应不同的温度。对染色过程的温度控制主要是让芯子上的杯子内染液进行升温、保温、降温，结合生产的实际要求又将升温阶段按照斜率来进行升温设定，升温中PLC的设定可以为0-9℃，这个速率需要根据现场的加热器的功率来计算，本次在现场测试过程中设定到4℃时加热器已经是满功率运行，在PLC中设定这种人性化的斜率升温选择，从而很好的进行升温阶段的设定。温度控制分为五个子程序：按直接升温、斜率升温、保温、直接降温和按照斜率降温过程。这五个过程在PLC中分别对应五段程序，然后根据上位步号的选择进行循环执行。如图2，图3所示：图2：染色配方界面图3：主界面3）报警显示与染色配方功能以上图2和图3是运行过程中的主要的两个界面，为了让用户能够更好的查看运行中各种状态，在主画面中做了曲线图，可以更直观的查看过程温度的效果。而染色配方工艺界面让用户可以更方便的设置各套工艺并选择运行，本套系统每个工艺设置9步，可设定运行的步号，并从这个步号往后运行，当一套工艺运行完成后，主界面弹出一套染色工艺已运行结束，请确认，用户确认后方可进行下一套工艺。如下图所示。图4：一套工艺结束确认图4中右侧界面主要是马达转速的控制以及变频正反转的控制，除了转速的控制是手动设定外，正反转的控制以及正转时间、反转时间和停止时间全部由PLC编程实现。当出现各种故障时，触摸屏指示灯闪烁，并出现故障报警，弹出故障报警画面，显示报警的原因。 3、系统的硬件构成　　本系统采用南大傲拓公司推出的NA200小型PLC作为现场控制器，NA系列可编程控制器是南大傲拓科技有限公司新研制出的具有国际先进水平的新一代控制装置，它采用了工业控制领域的一系列新成果 ，选取了崭新的软硬件平台，具有快速的处理能力、强大的抗干扰性能、灵活的可扩展功能，对于任何复杂环境及处理要求，皆能游刃有余，应付自如。二十多年自动化产品的开发经验和数百个项目的现场考验，铸就了南大傲拓PLC可靠的品质，产品已经通过了CE认证 、船级社(CCS)认证以及电力工业电力系统自动化设备质量检验测试中心的严格测试和检验 ，各项性能指标均达到或超过相关标准要求，于同类产品。 选用CPU2002 主机模块；通过RS232口modbus-rtu协议连接触摸屏。现场控制器扩展了一块智能温度数据采集模块RTD输入模块2通道，该模块带有2 个模拟输入点，不再需要外部变送器，一个模块就能完成数据采集及数据处理功能。系统的温度信号的检测采用铂电阻PT100，铂电阻具有测量精度高、性能稳定可靠的特点，在工业上广泛用于-200℃～+500℃之间的温度测量。另外如果需要可以通过RS485接口，MODBUS-RTU将PLC同工厂监控相连，实现远程操作与监控。控制系统部分配置一块CPU2002（南大傲拓）、一块RTD输入模块2通道（南大傲拓）、触摸屏7寸（南大傲拓）。 4、系统的软件设计　　由图 1 可知，染色工艺可以分为几个曲线段，不同的曲线段对应不同的目的温度、升降温时间、保温时间。对染色过程的温度控制主要是对染槽升温、保温、降温，结合生产的实际要求又将升温分为直接升温到指定温度和按斜率准确地升温到指定温度；同理，降温也分为直接降温到指定温度和根据斜率准确地降温到指定温度。因此温度控制分为五个子程序：直接升温、按斜率升温、保温、直接降温、按斜率降温。直接升温还是斜率升温、直接降温还是斜率降温根据实际需要通过中控机设定，而后由现场控制器PLC 的主程序调用相应子程序。由于染缸体积较大，加热管道相对较小，造成比较大的温度惯性，一般可将其认为是一种具有纯滞后大惯性的被控对象，因而在升/降温段采用趋势判断补偿法，如果是升温，则在温度到达T 设定值目标温度-△Ti 时停止升温，其中△Ti为补偿温度。PLC 的主程序中，根据接收到的来自触摸屏的数据进行判别，再执行相应的程序。在下传的数据中包括目标温度、斜率、保温时间等，因而PLC 可以根据这些数值判断升温、保温、还是降温。但是判断升温、降温、保温，光凭目标温度、斜率、保温时间不能得到jingque的判断，因而使用前一曲线段的目标温度辅助进行判断。 　　下面以斜率升温为例，说明 PLC 的温控过程。在斜率升温时，将升温段曲线按时间分成若干个相等的小间隔，因而工艺曲线的升温段可以用阶梯性表示。只要每一间隔的时间足够小，则计算的每一间隔的温度给定值与理想值的偏差就可忽略。由于温度的大滞后性，当实际温度T接近设定温度时，这个时候做一个余热升温设定，从而保证在升温到保温阶段不会出现温度超出过高的现象。另外由于PT100温度的测量只有染槽的一个点，导致了温度测量并不一定完全是终杯内染液的温度，所以设定了温度补偿△Ti，从而更好的满足工艺要求。升温曲线如下图所示：图5：不同的升温速率斜率如图所示（斜率为3℃/min和2℃/min）    图中也可以看到保温阶段的曲线。为了更好的保证系统的安全性，系统增加了权限设置，设定了多种权限：超级管理员（具备所有权限）、工艺人员等等，这些都可以根据您的要求自由定制。图6：用户登录界面而染色配方设计的内容，大大简化了您用染色机控制电脑界面简单粗糙，操作较难的问题，如下图所示，直接在触摸屏上自由定制您的工艺配方。图7：染色工艺配方编辑 5、结束语　　本系统不但可以实现温度控制，而且根据需要还可扩展其他染色工艺过程的控制如水位、液位等参数的控制，具有良好的发展前景。本系统采用PLC作为生产现场的控制器，完成温度控制，能及时准确地控制染色产品的质量，将产品的质量隐患消灭在现场，保证染色一致性和一次准确化；而与传统的染色机控制电脑相比，采用PLC控制优势主要体现在：PLC控制使得系统更加稳定，可靠；采用触摸屏来操作，操作性相当方便，效果更加直观，使您的整套系统更加灵活；染色工艺配方这块大大增强了操作性和直观性，节约了您宝贵的时间以及人力物力；PLC控制的优势还在于灵活性更大，使您如果需要改进或增加新的系统的工艺流程，只需要您维护程序，从而省去了您花高额的金钱去买新的染色机控制电脑！触摸屏的界面更加可以根据您的要求自由定制。南大傲拓将会为您提供全方面的服务和一体化的解决方案