基于PLC的風電水冷測試控制系統設計

李唐 洪晴

（南京工業(yè)職業(yè)技術大學工程技術實訓中心 江蘇省南京市 210023）

1 引言

隨著風電機組單機容量的不斷增大，變流器IGBT工作時的散熱量也相應增大。風電變流器作為風力發(fā)電的核心部件，其可靠性直接影響著風電電能的質量和風力發(fā)電系統的穩(wěn)定性。為有效帶走風力發(fā)電機組運行過程中產生的熱量，確保機組正常有效運行，需配置與風力發(fā)電機容量相匹配的冷卻系統。由于水的比熱系數較空氣大，因此水冷系統是變流器主要冷卻方式之一。

水冷系統產品出廠需要進行測試，本文正是設計了2MW風機發(fā)電機冷卻系統的測試系統。用戶傳統儀表分散，數據不集中，同時沒有數據保存功能，不方面后期的數據分析。本文采用三菱PLC作為控制器，人機交互選用維綸觸摸屏實現，該系統結構簡單，集成度高，可靠性高。

2 系統組成

發(fā)電機冷卻系統，由換熱器—風機單元（2臺風機）和水泵單元兩個模塊構成。兩個模塊之間通過管路連接，形成回路。水泵單元啟動后，冷媒水從發(fā)電機內部吸取熱量，然后通過換熱器—風機單元與外界環(huán)境空氣交換熱量，熱量被環(huán)境空氣帶走，冷媒水降溫冷卻后再進入發(fā)電機內部重復以上循環(huán)。

本設計主要是針對冷卻系統性能進行測試，故需要涉及的監(jiān)測元件主要包括2個溫度傳感器，2個壓力傳感器，2個流量傳感器。執(zhí)行機構主要包括1個泵，2個風機，1個加熱器。加熱器用于模擬熱源。系統結構如圖1所示。

圖1：系統結構圖

3 器件選型

3.1 PLC選型

采用三菱FX3U系列PLC作為控制器。FX3U系列三菱PLC采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。支持程序的遠程調試。本設計具體采用型號為FX3U-32MR/ES-A，內置16個開關量輸入、16個繼電器輸出，電源為交流220V。該型號PLC的輸入輸出點數滿足本設計需求。

系統中的傳感器為易福門系列傳感器，輸出模擬量均為4-20mA電流信號，故需要選擇AD模塊，該AD模塊的功能是實現4-20mA的電流信號轉換為數字量供PLC進行計算處理和傳給觸摸屏顯示。本設計采用的是FX2N-4AD模塊，該模塊可以作為三菱FX3U擴展模塊使用。一次可同時使用4個輸入點，輸出為數字量，12位的轉換結果以16位二進制補碼方式存儲，最大值+2047，最小值-2048。分辨率為20uA，總體精度為±1%。每通道轉換速度15ms，最快為6ms。本設計工需要用到6個模擬量采集，故采用2個4AD模塊，共可以采集8路，多出的2路作為備用。不同模擬量輸入與數字量關系曲線如圖2所示。

圖2：不同模擬量輸入與數字量關系曲線

3.2 觸摸屏選型

人機交互選用威綸通10寸觸摸屏TK6102i實現。TK6102i是威綸通公司威綸觸摸屏推出的一款全新10寸觸摸屏。觸摸屏參數設置如圖3所示，采用16：9寬屏，65536色TFT LCD制作，分辨率800*480。具有400MHz CPU，128MB內存；2個COM端口，1個USB2.0接口；Com1可只作為RS-232或RS-485接口，Com3為RS-485接口，支持MPI 187.5K，但同時只能選擇一個使用。觸摸屏編程軟件為EB8000，在軟件中添加觸摸屏和三菱FX3U系列PLC，并設置串口類型為RS232，該串口波特率設置為115200kbps。至此觸摸屏添加硬件設置已完成，下面需要軟件設計。

圖3：觸摸屏參數設置

4 系統軟件設計

4.1 軟件功能

軟件開發(fā)工具為EB8000，威綸觸摸屏EB8000編程軟件適用于同型號的威綸觸摸屏，威綸觸摸屏是新一代的人機界面軟件，安裝編程軟件后就可以進行各種編操作了，擁有支持U 盤、USB 鼠標、USB 鍵盤、USB 打印機等存儲設備、支持歷史數據、故障報警和宏指令等功能。

本設計軟件部分實現執(zhí)行機構的控制，模擬量的采集以及通訊設計三部分。執(zhí)行機構單元主要完成泵的高低速切換也就是泵星型和三角型切換，以及風機的啟停控制。通過將相應的輸出線包得電即可。下面主要介紹模擬量的采集程序實現。

4.2 模擬量采集程序

4.2.1 TO和FROM指令

讀取4AD模塊的數據需要用到TO和FROM指令。FROM是讀取指令，從PLC擴展的功能模塊的緩沖存儲器讀取數據并送到PLC。TO是寫入指令，往PLC擴展的功能模塊的緩沖存儲器寫入數據，緩沖存儲器簡稱BFM，本設計的擴展模塊是FX2N-4AD模塊。

① FROM讀出指令編程：

格式：FROM K2 K29 D10 K2

其中：K2:擴展模塊的地址編號，數值范圍為：0-7；

K29：擴展模塊的BFM起始地址編號，數值范圍為：0-32767；

D10：目標寄存器起始地址編號，可以用數值和位元件組合如表示；

K2：傳送的點數，只能用數值。范圍：1-32767。

上述指令的含義是：從擴展模塊編號為2的緩沖寄存器（BFM）的#29，#30中讀出16位數據傳送至PLC的D10，D11寄存器里。

② TO寫入指令編程：

格式：TO K2 K12 D10 K2

其中：K2：擴展模塊的地址編號，數值范圍為：0-7；

K12：擴展模塊的BFM起始地址編號，數值范圍為：0-32767；

D10：源寄存器起始地址編號，可以用數值和位元件組合如表示；

K2：傳送的點數，數值范圍：1-32767。

上述指令的含義是：將PLC的16位寄存器D10，D11的數值分別寫入擴展模塊編號為2的緩沖寄存器（BFM）的#12，#13中。

4.2.2 具體程序設計

如圖4所示，本設計第一個4AD模塊用的是0號地址的緩沖存儲器(BFM)，首先從用FROM指令讀取BFM中K30的標識碼，如果該識別碼是K2010，則表示PLC所連的擴展模塊是FX2N-4AD，如果不是K2010則表示擴展模塊不是FX2N-4AD；初始化4個通道模擬量輸入范圍均為4—20mA；設置采樣數為缺省值，8次，并將4個通道采樣數的平均輸入值放入BFM緩沖器#5—#8地址中；通過FROM指令讀取擴展模塊緩沖存儲器的#29，該區(qū)表示當前的狀態(tài)是否有錯誤，如果沒有錯誤，則讀取#9—#12緩沖區(qū)的當前值并保存到PLC寄存器D0—D3中，即為通道1—通道4的采樣值。最后當D0—D3中數據最大值設置為1000。

圖4：讀取4AD模塊數據程序

本設計共兩個4AD模塊，第二個4AD模塊用的是1號地址的緩沖存儲器(BFM)，程序框架一致。

讀取到模擬量之后需要計算轉換成溫度，流量或者壓力。這里以溫度為例。D0為讀取到的入口溫度，我們把他放入D10中，然后通過如圖5所示計算得到溫度值放入D100中。

圖5：計算溫度程序

最后，觸摸屏通過串口讀取D100等中的數據，即可得到溫度、流量、壓力等參數。

5 界面設計

利用EB8000軟件設計了人機界面如圖6所示。包括6個數字顯示元件，分別顯示系統溫度、壓力和流量。同時通過低速、高速、風機1、風機2和加熱器按鍵可以分別控制系統的執(zhí)行元件，執(zhí)行元件的工作狀態(tài)通過指示燈顯示。

圖6：界面設計

實驗階段，數據顯示正常，各執(zhí)行元件可以單獨控制。同時，通過泵的高低速控制，以及2個風機的開關控制，出口水溫有明顯變化。

6 總結

為了解決風電水冷系統產品的測試問題，本文設計了基于PLC的水冷控制系統，該系統能夠對冷卻系統進行測試。該控制顯示精度為0.1°，實現了系統參數的幾種顯示，操作簡單，可靠性高。該測試系統控制能夠滿足產品的測試需求。