毕业设计(论文)-基于MCGS的风力发电控制系统设计.doc

各专业完整优秀毕业论文设计图纸福建电力职业技术学院毕业设计报告题 目 基于MCGS的风力发电控制系统设计 机电工程 系 电气自动化技术 专业 2012 级 1 班学 号 201201033113 姓 名 指导教师 完成日期 2015 年 1 月目录福建电力职业技术学院 毕业论文摘 要风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。MCGS嵌入版是在MCGS通用版的基础上开发的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。风力发电机监控系统采用上位机和下位机的两级控制方式。上位机由计算机和通用监控系统软件MCGS触摸屏等，可实现数据采集、显示和监控等功能；下位机以西门子S7-200PLC为核心，通过风向检测，风速检测、风沙强度检测，实现了风力发电机监控系统的自动控制。关键词：风力发电机 MCGS PLC 风速检测 计算机监控系统目 录第一章 绪论.11.1 风能开发的意义.31.2 世界风力发电状况.41.3 我国风力发电状况.41.4 风力控制系统的设计工作.4第二章 PLC设计.52.1 PLC控制任务和要求.52.2 西门子PLC的主要设计工作.62.3 PLC的I/O分配表.72.4 PLC的 I/O接线.8第三章 MCGS的监控设计.93.1 PLC软件设计.93.2 MCGS软件设计.133.3 MCGS的功能调试.16第四章 MCGS风力控制设计的总结.174.1 MCGS风力控制总结.174.2 设计存在的不足.17参考文献.18致谢.19第一章 绪论1.1 风能开发的意义（1）可再生的洁净能源风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。（2）建设周期短一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。（3）装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。（4）可靠性高把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。（5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。（6）运行维护简单现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。（7）实际占地面积小发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。（8）发电方式多样化风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。（9）单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。1.2 世界风力发电状况20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。世界风电总装机容量1997年底为746万KW,1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW,平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿4.7亿KW。1.3 我国风力发电状况中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985万KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。1.4 风力控制系统的设计工作本设计要求是设计一个风力控制系统，主控制器是西门子PLC，主要功能有手动控制顺时运动、逆时运动，自动控制顺时、偏航运动，对风力大小进行检测与控制。根据设计的要求，主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统，风速控制。第一步主要对硬件的选择，第二步对软件的设计，第三步撰写论文。- 17 -福建电力职业技术学院 毕业论文第二章 PLC设计2.1 PLC控制任务和要求根据风力供电控制单元的选择开关和按钮定义操作风力供电控制单元上的相关按钮，模拟风场和风力发电机作相应的动作。各功能按钮有效时，相应按钮指示灯亮。要求：风力供电控制单元的选择开关有两个状态，选择开关拨向左边时，PLC处在手动控制状态，可以进行风场运动机构箱的运动控制和侧风偏航控制。选择开关拨向右边时，PLC处在自动控制状态，按下启动按钮，PLC执行自动控制程序。编写风力发电手动程序（1）PLC处在手动控制状态时，按下顺时按钮，顺时按钮的指示灯亮，风场运动机构箱顺时移动，当风场运动机构箱移动到限位开关时，顺时按钮的指示灯熄灭，风场运动机构箱停止移动。风场运动机构箱在作顺时移动时，再次按下顺时按钮或按下停止按钮或急停按钮，顺时按钮的指示灯熄灭，风场运动机构箱停止移动。如果按下逆时按钮，逆时按钮的指示灯亮，风场运动机构箱逆时移动，当风场运动机构箱移动到限位开关时，逆时按钮的指示灯熄灭，风场运动机构箱停止移动。风场运动机构箱在作逆时移动时，再次按下逆时按钮或按下停止按钮或急停按钮，逆时按钮的指示灯熄灭，风场运动机构箱停止移动。顺时按钮控制和逆时按钮控制在程序上采取互锁关系。（2）PLC处在手动控制状态时，按下偏航按钮，偏航按钮指示灯亮，风力发电机作侧风偏航动作，尾翼偏转到45左右的位置，侧风偏航结束，偏航按钮指示灯熄灭。风力发电机作侧风偏航的过程中，再次按下偏航按钮或按下停止按钮或急停按钮，侧风偏航结束，偏航按钮指示灯熄灭。侧风偏航结束时，按下恢复按钮，恢复按钮的指示灯亮，风力发电机撤销侧风偏航，在此过程中，再次按下恢复按钮或按下停止按钮或急停按钮，撤销侧风偏航动作停止，恢复按钮的指示灯熄灭。在撤销侧风偏航的过程中，当尾翼回到初始状态时，撤销侧风偏航的动作结束，恢复按钮的指示灯熄灭。编写风力发电自动程序PLC处在自动控制状态时，启动轴流风机旋转，按下启动按钮，风场装置作顺时运动，即运动1秒停2秒的间断运动。当风场运动机构箱顺时移动到限位开关时，风场装置作逆时运动，即作运动2秒停1秒的间断运动，当风场运动机构箱逆时移动到限位开关时，风场运动机构箱停止移动，自动运行程序结束。PLC处在自动控制状态，调节控制轴流风机的变频器的频率，当风速超过DSP控制器规定值时，风力发电机作侧风偏航，当风速低于DSP控制器规定值时，风力发电机撤销侧风偏航。PLC处在自动控制状态时，按下启动按钮时，如果风力发电机处于侧风偏航状态，风力发电机则先撤销侧风偏航。风场运动机构箱作顺时运动和逆时运动在程序上采取互锁关系。风力发电手动自动程序整合整合以上程序，实现：风力供电控制单元的选择开关有两个状态，选择开关拨向左边时，PLC处在手动控制状态，可以进行风场运动机构箱的运动控制和侧风偏航控制。选择开关拨向右边时，PLC处在自动控制状态，按下启动按钮，PLC执行自动控制程序。2.2 西门子PLC的主要设计工作PLC选型本设计选用的PLC型号为西门子S7-200系列，该PLC由14个输入、10个继电器输出。S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器(Micro PLC)。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指 令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强 大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-200成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。S7-200系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。S7-200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。此外，S7-200系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。图2-1 PLC2.3 PLC的I/O分配表表2-3 I/O分配表以上是本设计所使用的I/O口的分配2.4 PLC的I/O接线图2-4 I/O接线图以上是I/O分配的控制电路图第三章 MCGS的监控设计3.1 PLC软件设计3.1.1打开S7-200程序编辑，创建符号表，如图3-1 符号表 图3-1符号表3.1.2选择程序块进行编辑，建立主程序，如图3-2图3-2 急停与停止程序3.1.3创建手动与自动切换模块，如图3-3图3-3 手动与自动3.1.4创建手动子程序，进行PLC处在手动控制状态，如图3-4、3-5、3-6、3-7图3-4 手动的顺时程序图3-5 手动的逆时程序图3-6 侧风偏航程序图3-7 侧风恢复程序以上程序是进行手动控制，按下顺时按钮，风力顺时运动。按下逆时按钮，风力电机逆时运动。按下偏航按钮，侧风电机偏航运动到45。按下恢复按钮，侧风电机恢复运动到原位。3.1.5 创建自动子程序，进行PLC处在自动控制状态图3-8 自动程序以上程序是进行自动控制3.2 MCGS软件设计3.2.1 MCGS简介基于MCGS的风力发电机监控系统采用上位机和下位机的两级控制方式。上位机由计算机和通用监控系统软件组成，可实现数据采集、显示和监控等功能2；下位机以西门子S7-200PLC为核心、，通过风向传感器检测风向，将检测到的信号上传给可编程控制器，利用随动系统实现对风轮角度的控制，利用脉冲式风速检测传感器和风沙强度检测传感器分别检测风速和风沙强度，当风速和风沙强度达到发电要求时开始发电，并打开相应开关实现并网发电；同时将检测到的所有信号上传给上位机，并利用组态软件实时地监控风力发电机的运行状况，实现生产过程的自动化管理3.2.2 风力MCGS的软件设计（1） 用力MCGS新建工程(2)创建设备（3）在设备中进行数据连接（4）创建窗口（5）创建风力控制画面3.3 MCGS的功能调试编完以上画面后，然后点击编译，组态设置正确再下载到PLC上，进行风力的控制。在MCGS上也能实现对下位机的控制，如按下顺时按钮，顺时按钮的指示灯亮，风场运动机构箱顺时移动，当风场运动机构箱移动到限位开关时，顺时按钮的指示灯熄灭，风场运动机构箱停止移动。风场运动机构箱在作顺时移动时，再次按下顺时按钮或按下停止按钮或急停按钮，顺时按钮的指示灯熄灭，风场运动机构箱停止移动。风力控制单元风力电机模拟第四章 MCGS风力控制设计的总结4.1 MCGS风力控制总结通过两个月的努力，基于MCGS风力发电控制系统已经设计完毕，通过对该系统的调试，其功能基本达到要求。本设计以西门子PLC和触摸屏MCGS为核心，完成了风力发电控制系统的硬件和软件设计，实现了对部件的电气控制。利用触摸屏MCGS组态风力控制PLC，但是前提是PLC程序要能实现对模拟的摆杆、电机等机构要能控制。PLC是在继电器和接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置，是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术，它在工业控制中所占比例的不断上升可以看出，其发展前景是不可估量的。MCGS触摸屏也是工业中经常见到的，也可见它的应用广泛。所以设计基于MCGS的风力发电控制系统设计对于我日后的用处大大提高。4.2 设计存在的不足本文设计中的MCGS风力发电控制系统，设计中的许多功能还有待于扩展、完善。例如对PLC程序的编写还有很大的困难。系统对于PLC的许多高级指令没有应用到，也还需要进一步的了解和认知。以上问题有待于今后进一步研究解决。在MCGS触摸屏的编写画面中，还有很多的设备参数连接、脚本、按钮等多功能都值得我去学习掌握。参考文献1夏庆观，风光互补发电系统实训教程.北京：化学工业出版社，2012.52 陈梅,洪飞,李鑫,许正荣.风速风向传感器在风机控制中的应用与研究J.自动化技术与应用,2008,27(04):38-413 张俊姸,薛仰全,裴兴林,程明杰.风向跟踪风力发电教学实训装置的设计J.中国教育技术装备, 2011,(05): 97-1024李东东，陈陈.风力发电机组动态模型研究J.中国电机工程学报,2005.035裴兴林，程明杰，薛仰全.妍张俊;PLC调速系统对风电机组的偏航控制J.装备制造技术，2011.086 姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用M.北京：机械工业出版，20097 郑志强.风速监测仪表的改进探测J.电子质量,2006(6):30-328任致程.电动机变频器实用手册M.北京：中国电力出版社,20049 朱永强，风电场电气系统，机械工业出版社，2010.2.10 宫靖远，风电场工程技术手册，机械工业出版社，2007 11 李建林，风力发电中的电力电子变流技术，机械工业出版社，2008福建电力职业技术学院 毕业论文致 谢过了两个月的学习和查找资料， 在徐志保老师的悉心指导和严格要求下， 我终于完成了基于MCGS风力控制系统的设计的论文。从课题选择、开题报告到具体设计，每一步对我们来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我们在大学期间独立完成的最大的项目。记得在刚接到这个课题时，由于对论文的具体格式及内容不是很了解，我们都有些茫然不知所措。于是我们给自己提出了第一个问题：设计好一个论文需要什么具 体的专业知识，带着这个疑问我们开始了独立地学习。由于我参加全国“康尼杯”高等职业技能大赛“风光互补发电系统安装与调试”竞赛荣获“二等奖”对此有一定的认识和了解，甚至我去图书馆查阅相关资料、上网去了解风能发电系统的最新动向，渐渐头脑中关于该论题的概念清晰了起来。 在具体设计的过程中，感谢我们的毕业设计导师徐志保老师，以及和我们一起做课题的同学，正是有了他们的帮助才使我这篇设计日蒸完善。每一次改进我们都收获良多，每一次修改后的成功我们都能兴奋好长一段时间。虽然我们的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我们仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我们实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程。 本次设计让我对风能发电系统的认识又上升到了一个新的台阶，不论是对今后的学习还是工作都有很大的帮助。