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S7-300PLC在大型风力澳门新萄京控制系统中的应用


澳门新萄京风能作为一种取之不尽、清洁无污染、具有大规模开发利用前景的可再生能源,受到世界各国的普遍重视。风能利用的主要形式是风力发电。目前从世界范围来看,大中型风力发电机组并网发电已成为风能利用的主要形式。为降低生产成本,提高风力发电的经济效益,世界各国不断提篼风力发电机组的单机容量,国外现在投放市场的风力发电机组单机容量主要为500kW我国的风能资源十分丰富,全国可开发利用的风能资源总量约为2.53亿千瓦。但在凤能利用与开发方面,与世界先进水平存在着较大的差距,大型并网风力澳门新萄京机组的自主生产能力较差,主要依靠国外进口,风电机组的控制系统也是由国外设计制造的,造价较高。“九五”期间,大家承担了600kW大型风力发电机组电气控制系统的研制攻关任务,针对失速并网型风力发电机组,自行研制的风力澳门新萄京控制系统及装置已在新疆达坂城风电场投入了运行,运行情况良好。
S7-300PLC在大型风力澳门新萄京控制系统中的应用
在研制的过程中,大家充分考虑到风力澳门新萄京多运行于自然环境较恶性且无人值守的条件下,对控制的可靠性和安全性要求较高。由于可编程序控制器(PLC)广泛应用于工业控制领域,可靠性高,抗干扰能力强,非常适合在恶劣的环境下工作。结合风力发电机的控制要求及实际特点,大家选拔了西门子的S7-300可编程序控制器(PLC)作为中心控制器。
2系统组成与功能风力发电机控制系统是机组正常运行的核心,其控制技术是风电机组的关键技术之一,与风力发电机组的其他部分密切相关,其精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。因此,控制系统是风力发电机组运行的“大脑”,是整个机组正常可靠运行以及实现最佳运行的可靠保证。控制系统的组成主要包括:主电路、控制电路、传感器及其通讯接口。
2.1系统组成主电路是风力发电机组的主配电系统,主要完成澳门新萄京与电网(包括无功功率补偿装置、软并网控制装置)、各实行机构(如电动机、电磁阀等)与控制回路的连接。当中心控制器PLC发出控制指令时,由主电路将发电机、风机中的各实行机构连接为强电控制回路并提供电源,电源等级较多(如交流690V、400V、220V、24V、直流24V),同时将反馈信号(如接触器吸合、断路器脱扣等反馈信号)送到中心控制PLC对接触器、电动机、供电电源等实行机构进行状态监测。
控制电路是由PLC中心控制器及其功能扩展模块组成。主要实现风力澳门新萄京正常运行控制、机组各部分的安全保护、故障检测及处理、修改运行参数、数据记录显示以及人工操作,配置的通讯接口实现就地通讯和远程通讯等。
传感器及通讯接口传感器主要包括风速仪、风向标、振动加速度传感器、转速传感器、温度传感器、偏航位置传感器、压力开关、纽缆开关等,用于采集和监测风力发电机在运行过程中的各种运行参数,包括风向、风速、液压系统压力、叶尖压力、液压油位、齿轮油压力、齿轮油位及齿轮油温度、刹车磨损、机组振动、纽缆、发电机及其轴承温度以及发电机和叶轮转速等参数。
控制系统结构图通讯接口包括CP通讯处理器(RS485)、CPU配置的MPI和PR0FIBUS通讯接口。CP通讯处理器(RS485)与电量采集模块进行通讯采集电网参数;CPU配置的MPI通讯接口与操作员面板进行通讯,通过其液晶显示屏显示机组运行状态及运行参数,通过其键盘操作来实现各种控制功能;PR0FIBUS通讯接口是与中央控制室PC机进行远程通讯,实时监测风电机组的运行状态、运行数据、累计数据存放、记录故障情况,也可以进行人工偏航、复位、启动、停机等操作。控制系统结构图如所示。
2.2系统功能控制系统不仅要实现风电机组正常运行控制(如自动启动、停机等),通过通讯接口监测风电机组运行状况(如电网参数、温度等变化情况),而且还需具备安全保护功能。因此,控制系统主要实现正常运行控制、参数监测及监控以及安全保护及处理等三大功能。
正常的运行控制包括风力澳门新萄京自动起动软并网,大/小发电机自动切换,发电机除湿加热,机组自动对风,液压系统自动开停,齿轮油泵自动开停、齿轮油加热器、冷却器启停,机舱扭缆和自动解缆,电容补偿自动分组投切以及负功率自动停机。
参数监测及监控包括电网的三相电压、频率、发电机输出、输入电流(双向监测)、有功功率(双向监测)、无功功率、功率因数,风速,风向,叶轮转速,发电机转速,液压系统状况,偏航系统状况,软并网等环节工作状况,齿轮油温度,大/小发电机绕组温度,发电机前/后轴承温度,控制柜温度,机舱温度、环境温度。控制器根据传感器提供的信号作出判断,控制风机可靠安全运行。与就地操作员面板实现人机交互,可以询风电机组运行状况,显示故障状态,设置运行参数以及控制操作:手动起/停、复位、手动偏航;同时控制器配置接口进行远程监控通讯,监测运行状态和故障情况,收集风机运行数据,对风机发出的控制指令。
安全保护及处理系统分三层结构:计算机系统,独立于计算机的安全链保护,器件本身的保护措施。器件本身的保护措施主要根据器件本身的特点,采取硬件保护措施,如线圈两端加RC吸取回路等;计算机系统是对风电机组运行过程中出现的故障进行检测,根据故障种类判断分别进行报警、正常停机、安全停机以及紧急停机等处理,同时针对可自复位故障和不可自复位故障/实现风电机组重新自动启动或人工启动,达到保护机组安全和提篼机组可利用率的双重功效;独立于计算机的安全链是在机组发生超常故障、计算机系统失控等故障时设计的硬件保护电路。
3硬件设计S7-300是模块化小型PLC系统,但能满足中等性能的要求,主要具有以下特点:大范围的各种功能模块可以满足和适应自动控制任务;简单实用的分散式结构和多界面网络能力;控制灵活,可靠性篼,方便用户;控制任务增加时,模块扩展方便、灵活;风力发电机的控制信号主要有开关量输入信号、开关量输出信号、模拟量输入信号(如温度)、频率信号(如转速、风速)等。根据风力发电机的控制要求及被控制信号的特点,并充分利用S7-300的资源,S7-300可编程序控制器配置如下:电源;CPU315-2DP,64KB工作存储器,负载存储器集成96KBRAM,最大可以扩展512KB,MPI接口可以与0P7/DP操作面板进行通讯;PROFIBUSDP接口实现与远程中央控制室PC机进行通讯;FM350-2智能型计数模块,8通道,用于通用计数和测量任务,可直接与24V增量编码器和NAMUR编码器连接,可实现频率测量、速度测量、周期测量,并具有比较功能及对故障的中断处理功能;CP通讯处理器模块,RS485接口,可以实现PPI通讯。与电量变送器进行通信,实现电网参数(包括三相电压、三相电流、有功可编程序控制器应用bookmark6功率、无功功率、频率、功率因数等)的检测;0P7/DP键盘显示及操作面板,液晶显示屏4行20列,一个RS232通讯接口,可与PLC/计算机/打印机连接;一个RS485接口,可与PLC或计算机连接,128K字节,8个功能键(F1-F4,K1 ~K4)均能被组态,完成不同的控制功能。
程序的编制采用模块化结构,包括主程序、事件处理子程序、硬件中断程序、定时中断程序等。
主程序主要对风力澳门新萄京的正常运行与安全保护进行控制,包括调用风力发电机自动或人工启动软并网控制、停机、大/小电机切换控制、无功补偿电容投人等子程序。其程序框图如所示。
4.2事件处理子程序bookmark9检系统压力建压通讯处理子程序参数初始化通讯连接电网参ft检测安全停机子程序紧急停机子程序自动启动并网子程序人工启动并网子程序自动偏航子程序顺时针解缆子程序逆时针解缆子程序侧风90度子程序齿轮油泵控制子程序液压油泵控制子程序齿轮油加热子程序齿轮油冷却子程序发电机加热子程序无功补偿子程序4.3硬件中断程序选用了具有中断能力的数字量输人模板,当硬件检测到现场信号变化时(故障发生时),便实行硬件中断处理程序块OB40.根据故障等级,在OB40中实行正常停机、安全停机或紧急停机,从而保证故障的及时处理。
由于温度信号是慢变信号,所以可以定时采集温度值,在定时中断程序中实现温度的控制与监测。
为了保证风力发电机安全、可靠运行,安全保护环节在采用App保护的同时,还采取了硬件机械保护措施,当机组发生超常故障或控制系统失效时,使风电机组保持在安全状态。
5.1App安全设1.容错性设计为了防止用户误操作引起风力机误动作,在风电机组的任何状态下,非法的键盘及按键输人都不被承认。
2.App权限设计风力发电机控制App设有三层权限:(1)最低的用户层权限供风电场值班人员使用,允许询风电机组的状态显示、故障显示、故障记录、运行累计值等,可以控制的风力发电机起停及左右偏航等。
(2)篼一级的维护层权限供维护人员使用,需要输入密码。它除了具有用户层的权限外,还可(下转第73页)表示事故跳闸的具体指示信号,且能手动或自动复归。
2.1PLC实现的中央事故倍号装置。2梯形图和指令2.3PLC中央事故信号装置工作原理如图所示,该中央事故信号装置是采用FX2-16的PLC构成的。当任意回路跳闸时,由于该回路中的SA控制转换开关和断路器的辅助触点按“不对应原理”,就使X0输入一个信号,根据PLC内编制的程序,这时Y0有输出,电笛鸣叫,10秒后就自动复位,等待下一次报餐。
当另一条回路又事故跳闸时,又有一信号输入X0,则同样经过上升沿回路触发,使Y0再一次有输入并报警。
该装置中XI端接人一个常闭按钮SB2作为手动复归报警装置用的。
而SB1作为试验按钮。
2.4PLC中央事故信号装置特点由以上可以看出,PLC实现的中央事故信号装置外部接线和设备很少,因此接线很简单;用程序控制代替了继电器控制,因此可靠性非常篼,而且更改非常灵活方便;节省了许多继电器,耗电非常少;3结束语通过上面两种方法的比较,大家很明显发现了PLC控制远远优于继电器控制。随着技术不断进步,PLC控制将越来越多地用于生产和实践的方方面面。
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