朱文杰 董 旭

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

在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中,自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用不可或缺,為了更好地進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究,本文搭建了實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了帶有風(fēng)場(chǎng)模擬、側(cè)風(fēng)偏航、風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)及人機(jī)界面監(jiān)控的控制系統(tǒng),讓風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)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(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的步驟和方法,并對(duì)監(jiān)控的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。

1 設(shè)計(jì)方案

風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)主要由控制系統(tǒng)、模擬風(fēng)場(chǎng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電裝置組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)以MCGS觸摸屏為主控制器,西門(mén)子S7-200 SMART PLC與西門(mén)子V20變頻器為從控制器,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信及監(jiān)控。平臺(tái)通過(guò)MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平臺(tái)原理框圖

2 風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)調(diào)試四部分。硬件部分介紹了整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計(jì)電路,軟件包含了PLC程序內(nèi)容,MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容包含對(duì)PLC與變頻器的控制及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 通信網(wǎng)絡(luò)連接

整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)共有兩種通信方式:①M(fèi)CGS觸摸屏與西門(mén)子V20變頻器采用西門(mén)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(guò)PLC直接控制變頻器,并讀取參數(shù)。本文采用RS485連接方式,對(duì)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(jì)

風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)如圖3所示,從圖3中可以看出,KA15、KA17控制風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的啟動(dòng),同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的指示燈。KA15、KA17是電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的兩種運(yùn)行狀態(tài),不可以同時(shí)運(yùn)行,因此需要設(shè)計(jì)互鎖。

尾翼電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)如圖4所示,設(shè)計(jì)電路包括電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及運(yùn)行狀態(tài)下的互鎖與自鎖、狀態(tài)指示燈的開(kāi)關(guān)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

使用MCGS控制PLC的風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)和發(fā)電機(jī)裝置的尾翼電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

PLC控制分為兩個(gè)模塊:一個(gè)是風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)程序流程圖,如圖5所示;另一個(gè)是尾翼電機(jī)運(yùn)動(dòng)程序流程圖,如圖6所示。

圖5 風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)程序流程圖及程序

圖6 尾翼電機(jī)運(yùn)動(dòng)程序流程圖及程序

2.3 MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

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(yàn)、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(mén)子USS協(xié)議驅(qū)動(dòng)、西門(mén)子_S7200PPI。

通過(guò)西門(mén)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(guò)西門(mén)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(mén)子USS協(xié)議驅(qū)動(dòng)編輯頁(yè)面

圖8 西門(mén)子_S7200PPI編輯頁(yè)面

2.3.3 用戶窗口組態(tài)(包含3個(gè)窗口)

用戶窗口包含三個(gè)頁(yè)面:主頁(yè)面、PLC控制頁(yè)面、變頻器控制頁(yè)面。

主頁(yè)面為觸摸屏啟動(dòng)窗口,用來(lái)登錄控制頁(yè)面,并操作設(shè)備。

PLC控制頁(yè)面可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)S7-200 SMART PLC的控制并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)添加窗口切換按鈕,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制頁(yè)面的切換[3],如圖9所示。

圖9 PLC控制頁(yè)面

變頻器控制頁(yè)面可以控制軸流風(fēng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、停止以及頻率的設(shè)定。在此基礎(chǔ)上,頁(yè)面還增加了頻率的加速時(shí)間與減速時(shí)間,并實(shí)時(shí)通過(guò)動(dòng)畫(huà)模擬風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),如圖10所示。

圖10 變頻器控制頁(yè)面

2.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為兩個(gè)部分:觸摸屏控制風(fēng)力設(shè)備運(yùn)行、觸摸屏控制風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力輸出。

按下風(fēng)場(chǎng)順時(shí)按鈕,相關(guān)聯(lián)的指示燈點(diǎn)亮并且風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)電機(jī)順時(shí)運(yùn)動(dòng)3 s后停止,此時(shí)反方向的按鈕功能無(wú)效(順時(shí)、逆時(shí)運(yùn)動(dòng)互鎖)。側(cè)風(fēng)偏航電機(jī)運(yùn)動(dòng)同理(尾翼偏航、尾翼恢復(fù)運(yùn)動(dòng)互鎖)。操作界面如圖11所示。

圖11 PLC順時(shí)運(yùn)動(dòng)窗口

MCGS通過(guò)實(shí)時(shí)改變變頻器設(shè)定頻率,控制軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬風(fēng)速的控制,便于后續(xù)風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)的采集及實(shí)驗(yàn)。只需在觸摸屏上設(shè)置所需頻率和加減速時(shí)間,在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的情況下,實(shí)際頻率會(huì)以每秒5 Hz的速度上升到預(yù)設(shè)頻率。正轉(zhuǎn)時(shí)頻率為正值,如圖12所示;反轉(zhuǎn)時(shí)頻率為負(fù)值,如圖13所示。

圖12 風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)操作窗口

圖13 風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)操作窗口

3 結(jié)論

本文在風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建的基礎(chǔ)上,利用MCGS觸摸屏對(duì)西門(mén)子V20變頻器、西門(mén)子S7-200 SMART PLC進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬風(fēng)場(chǎng)方向、風(fēng)速及風(fēng)機(jī)尾翼的實(shí)時(shí)監(jiān)控,便于研究人員采集不同工況下的風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù),為小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究提供參考。