机组主控系统概要

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1、金风1.5兆瓦机组主控制系统工作原理讲解 作者：孙伟 主要内容： 一、1.5MW风力发电机组电气控制系统的组成 二、 1.5MW风力发电机组电气控制系统的拓扑结构 三、PLC模块的功能及组态结构 四、现场总线profibusDP 五、主控系统的功能 变桨系统变流系统主控系统 整流单元 逆变单元 控制单元 传感器单元 执行单元 变桨传感器 变桨执行器件 变桨控制单元 变桨备电 控制单元 滤波单元 监控系统 工业以太网 监控软件 总线系统 直驱1.5MW电控系统组成 一、1.5MW风力发电机组电气控制系统的组成 各个部分之间的关系 二、 1.5MW风力 发电机组电气控 制系统的拓扑结 构 两两 金

2、风1.5MW风力发电机组的主控系统以德国beckhoff公司生 产的嵌入式PLC控制器为核心。PLC控制器主要实现风力发电机 组的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定、数据记录、数 据显示以及人工操作，配备有多种通讯接口，能够实现就地通讯 和远程通讯。采用PROFIBUS-DP现场总线组网，安全可靠。其 中主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、 输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令； 与机舱柜及变桨控制系统通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信 号；与中央监控系统通讯、传递信息。 三、PLC模块的功能及组态结构 3.1、PLC的基础知识 什么是PLC？ 可编程序

3、控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，国际电工委员会（IEC）于 1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下： “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。它采用可编程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外 围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 PLC有什么特点？ 1、通用性强，使用方便； 2、功能强，适应面广； 3、可靠性

4、高，抗干扰能力强 ； 4、编程方法简单，容易掌握 ； 5、PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作量少，极为方便。控制程序变化方便，具有很好的 柔性； 6、体积小、重量轻、功耗低。 PLC的应用 1、开关量逻辑控制 ；2、运动控制 ；3、闭环过程控制 ；4、数据处理 ；5、通讯联网 PLC的组成 PLC由四部分组成 ：中央处理单元（CPU板）、输入输出（I/O）部件和电源部件 3.2、PLC的工作原理 PLC采用分时操作原理，从第一条程从第一条程 序开始，在无中断或跳转控制的情况序开始，在无中断或跳转控制的情况 下，按程序存储顺序的先后，逐条执下，按程序存储顺序的先后，逐条执 行执行程序，直

5、到程序结束。然后再行执行程序，直到程序结束。然后再 从头开始扫描执行，并周而复始地重从头开始扫描执行，并周而复始地重 复进行。复进行。由于CPU的运算处理速度很 快，所以从宏观上来看，PLC外部出 现的结果似乎是同时完成的。整个过整个过 程包括内部处理、通信服务、输入处程包括内部处理、通信服务、输入处 理、程序执行、输出处理五个阶段。理、程序执行、输出处理五个阶段。 PLC执行程序的过程 集中采样： 在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC 进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段 才对输入状态进行重新采样。 集中输出： 在用户程序中如果对输出

6、结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描 周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出 接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。 输入和输出 PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上 提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 3.3、PLC输入和输出模块的基本原理 数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开 关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。输入电 路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输 入电流一般为

7、数毫安。（如图所示） 数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等负载。数 字量输出模块将CPU内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放 大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交 流负载的双向晶闸管或固态继电器。（如图所示） 模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成是A/D 转换器。（如图所示） 模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换成为比例的电流信号或电压信号，对执 行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。（如图所示） 3.4、倍福PLC模块 KL

8、9010是K_BUS终端端子(模块) KL9010总线末端端子可用于总线 耦合器和总线端子之间的数据交换 。每一个站都可在右侧使用 KL9010作为总线末端端子。总线 末端端子不具有任何其它功能或连 接能力。 机组的主控制器 CX1500-M310CX1020CX1100KL9210 KL6904 KL9010 主控器由CX1500-M310模块负责DP通讯，由CX1020负责机组程序 的逻辑判断，由CX1100负责CPU的供电及后续模块的通讯，由KL9210负 责后续模块的供电，由KL6904负责安全链的判断和管理。 各个功能模块内部的通讯图 主控制器通过现场总线Profibus-DP与各个

9、子站进行交互通讯，各个功能模块通 过K-Bus总线进行通讯，主CPU通过PC104总线进行内部通讯。 PC 104总线 以太网口1 以太网口2 CX1020内部的通讯结构 各个子站内部及对外的通讯结构 K-Bus总线 BC/BK3150 Profibus-DP 3.5、倍福PLC模块的组态运行 在使用工控软件中，我们经 常提到组态一词，组态英文是 “Configuration”,其意义究竟是什 么呢？简单的讲，组态就是用应 用软件中提供的工具、方法、完 成工程中某一具体任务的过程。 使控制逻辑与硬件相对应，组态 与组装类似。如要组装一台电脑 ，事先提供了各种型号的主板、 机箱、电源、CPU、显

10、示器、硬 盘、光驱等，我们的工作就是用 这些部件拼凑成自己需要的电脑 。PLC的组态过程其实就是通过 软件将控制逻辑程序与各个功能 模块的输入或输出联系起来过程 ，并生成固定的组态文件。PLC 在运行过程中不断读取组态文件 ，并按照组态文件中的规则 对相 应的硬件输入或输出。 输入/输出按组态文件进行 四、现场总线Profibus-DP 4.1 Profibus-DP定义了三种设备类型 4.2 Profibus-DP单主系统 注意：我们1.5MW的电控系统就是采用的Profibus-DP单主系 统。 4.3 Profibus-DP多主系统 注意：我们的机组一般的通讯速率是3MBit/s,所以总

11、线循环 时间低于10ms。 4.4 1.5MW机组的Profibus-DP结构 五、主控系统的功能 主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信 号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接 收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三 个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制 信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系 统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递 信息。控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自 动跟踪风向，液压系统开停，散

12、热器开停，机舱扭缆和自动解缆，电容补偿 和电容滤波投切以及低于切入风速时自动停机。 5.1 机组几种主要动作关系 图 5.2 启动和并网控制 风力发电机的起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向主控制 器使偏航驱动机构动作，从而使风力发电机组对准风向。同时检测风速 （只要有风发电机转子就有转动，随着风速的增加发电机的感应电压也 逐步增加，即电机端电压逐步升高），当风速超过切入风速时，机组开 始启动，当机组达到一定条件时，通过全功率变流器控制的功率模块和 变流器网侧电抗器、电容器的LC滤波作用使系统输出电压等于电网电压 、频率也达到并网条件，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相 位差，当其为

13、零或相等（过零点）时实现并网发电（这些条件在金风 1.5MW机组里全部通过变流装置的控制来实现，变流装置通过锁相控制 和SPWM调制等使机组输出达到并网条件）。 启动并网流程 5.3 主控系统的控制及安全保护 整个运行过程都处于主控PLC严密控制之中。其安全保护系统分三层结构：主控制 PLC系统，独立于PLC的安全链，器件本身的保护措施。在机组发生超常振动、过速、 电网异常、出现极限风速等故障时保护机组，对电流、功率等的保护，采用两套相互独 立的保护机构。当电网电压过高，风速过大等不正常状态出现后，电控系统会在系统恢 复正常后自动复位，机组重新启动。 具体运行过程为： A、当风速持续10分钟（

14、可设置）超过3m/s，风机将自动启动。叶轮转速大于10转分 时并入电网。 B、随着风速的增加，发电机的出力随之增加，当风速大于12m/s时，达到额定出力，超 出额定风速机组进行恒功率控制（通过变桨控制和变流器的扭矩控制实现）。 C、当风速高于22米/秒持续10分钟，将实现正常停机（变桨系统控制叶片进行4/s顺桨 ，转速低于切入转速时，风力发电机组脱网）。 D、当风速高于28米/秒并持续10秒钟时，实现正常停机；当风速高于33米/秒并持续1秒 钟时，实现正常停机。 E、当遇到一般故障时，实现正常停机（变桨4/s 顺桨）。 G、当遇到特定故障时，实现紧急停机（变流器脱网，网侧断路器断开，叶片以7/s的 速度顺桨）。 F、当遇到某些固定故障时，实现快速停机（变桨6/s 顺桨）。 主控制系统的设计和实施结果能够满足风力发电机组无 人值守、自动运行、安全保护的要求。 谢谢！