李唐 洪晴

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心 江蘇省南京市 210023）

1 引言

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

水冷系統(tǒng)產(chǎn)品出廠需要進(jìn)行測(cè)試，本文正是設(shè)計(jì)了2MW風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)。用戶傳統(tǒng)儀表分散，數(shù)據(jù)不集中，同時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)保存功能，不方面后期的數(shù)據(jù)分析。本文采用三菱PLC作為控制器，人機(jī)交互選用維綸觸摸屏實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，可靠性高。

2 系統(tǒng)組成

發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，由換熱器—風(fēng)機(jī)單元（2臺(tái)風(fēng)機(jī)）和水泵單元兩個(gè)模塊構(gòu)成。兩個(gè)模塊之間通過(guò)管路連接，形成回路。水泵單元啟動(dòng)后，冷媒水從發(fā)電機(jī)內(nèi)部吸取熱量，然后通過(guò)換熱器—風(fēng)機(jī)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(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部重復(fù)以上循環(huán)。

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，故需要涉及的監(jiān)測(cè)元件主要包括2個(gè)溫度傳感器，2個(gè)壓力傳感器，2個(gè)流量傳感器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括1個(gè)泵，2個(gè)風(fēng)機(jī)，1個(gè)加熱器。加熱器用于模擬熱源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。支持程序的遠(yuǎn)程調(diào)試。本設(shè)計(jì)具體采用型號(hào)為FX3U-32MR/ES-A，內(nèi)置16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入、16個(gè)繼電器輸出，電源為交流220V。該型號(hào)PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)滿足本設(shè)計(jì)需求。

系統(tǒng)中的傳感器為易福門(mén)系列傳感器，輸出模擬量均為4-20mA電流信號(hào)，故需要選擇AD模塊，該AD模塊的功能是實(shí)現(xiàn)4-20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供PLC進(jìn)行計(jì)算處理和傳給觸摸屏顯示。本設(shè)計(jì)采用的是FX2N-4AD模塊，該模塊可以作為三菱FX3U擴(kuò)展模塊使用。一次可同時(shí)使用4個(gè)輸入點(diǎn)，輸出為數(shù)字量，12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼方式存儲(chǔ)，最大值+2047，最小值-2048。分辨率為20uA，總體精度為±1%。每通道轉(zhuǎn)換速度15ms，最快為6ms。本設(shè)計(jì)工需要用到6個(gè)模擬量采集，故采用2個(gè)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(shù)字量關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2：不同模擬量輸入與數(shù)字量關(guān)系曲線

3.2 觸摸屏選型

人機(jī)交互選用威綸通10寸觸摸屏TK6102i實(shí)現(xiàn)。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(shù)設(shè)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(nèi)存；2個(gè)COM端口，1個(gè)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(shí)只能選擇一個(gè)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(shè)置串口類(lèi)型為RS232，該串口波特率設(shè)置為115200kbps。至此觸摸屏添加硬件設(shè)置已完成，下面需要軟件設(shè)計(jì)。

圖3：觸摸屏參數(shù)設(shè)置

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件功能

軟件開(kāi)發(fā)工具為EB8000，威綸觸摸屏EB8000編程軟件適用于同型號(hào)的威綸觸摸屏，威綸觸摸屏是新一代的人機(jī)界面軟件，安裝編程軟件后就可以進(jìn)行各種編操作了，擁有支持U 盤(pán)、USB 鼠標(biāo)、USB 鍵盤(pán)、USB 打印機(jī)等存儲(chǔ)設(shè)備、支持歷史數(shù)據(jù)、故障報(bào)警和宏指令等功能。

本設(shè)計(jì)軟件部分實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，模擬量的采集以及通訊設(shè)計(jì)三部分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(fēng)機(jī)的啟停控制。通過(guò)將相應(yīng)的輸出線包得電即可。下面主要介紹模擬量的采集程序?qū)崿F(xiàn)。

4.2 模擬量采集程序

4.2.1 TO和FROM指令

讀取4AD模塊的數(shù)據(jù)需要用到TO和FROM指令。FROM是讀取指令，從PLC擴(kuò)展的功能模塊的緩沖存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)并送到PLC。TO是寫(xiě)入指令，往PLC擴(kuò)展的功能模塊的緩沖存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，緩沖存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱BFM，本設(shè)計(jì)的擴(kuò)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(kuò)展模塊的地址編號(hào)，數(shù)值范圍為：0-7；

K29：擴(kuò)展模塊的BFM起始地址編號(hào)，數(shù)值范圍為：0-32767；

D10：目標(biāo)寄存器起始地址編號(hào)，可以用數(shù)值和位元件組合如表示；

K2：傳送的點(diǎn)數(shù)，只能用數(shù)值。范圍：1-32767。

上述指令的含義是：從擴(kuò)展模塊編號(hào)為2的緩沖寄存器（BFM）的#29，#30中讀出16位數(shù)據(jù)傳送至PLC的D10，D11寄存器里。

② TO寫(xiě)入指令編程：

格式：TO K2 K12 D10 K2

其中：K2：擴(kuò)展模塊的地址編號(hào)，數(shù)值范圍為：0-7；

K12：擴(kuò)展模塊的BFM起始地址編號(hào)，數(shù)值范圍為：0-32767；

D10：源寄存器起始地址編號(hào)，可以用數(shù)值和位元件組合如表示；

K2：傳送的點(diǎn)數(shù)，數(shù)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(shù)值分別寫(xiě)入擴(kuò)展模塊編號(hào)為2的緩沖寄存器（BFM）的#12，#13中。

4.2.2 具體程序設(shè)計(jì)

如圖4所示，本設(shè)計(jì)第一個(gè)4AD模塊用的是0號(hào)地址的緩沖存儲(chǔ)器(BFM)，首先從用FROM指令讀取BFM中K30的標(biāo)識(shí)碼，如果該識(shí)別碼是K2010，則表示PLC所連的擴(kuò)展模塊是FX2N-4AD，如果不是K2010則表示擴(kuò)展模塊不是FX2N-4AD；初始化4個(gè)通道模擬量輸入范圍均為4—20mA；設(shè)置采樣數(shù)為缺省值，8次，并將4個(gè)通道采樣數(shù)的平均輸入值放入BFM緩沖器#5—#8地址中；通過(guò)FROM指令讀取擴(kuò)展模塊緩沖存儲(chǔ)器的#29，該區(qū)表示當(dāng)前的狀態(tài)是否有錯(cuò)誤，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則讀取#9—#12緩沖區(qū)的當(dāng)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(dāng)D0—D3中數(shù)據(jù)最大值設(shè)置為1000。

圖4：讀取4AD模塊數(shù)據(jù)程序

本設(shè)計(jì)共兩個(gè)4AD模塊，第二個(gè)4AD模塊用的是1號(hào)地址的緩沖存儲(chǔ)器(BFM)，程序框架一致。

讀取到模擬量之后需要計(jì)算轉(zhuǎn)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(guò)如圖5所示計(jì)算得到溫度值放入D100中。

圖5：計(jì)算溫度程序

最后，觸摸屏通過(guò)串口讀取D100等中的數(shù)據(jù)，即可得到溫度、流量、壓力等參數(shù)。

5 界面設(shè)計(jì)

利用EB8000軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)界面如圖6所示。包括6個(gè)數(shù)字顯示元件，分別顯示系統(tǒng)溫度、壓力和流量。同時(shí)通過(guò)低速、高速、風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2和加熱器按鍵可以分別控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，執(zhí)行元件的工作狀態(tài)通過(guò)指示燈顯示。

圖6：界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)階段，數(shù)據(jù)顯示正常，各執(zhí)行元件可以單獨(dú)控制。同時(shí)，通過(guò)泵的高低速控制，以及2個(gè)風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)控制，出口水溫有明顯變化。

6 總結(jié)

為了解決風(fēng)電水冷系統(tǒng)產(chǎn)品的測(cè)試問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于PLC的水冷控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該控制顯示精度為0.1°，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的幾種顯示，操作簡(jiǎn)單，可靠性高。該測(cè)試系統(tǒng)控制能夠滿足產(chǎn)品的測(cè)試需求。