基于MCGS的風力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計

朱文杰 董 旭

(常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子工程學院 江蘇常州 213164)

在風力發(fā)電的過程中,自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用不可或缺,為了更好地進行風力發(fā)電實驗研究,本文搭建了實驗教學所用的風力發(fā)電實驗平臺,設(shè)計了帶有風場模擬、側(cè)風偏航、風場運動及人機界面監(jiān)控的控制系統(tǒng),讓風力發(fā)電的實驗易于操作和直觀演示。在此基礎(chǔ)上,本文研究了利用MCGS軟件對風力發(fā)電系統(tǒng)進行監(jiān)控的步驟和方法,并對監(jiān)控的結(jié)果進行總結(jié)分析。

1 設(shè)計方案

風力發(fā)電平臺主要由控制系統(tǒng)、模擬風場機構(gòu)、風力發(fā)電裝置組成。實驗平臺控制系統(tǒng)以MCGS觸摸屏為主控制器,西門子S7-200 SMART PLC與西門子V20變頻器為從控制器,進行數(shù)據(jù)通信及監(jiān)控。平臺通過MCGS觸摸屏實現(xiàn)同時對PLC與變頻器的控制,PLC及繼電器線路已在外部連接,系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電系統(tǒng)平臺原理框圖

2 風力發(fā)電平臺組態(tài)監(jiān)控設(shè)計

風力發(fā)電平臺組態(tài)監(jiān)控設(shè)計主要包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、MCGS組態(tài)設(shè)計以及系統(tǒng)調(diào)試四部分。硬件部分介紹了整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計電路,軟件包含了PLC程序內(nèi)容,MCGS組態(tài)設(shè)計內(nèi)容包含對PLC與變頻器的控制及實時監(jiān)控。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 通信網(wǎng)絡(luò)連接

整個通信網(wǎng)絡(luò)共有兩種通信方式:①MCGS觸摸屏與西門子V20變頻器采用西門子USS協(xié)議[1];②MCGS觸摸屏與PLC 采用PPI協(xié)議通信。

MCGS觸摸屏與V20變頻器USS通信,越過PLC直接控制變頻器,并讀取參數(shù)。本文采用RS485連接方式,對應(yīng)觸摸屏串口的引腳,MCGS觸摸屏與PLC使用PPI通信,MCGS作為主控制器,PLC作為從控制器。觸摸屏使用RS485母頭7、8引腳,PLC使用RS485公頭3、8引腳,連接方式如圖2。

圖2 觸摸屏與PLC、V20變頻器通信連接

2.1.2 控制電路設(shè)計

風場運動控制電路設(shè)計如圖3所示,從圖3中可以看出,KA15、KA17控制風場運動電動機的正反轉(zhuǎn)的啟動,同時控制電動機運動的指示燈。KA15、KA17是電動機的正反轉(zhuǎn)的兩種運行狀態(tài),不可以同時運行,因此需要設(shè)計互鎖。

尾翼電機控制電路設(shè)計如圖4所示,設(shè)計電路包括電機的正反轉(zhuǎn)及運行狀態(tài)下的互鎖與自鎖、狀態(tài)指示燈的開關(guān)。

2.2 軟件設(shè)計

使用MCGS控制PLC的風場運動機構(gòu)的電動機運動和發(fā)電機裝置的尾翼電機運動。

PLC控制分為兩個模塊:一個是風場運動電動機程序流程圖,如圖5所示;另一個是尾翼電機運動程序流程圖,如圖6所示。

圖5 風場運動程序流程圖及程序

圖6 尾翼電機運動程序流程圖及程序

2.3 MCGS組態(tài)設(shè)計

2.3.1 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器設(shè)置為USS通信,主要參數(shù)為USS地址、波特率、奇偶校驗、USS協(xié)議、停止位,其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 變頻器參數(shù)定義

2.3.2 觸摸屏設(shè)備組態(tài)

首先在設(shè)備窗口內(nèi)添加:通用串口父設(shè)備、西門子USS協(xié)議驅(qū)動、西門子_S7200PPI。

通過西門子USS協(xié)議與變頻器通信[2],設(shè)備地址及通道參數(shù)添加如圖7。通過西門子S7200PPI與PLC通信,設(shè)備地址及通道參數(shù)添加如圖8。

圖7 西門子USS協(xié)議驅(qū)動編輯頁面

圖8 西門子_S7200PPI編輯頁面

2.3.3 用戶窗口組態(tài)(包含3個窗口)

用戶窗口包含三個頁面:主頁面、PLC控制頁面、變頻器控制頁面。

主頁面為觸摸屏啟動窗口,用來登錄控制頁面,并操作設(shè)備。

PLC控制頁面可以實現(xiàn)系統(tǒng)S7-200 SMART PLC的控制并對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控,同時添加窗口切換按鈕,實現(xiàn)兩個控制頁面的切換[3],如圖9所示。

圖9 PLC控制頁面

變頻器控制頁面可以控制軸流風機的正反轉(zhuǎn)、停止以及頻率的設(shè)定。在此基礎(chǔ)上,頁面還增加了頻率的加速時間與減速時間,并實時通過動畫模擬風機的運行狀態(tài),如圖10所示。

圖10 變頻器控制頁面

2.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為兩個部分:觸摸屏控制風力設(shè)備運行、觸摸屏控制風場風力輸出。

按下風場順時按鈕,相關(guān)聯(lián)的指示燈點亮并且風場運動電機順時運動3 s后停止,此時反方向的按鈕功能無效(順時、逆時運動互鎖)。側(cè)風偏航電機運動同理(尾翼偏航、尾翼恢復(fù)運動互鎖)。操作界面如圖11所示。

圖11 PLC順時運動窗口

MCGS通過實時改變變頻器設(shè)定頻率,控制軸流風機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,實現(xiàn)對模擬風速的控制,便于后續(xù)風力發(fā)電數(shù)據(jù)的采集及實驗。只需在觸摸屏上設(shè)置所需頻率和加減速時間,在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的情況下,實際頻率會以每秒5 Hz的速度上升到預(yù)設(shè)頻率。正轉(zhuǎn)時頻率為正值,如圖12所示;反轉(zhuǎn)時頻率為負值,如圖13所示。

圖12 風機正轉(zhuǎn)操作窗口

圖13 風機反轉(zhuǎn)操作窗口

3 結(jié)論

本文在風力發(fā)電實訓(xùn)平臺搭建的基礎(chǔ)上,利用MCGS觸摸屏對西門子V20變頻器、西門子S7-200 SMART PLC進行控制,實現(xiàn)了對模擬風場方向、風速及風機尾翼的實時監(jiān)控,便于研究人員采集不同工況下的風力發(fā)電數(shù)據(jù),為小型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究提供參考。