PLC控制风力发电机设计

摘 要PLC是计算机技术为核心的通用工业自动化装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性、灵活运用、易于编程、使用方便等特点，因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。风力发电机作为动力源代替人力、蓄力。对生产力的发展发挥过重要作用。PLC在风力发电机的应用方面以及系统控制等诸多方面都起到极为核心的作用。伴随时代发展，进入21世纪崭新工业控制领域，PLC仍然能够引导其发展。主要是由于在最初其采用计算机的设计思想和适应各种现场应用，随着PLC的飞速发展，它已经可以在各个领域去适应不同的客户要求。这就是PLC的生命力，具有一个非常灵活的大脑，和可以随时变化和更新的身体部件。PLC的控制和处理，还能给用户的改造和维护带来了极大的便利，并且提供强大的功能和良好的性能。关键词:风力发电机；PLC；自动控制目 录摘要(1)第一章 绪论 (2)第二章 PLC概述 (3) 一PLC的生产、特点和发展(3) 二 PLC的基本结构 (6) 三 PLC的工作过程及原理 (7) 四PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法(7)第三章 风力发电机概述(10) 一 风力发电机简介 (10) 二 风力发电机原理 (10) 三 风力发电机结构 (11)四 风力发电机的展望 (12)第四章 自制PLC控制风力发电机的构成 (14)一 风力发电机的设计思想(14)二 自制PLC控制风力发电机的构成(15)第五章 设计流程 (20) 一 程序流程图 (21) 二 PLC输入/输出地址表(22) 三 外部接线图 (23) 四 梯形图 （24）结束语(26)参考文献(27)第一章 绪论我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期由过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（1KW）、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟， 已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。采用软PLC的典型的系统结构是工控机加I/O接口加软PLC软件包。软PLC产品是基于PC机开放结构的控制装置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转化成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过1个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。通过采用软PLC和高精度控制性能的伺服电机作为驱动系统的全电动注塑机能极大的提高设备的易操作性，产品的质量和生产效率。第二章 PLC概述 一 PLC的产生、特点和发展 1.PLC的产生可编程控制器（Programmable Controller）简写成 PLC，其中 L为逻辑（Logic）的意思，第一台可编程控制器是1969年在美国面世的。经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为重要、可靠、应用场合广泛的工业控制微型计算机。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。2.PLC的特点可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器具有诸多优点：1）PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标；2）PLC还具有编程方便、易于使用的优点；3）PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备；4）PLC的扩展以及与外部联接极为方便。3.PLC的发展PLC诞生不久就显示了其在工业控制领域的重要作用。如日本、德国和法国等国家相继研制成各自的PLC，PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而发展，由1位机发展成8位机，随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义的PLC。现在PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多信道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步的发展。目前，PLC技术已经比较成熟。二 PLC的基本结构1.PLC的结构用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。入出变换 、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点。而入出变换实际上就是信息处理，信息处理当今最常用的是微处理机技术，PLC也是用它，并使其专用化，应用与工业现场。至于物理实现，正是它与普通微机相区别之点，普通微机多只考虑信息本身，别的不多考虑，而PLC要考虑实际的控制需要。物理实现要求PLC的输入， 应当排除干扰信号适应于工业现场。输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算结构。主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路组成，如图1。中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连接。CPU按扫描方式工作，从0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序最后一个地址，不停的周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。图1 PLC的典型结构CPU的主要功能为：从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读指令，从数据总线上得到读出的命令，并存入CPU内的指令寄存器中。执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数，进行逻辑运算和算术运算，将结果输出给有关部分。准备取下一个指令。CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令，在CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。处理中断。CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行。存储器用于存放系统程序，一般系统程序是由PLC厂家编写的，不能由用户直接存取。系统程序存储器用来存放有关系统管理解释指令、标准程序系统调用等程序。一般用PROM或EPROM构成。由用户编写的程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，一般只有几K 的容量，常用ROM构成。C输入/输出部分这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按扭、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模数变换进机内）等，通过输入输出电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。a）输入接口电路现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路成。光电耦合电路：采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。光电耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出段是靠光信号耦合的，在电器上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。微电脑的输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。b）输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路：一般由输出数据寄存器、选通电路和中断电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路：是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出。D电源部件将交流电源转换成供PLC所需的直流电源。目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。2.PLC的软件系统A系统程序它由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，按装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。系统管理程序其主要功能为：a）：时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序；b）：存储空间的额分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址；c）：系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确、有效地工作。用户指令解释程序：它可将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。供系统调用的标准程序模块：它由许多独立的程序组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各种具体工作都由这部分来完成。B. 用户程序它是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。开关量逻辑控制程序：它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制，不同的PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今没有一种能全部兼容的编程语言。模拟量运算程序及闭环控制程序：通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为了方便用户编程，也提供相应编程软件供用户编制模拟量和PID控制等的程序。操作站系统程：它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的外交使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。三 PLC的工作过程及原理1.PLC的工作过程PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行，一个完整的周期可分为三个阶段：a）输入刷新阶段：程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。b）程序处理阶段： 所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。c）输出刷新阶段：将输出元件映象寄存器+的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。一般地，PLC的一个扫描周期约10ms，另外，可编程序控制器的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约10ms），继电器机械滞后约10ms，所以，一个信号从输入到实际输出，大约有20-30ms的滞后。2. PLC的工作原理PLC虽然以微处理器为核心，具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机采用等待命令和中断的工作方式，而PLC则是采用顺序扫描、不断循环的方式进行工作的，包括输入采样、系统处理、用户程序执行和输出刷新四个阶段。完成四个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行这四个阶段。a）输入采样阶段：顺序访问PLC的所有输入单元的信号状态，将其放入输入缓冲区内。b）系统处理阶段：对系统工作状态进行检查，对I/O单元及外部设备进行定期服务。c）用户程序执行阶段：执行预先设定的用户程序，将处理结果分别放入动态数据区和输出缓冲区。d）输出刷新阶段：将输出缓冲区的所有信号送到输出单元，刷新输出单元锁存器的原有状态。四 PLC的编程语言的基本指令系统和编程方法1.语言的形式 最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。 虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。2.编程指令指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。a ）指令系统：一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。在编程之前必须弄清PLC的指令系统。b ）程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。c ）梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。3.基本指令系统特点 PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：a )图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎；b )明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400，T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册； c )简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念；d )简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力；e )强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。第三章 风力发电机概述一 风力发电机简介风速启动、低风速发电、变桨矩、多重保护.太阳能光伏发电30元/瓦左右的价格受大众所认可，可转化率仅有15%左右；而中小型风力发电的价格仅为同等的1/5-1/6转化率却有60%-80%目前我国生产的小型风力发电机按额定功率分为种，分别为、。其技术特点是：个叶片、侧偏调速、上风向，配套高效永磁低速发电机，再配以尾翼、立杆、底座、地锚和拉线。机组运行平稳、质量可靠，设计使用寿命为年。风轮的最大功率系数已从初期的左右提高到，而且启动风速低，叶片材料已多样化：木质、铁质、铝合金、玻璃钢复合型和全尼龙型等。风轮采用定桨距和变桨距两种，以定桨距居多。发电机选配的是具有低速特性的永磁发电机，永磁材料使用的是稀土材料，使发电机的效率从普通电机的提高到现在的以上，有些可以达到。小型风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速。功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。风力发电机组配套的逆变控制器，除可以将蓄电池的直流电转换成交流电的功能外，还具有保护蓄电池的过充、过放、交流卸荷、超载和短路保护等功能，以延长蓄电池的使用寿命。机组的价格较低，且适合于我国的低速地区应用。二 风力发电机的原理是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。 风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。三 风力发电机的结构机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。 塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向四 风力发电机的展望通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。 使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。 2009年5月，国家投资3万亿资金支持新能源，特别是风力发电行业。国家大力支持风电的发展！第四章 自制PLC控制风力发电机的构成一 风力发电机设计思想风力发电机是通过风带动叶片的旋转产生的高速旋转带动发电机产生的交流电。由于自己的能力有限我将PLC运用于风力发电机的偏航系统，使其有效的得到风力致其成功发电。本系统的风力发电机部分由叶片、变速箱、发电机、变换器、偏航系统(旋转工作台、旋转编码器、电动机、变频器)组成。如图2变换器偏航系统PLC控制器图2二 自制PLC控制风力发电机的构成1.风力发电机叶片材料选用介绍随着风机叶片设计技术的提高，风力发电向大功率、长叶片的方向发展。叶片长度增加势必增加叶片的质量。经对长度1060m的叶片进行的统计表明，叶片质量按长度的三次方增加。叶片轻量化对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行时其重力产生交变载荷，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的质量。对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。既要减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强塑料（CFRP）。CFRP的拉伸性模量是GFRP的23倍。大型叶片采用CF增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用CF/GFRP混杂增强的方案，叶片可减重20%40%。据欧洲EC公司资助的研究计划中介绍，在120m叶片转子中添加CF能有效减轻总体质量达38%，另外亦可使其设计成本费用比GF减少14%。另外一个类似的研究分析也指出，添加CF制得的风机叶片质量会比GF减轻约32%。目前世界上最大的CF/GFRP混杂风机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的长度56m的叶片。Nodex公司还开发了43m（9.6t）的CF/GFRP风机叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了供4.5MW风力机组使用的CFRP叶片。对于大型叶片是否需用CF增强，目前尚有争议。一些人认为，在风能产业中引入CF工艺是“奇特”和昂贵的，如果可能应尽量避免。然而许多结构方面的工程师确信，自然的规模法则显示，当叶片长度增加时，质量的增加要快于能量的提取。因此采用CF或CF/GF混杂纤维对抑制质量的增大是必要的。同时为了降低风能的成本，发展具有足够刚性的更长叶片也是必要的。 cnwpem能否在风机叶片上大量采用CFRP取决于CF的价格。CFRP的性能虽然远优于GFRP，且不论叶片还是整个风力发电机组毫玩疑问都是最轻量的，但价格也是最贵的。即使CF价格降到11美元/Kg，用CFRP制备叶片的价格还是过高。因此现在正从原材料、工艺技术、质量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。一般较小型的叶片（如长22m）选用量大价廉的E-GFRP，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯基酯树脂或环氧树脂。而较大型的叶片（如长42m以上）一般采用CFRP或CF/GFRP，树脂基体以环氧树脂为主。发电机发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。 发电机的分类可归纳如下： 发电机 ： 直流发电机、交流发电机、同步发电机、异步发电机(很少采用) 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。 图3发电机原理发电机通常由定子、转子、端盖.机座及轴承等部件构成。 定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。 转子由转子铁芯(有磁扼.磁极绕组)滑环、(又称铜环.集电环).风扇及转轴等部件组成。 由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁感线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。 变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交交变频电源，其电路拓扑形式被提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。如图3为变换器图4 变换器变换器有直变换法、电流跟踪法、间接变换法。直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的应用范围。如标量法的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。电流跟踪法将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺点：开关频率不够稳定、谐波随机分布，且输入电流波形不够理想、存在较大的谐波等。间接变换法空间矢量调制技术，又称为间接变换法、交直交等效变换法，是基于空间矢量变换的一种方法，它将交交变换虚拟为交直和直交变换，这样便可采用流行的高频整流和高频PWM波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持。它是在矩阵式变换器中研究较多也是较为成熟的一种控制策略，比较有发展前途。这种调制策略既能控制输出波形，又能控制输入电流波形.旋转编码器旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。图4为旋转编码器图5 旋转编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有汇川、欧瑞(原烟台惠丰)、三晶、蓝海华腾。图5为变频器图6变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类1:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 （1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 第五章 设计流程PLC控制风力发电机工作原理如图所示，位置点在0号位置，工作台上分为8个风向，编号是0-7，一个编码器套在电动机轴上，N=360脉冲/转。能以最高的效率调任意一个风向到位置点，低速旋转式工作间的1.5倍。使用一位数字开关设置风向，数字开关接在X4-X7。图7 图七一 程序流程图开始风力带动叶片转动增速箱增速发电机发电变 换 器电 网PLC控制变频器数字开关旋转工作台旋转二 PLC输入输出地址表表1输入输出X0A相脉冲开关 SB1Y10A相脉冲 KM5X1B相脉冲开关 SB2Y11B相脉冲 KM6X2零位开关 SB3Y12零位KM7X4数字开关 SQ1Y13启动X5数字开关 SQ2Y0控制变频器正转KM1X6数字开关 SQ3Y1控制变频器反转KM2X7数字开关 SQ4Y2控制变频器高速KM3X10高速正转 SQ5Y3控制变频器低速KM4X11低速正转 SQ6Y4正转指示灯亮HL1X12断开 SQ7Y5反转指示灯亮HL2X13高速反转 SQ8Y6高低速指示灯闪烁HL3X14低速反转 SQ9SB1SB2SB3SQ3SQ2SQ1SQ4X0X1X6X2X4X5X7X10X11X12X13SQ5SQ8SQ7KM4KM3Y0Y1Y2Y3COM1AC220VH1HL1Y4HL3Y6Y10KM5COM2AC220VH1Y11KM6Y12KM7FX2N-24MRKM1KM1KM2X14SQ9三 外部接线图KM3KM2KM4AC220VCOM3四 梯形图结束语毕业设计可以锻炼自己的自学能力，在这两个月的学习过程中遇到了种种困难，我也在学习过程中学着克服这些困难。在指导老师殷勤奋的帮助下完成了毕业设计论文。写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对企业职位面临的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到林论时间相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。在这份毕业论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1刘永华 电气控制与PLC 北京航空航天大学出版社 20072罗宇航 流行PLC实用程序及设计 西安电子科技大学出版社 20073伊宏业 PLC可编程控制器教程 航空工业出版社 19974刘洪涛 黄海编 PLC应用开发从基础到实践 电子工业出版社 20075姚兴佳 宋俊 风力发电机组原理与应用 机械工业出版社 200927