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产品描述
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1引言
石家庄润石水厂于1996年竣工投产，总设计日供水量30万吨，是90年代自动化程度很高的地表水厂。水处理工艺过程主要包括：取水、加药混凝、沉淀、过滤、加氯、送水六个主要环节。
润石水厂的PLC采用的是美国SQUARE D公司的产品，随着运行时间的增加，电子器件逐渐老化，故障率越来越高，并且由于当今电子技术的迅猛发展，现有自控设备已逐渐被淘汰，库存备件逐渐减少，备件价格越来越昂贵、供货周期不断加长， 因此，我们针对水厂制水过程的特点和对控制系统的功能要求，并根据该厂的具体情况，终决定采用罗克韦尔自动化的系列PLC和基于客户/服务器HMI 组态软件RSViewSE 进行水厂性的提升。
2 现场控制站及各自实现的功能要求
根据水厂生产工艺及设计要求，共有6个主PLC控制站，9个子PLC站构成控制系统，全部采用了罗克韦尔自动化的系列PLC，通过CONTROLNET与中控室进行通讯。
(1)取水管理站（PLC1）
用于取水管理站的工艺参数、设备状态的采集，根据工艺要求控制预加氯，通过无线通讯系统与水厂中控室通讯。
(2) 药物投加、沉淀池系统（PLC2）
现场仪表数据、设备状态的采，控制投系统、配药系统和沉淀池排泥阀。根据进水流量、原水浊度、温度进行加药系统的比例投加。
(3)滤池、加氯系统（PLC3）
自动完成滤池过滤与反冲洗过程控制，负责加氯过程的监测和控制。
(4)送水泵站（PLC4）
用于送水泵房、出水管线的工艺参数、水质参数、设备状态的采集，根据工艺过程要求对6台送水泵、出口阀、流量计等设备进行控制。
(5)中控室（PLC5）
通过系统网络通讯，采集接收各现场控制站检测到的主要工艺设备状况及报警信号，实现对各控制站点设备的远程控制。
(6)变配电系统（PLC7）
采集现场设备状态提供高压报警信号
(7)9个子PLC站
滤池PLC3A-3H：8个子PLC负责控制滤池的设备及现场数据采集
废水处理子PLC：实现污泥处理的自动运行
3 控制系统构成
从图1看出，整个控制网络根据系统不同功能层次采用三种通讯方式。厂区主干网即6个主站PLC之间以及主站与子站之间通讯均采用ControlNET冗余网络（A、B两条并行网线），6个主站采用Contrologix系列PLC,8个滤池子站PLC及脱水间PLC采用Compactlogix系列PLC。，通过各自槽架上的ControlNET通讯模块1756-CNBR相连接（对于Compactlogix系列PLC，直接与CPU模块1769-L35CR连接），通讯时如果A网出现故障系统可以自动切换到B，人工设置。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在有高电压及大电流的区段（PLC4至PLC7，PLC7至PLC3）选用光纤作为网络介质。在PLC3、PLC4、PLC7之间通过6套光纤适配器1786-RPA和光纤转发器1786-RPFM实现ControlNET同轴电缆与光纤的转接。
各主站的上位机通过以太网连接。各主站配置一台光纤收发器，并通过集线器与PLC背板上的以太网通讯模块连接1756-ENBT，同时连接上位机。为保证整个系统的稳定及满足增加客户端需求的可能，在中控室设置一台光纤接换机，与各站点上位机连接，并连接位于中控室的两台服务器。
在PLC2处理器下挂的I/O机架以及PLC1、 PLC3A-H的触摸屏与控制器之间通讯同样采用了ControlNET网络冗余，保通讯的性。
中控室与黄壁庄取水口PLC采用DATA-LINC的SRM6100无线通讯产品交换数据。
以太网网络通讯速率为10/100M自适应，ControlNET网的通讯速度为5M/S，Controllogix和Compactlogix系列全采用CIP协议，该协议可以在以太网和ControlNET网上无缝路由，并且传输速度不会受节点的影响，时时保持5m/s的传输速度。图2、3分别示出设备的安装现场照片。
三台HMI客户端位于加药间、滤站、泵房，用于从HMI服务器获得信息或向HMI服务器写信息，在HMI服务器中断后不需要重起RSView SE客户端软件，可以继续使用系统。三台HMI客户端采用DELL工控机，安 bbbbbbs XP或者bbbbbbs 2000操作系统。
3.3控制系统功能
(1)现场数据采集与保存
对现场水质检测仪表、各种计量仪表的数据进行定时采集，并把它们保存到创建的SQL SERVER数据库中。
(2)现场设备就地与远程控制
现场设备分就地与远程控制两种控制模式，就地控制由各站点工作人员现场控制设备的启停，远程控制由中控室人员通过屏幕操作控制或由PLC程序顺序执行控制设备。
(3)送水泵恒压供水
送水泵站有3台定速泵，3台变频调速泵。自动控制状态下，PLC 根据设定的出水压力，自动调节变频器的输出频率，从而控制变频泵的速度，达到节能降耗的目的，实现恒压供水。这是此次改造的亮点，利用Compactlogix产品的自身功能特点，替换了该厂花费几十万元附加配置的庞大设备，不仅美化了车间环境，而且比改造前节约近30%的电能损耗，受到水厂和广大职工的，具有良好的推广。
(4)实时数据查询与分析
利用RSView SE软件对一些需要查询历史数据的参数绘制曲线图，，按一定的周期采样，数据采用先入先出的保留形式，保存一个月
(5)画面显示
各站点计算机显示的画面有水厂工艺流程总图、各PLC控制流程分画面、高压配电监控画面、设备操作画面、曲线图、调用菜单画面、报警画面、报表画面。工作通过调用这些画面可以地了解水厂的运行情况，并且很方便地对设备操作。
(6)报警功能
在任何时间和在任何显示页面均能在画面部显示出报警信息，包括报警内容、报警时间、报警地点。报警按级别高低分为三级，用红、黄、绿不同的颜色表示，并通过各自PLC柜的蜂鸣器给予声音报警，提醒工作人员查看报警内容并找故障点。
(7)报表功能
本系统输出的报表有以下三种，即输水工艺参数日报表、输水工艺参数月报表、水厂工艺参数年报表。
4结束语
目前该系统已运行一年多，由于它有较高的性、稳定性、以及灵活的可扩展功能，其性能能满足运行要求，对水厂的运行、提高供水质量、节能降耗、优化管理等方面起到了至关重要的作用。
摘要:详细介绍了通过脉冲计数的方式实现10层电梯位移控制的机理。其中，介绍了10层电梯控制系统的硬件组成、软件实现以及脉冲选层的原理；之后分析了Rockwell的CompactLogix系列PLC的工作方式及系统的通讯方式、软件组态和变频器的PLC控制方式，并介绍了用于实现脉冲计数的硬件电路的设计；后通过对实验结果的分析，探讨了影响电梯平层精度的因素并提出了相应的改进措施。实验表明基于CompactLogix控制器的电梯控制系统采用脉冲计数方式可较高的平层精度。
关键词:可编程控制器 变频器 脉冲计数 电梯控制系统 位移控制 平层精度
1 引言
本系统是一套10层模拟电梯控制系统,可以实现实际电梯的基本功能。初为了实现电梯的楼层、换速及平层停车的控制，是通过在井道内每一楼层装设上下换速、平层挡光板并在轿厢上安装光电传感器的方式[1]来实现的。实验表明，这种方法由于挡光板和光电传感器的安装位置、相对距离等有误差，使电梯运行时常发生机械故障，并且由于挡光板有一定的宽度，造成平层精度不高。改用脉冲计数的方式不仅能实现对电梯的速度控制，还能在不增加任何硬件的情况下对电梯实现位移闭环控制，同时提高了电梯平层精度。本文将以Rockwell的CompactLogix L31控制器和PowerFlex 70变频器为例，介绍利用PLC、变频器及脉冲计数电路进行位移控制的电梯控制系统，分析影响电梯平层精度的因素并提出改进措施。
2 电梯控制系统介绍
2.1 电梯控制系统硬件组成及软件实现
本系统采用集选控制方式，由电力拖动系统和电气控制系统两部分组成。电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿厢开关门电路，其中电梯垂直方向主拖动电路由变频器控制的三相异步电动机作为拖动动力源，轿厢开关门电路则采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源；电气控制系统由众多呼叫按钮、指示灯、LED 7段数码管和光电编码盘、脉冲计数电路、变频器以及控制部分的器件PLC等组成。PLC集信号采集、信号输出和逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。电梯控制系统硬件结构框图见图1。
图1 电梯控制系统硬件结构框图
电梯的软件设计由若干个功能模块组成，每个功能模块由相应子程序实现，再由主程序分别调用子程序。主要包括以下几个子程序：楼层检测、指示灯显示、手动/自动开关门控制、轿厢内外呼梯记录、呼梯级判断、变频器控制、电梯运行控制。其中关键部分包括两点：一是对多个呼梯信号进行级判断，根据顺向近响应、逆向远响应的原则实现电梯正确响应呼梯；二是准确进行楼层检测，动态判断电梯所在楼层、换速及平层位置(由于篇幅限制,具体程序不再给出)。
2.2 电梯控制系统脉冲选层控制原理
2.2.1 利用脉冲计数实现电梯位移控制
将一增量式光电编码盘[2]与电机同轴安装，电梯上下运行时，码盘以与电机同样的角速度转动，产生A ,B 两路相位相差90°的脉冲，通过判断A ,B 的前滞后关系确定电梯运行方向。每个脉冲对应井道中电梯所走的平均距离l 及电梯每层对应的平均脉冲数N 计算如下：
式中：D为限速器绳轮直径，为28.5mm；P为码盘旋转一周对应的脉冲值，为1200p(p为脉冲单位)；L为电梯平均每层距离，为160mm。将D , P , L 分别代入式(1)、式(2)中，可计算得l≈0.0746 mm/p，N≈2145p。
电梯全程的每一个位置对应一个脉冲计数值，10层全部脉冲值(包括层和底层的平层位置到上下限位开关之间的距离所对应的脉冲值)约为20149p，根据电梯各个位置对应的位移和每个脉冲对应井道中电梯所走的平均距离l可以计算出相应的脉冲数，通过比较判断所记录的脉冲数就可实现电梯的位移闭环控制。由l的值可以看出，采用脉冲计数方式实现电梯的位移控制可以得到很高的控制精度。
2.2.2 脉冲计数的两种实现方式
通过计算输入脉冲数检测电梯轿厢位置，可以有2种计数方式：计数方式和相对计数方式。计数指采用坐标累计所有楼层脉冲数，每一层都对应的脉冲数，这样会占用较多的存储空间。相对计数方式指采用相对坐标进行计数，每次从平层点开始计数到下一平层点，然后计数器复位，每一层均从该层层高对应脉冲值开始加/减计数。采取这种方式可以节省存储空间，但是可能出现乱层现象，需要在每一层的平层处增加传感器等硬件发出复位信号或通过编制程序以避免乱层现象发生。由于电梯加工精度不高，每一楼层对应脉冲数可能不同，综合考虑后本套模拟电梯控制系统采用了计数方式。
3 系统实现位移控制的分析
3.1 CompactLogix系列控制器的工作方式及编程环境
本系统是由1个CPU模块、1个电源模块、3个数字量输入模块、4个数字量输出模块和1个PowerFlex 70变频器构成的电梯控制系统。其中PLC采用CompactLogix L31控制器,它属于CompactLogix系列，是Rockwell目前主推的Logix控制平台[3,4]中的一款中型PLC。其具体工作方式[4～6]分析如下。
(1) 控制器采用具有级的实时多任务操作系统，支持8个可组态任务。其中有一个连续性任务，其他为周期性任务或事件性任务(级为1～15，数字小的级高)，每个任务又包括若干程序以实现逻辑控制。
(2) Logix系统中设备之间通过“连接(connection)”或者“非连接的信息交换(unconnected message)”两种方式进行数据通讯。CompactLogix系统使用“连接”传送I/O数据，对于本地I/O模块，控制器都会和每个模块分别建立一个直接连接，即控制器与I/O模块之间建立一种实时数据传送链路。
(3) 系统本地框架中的数字量输入模块采取多信道广播数据(循环数据交换)的工作方式。由RPI(requested packet interval)模块多信道广播(multicast)其数据的速率，如果在RPI时间帧内没有改变状态(change of state)发生，模块就按RPI的速率来多信道广播数据，否则将改变后的状态按RPI发送。对于系统本地框架中的数字量输出模块，控制器会分别按RPI和在任务执行结束时将数据发送到相应模块。RPI设定值范围为1～750ms，但它会受系统本地框架中扩展I/O模块数量的影响，一般情况下，1～4个模块RPI快为1.0 ms,5～16个模块RPI快为1.5ms,17～30个模块RPI快为2.0ms。
(4) 控制器使用一个级为7的任务专门用来处理I/O数据。这个周期性任务按RPI执行,只有级7的任务方可中断处理I/O数据。即I/O的新同逻辑的执行过程异步进行,这便于应用系统尽可能收到新信息。CompactLogix系列控制器的编程环境采用RSLogix 5000[7]。
3.2控制系统的通讯方式及软件组态
CompactLogix L31控制器通过RS232串行口、采用DF1全双工通讯协议实现控制器与PC 的点对点通讯。连接好硬件线路后,利用RSLinx软件来对链接工作站和控制器的网络组态通讯驱动程序,实现控制器与PC的通讯。可以通过RSLinx的自动组态功能实现控制器型号、波特率、校验、停止位、错误检测等的自动组态。本系统中对于CompactLogix L31控制器所带的两个RS232串行口,采用其中的隔离端口(通道0),如果采用控制器的非隔离端口(通道1),需要在控制器与终端设备之间安装隔离器[5,6]。
3.3 变频器的组态及PLC控制
通过变频器的LCD HIM(液晶显示人机接口)进行相关参数的组态，变频器的组态包括：组态变频器的输入电压，设置电动机的额定数据(额定电压、额定电流、额定转速、额定功率等)及加/减速的斜坡时间，优化电机转矩，设置变频器的大/小频率及七组预置频率值，设置变频器的方向模式等。
变频器的PLC控制是通过PLC的输出模块控制变频器的数字IO端子块实现的。PLC的数字量输出模块与变频器的数字IO端子块的接线如图2所示。图2中，PLC数字量输出模块1769-OB16的电源端+VDC接24V直流电源的正、DC COM端接24V直流电源的负并与PowerFlex 70变频器数字I/O端子块的8号接线端(数字输入公共端)短接。PLC数字量输出模块的OUT0～OUT5输出接线端分别与变频器数字I/O端子块的1#～6#接线端连接，实现PLC对变频器的控制。图2中，变频器数字I/O端子块1#～6#接线端对应的参数名称和组态信息如表1所示。PLC数字量输出模块的OUT3、OUT4、OUT5(与变频器数字I/O端子块的4、5、6接线端相对应)输出状态的不同组合对应七组预置频率中的不同值，对应关系如表2所示。这样PLC可以根据轿厢当前楼层与要达到的楼层间的距离向变频器发送不同的频率命令。
图2 PLC数字量输出模块与变频器数字IO端子块间的接线图
表1 与变频器数字I/O端子号对应的参数信息
表2 PLC OUT3、OUT4、OUT5选通与预设频率间的对应关系
3.4 脉冲计数的实现
由于传统PLC的I/O控制采取集中输入、集中输出的方式,所以对于宽度小于扫描周期的脉冲信号采用高速计数器来实现脉冲计数,否则可能会丢失大量的脉冲信号。对于CompactLogix控制器,可通过扩展高速计数模块(1769 HSC)实现脉冲计数。考虑到CompactLogix控制器本身的I/O新和逻辑执行是异步进行的特点,本系统中自行设计了一块计数电路板,从而代替高速计数模块来解决高速脉冲计数的问题。
计数电路板的计数模式为环计数模式(一般高速计数模块的计数模式[2]有两种：线性计数模式和环计数模式)，计数范围为0～+65535，双向计数。脉冲计数电路板以4片74LS193芯片(高速计数芯片)为主要元件，还包括电平转换电路、计数器复位电路等其它辅助电路。设计过程中为提高抗干扰能力，对于输入信号采用了差分电路；同时为提高电路的响应速度，电平转换电路中的光耦采用了高速光耦。将脉冲计数电路板的输出信号引入PLC的一块扩展输入模块，通过直接读取此模块的输入状态得到对应的脉冲数，由PLC控制计数电路清零复位。脉冲计数电路结构图见图3。
图3 脉冲计数电路结构图
采用这种方式取代高速计数模块,虽然硬件设计增加了系统的开发时间,且计数精度没有高速计数模块高，但实验表明电梯仍然可以实现较高的平层精度，了良好的实验效果，并且节省了购买高速计数模块的昂贵
4 实验结果分析及改进
4.1 实验结果分析
针对本10层电梯控制系统，分别编写简单控制程序(只实现计数和停车功能)和复杂控制程序(实现了电梯的所有基本功能)并进行多次实验，表3给出了部分实验数据。其中任务与程序的大扫描时间可通过读取程序运行过程中的相关参数得到；记录从发出停车指令到实际停车所需脉冲数并对多组数据求平均值，可得到电梯停车所需脉冲平均值；电梯快速运行时码盘发出脉冲的周期可通过如下方式求得：编制简短的延时程序，记录延时时间及脉冲变化值并求得脉冲的周期，对多组实验数据求取平均值。以电梯平层停车所需时间(可由电梯平层停车所需脉冲数乘以脉冲的周期折算得到)为例，通过比较得出，影响电梯平层精度的因素除减速机齿轮啮合间隙等机械因素外主要有以下4点：
(1) 脉冲计数电路的精度限制造成计数累计误差较大；
(2) 电梯轿厢有惯性且变频器响应有延时，故电梯平层停车需要一定延时时间(t1)；
(3) 虽然负责计数的输入模块各输入口的状态是按RPI不断刷新，但是程序中对应脉冲值只有在控制器扫描时才被刷新(刷新的大延时时间为控制器的大扫描时间)，当程序较复杂扫描时间大于脉冲宽度时，程序中读取的脉冲数值就不是一个连续变化的数，即扫描间隔会造成一定的死区时间(t2)；
(4) 从发出停车指令到输出端口状态的刷新存在一定的延时时间(t3)。
表3 电梯控制系统实验数据
实验数据分析如下。
当程序较简单，扫描时间较短时，可以通过判断单个脉冲值实现楼层、换速及平层停车，即平层误差可在±1个脉冲的当量范围，平层精度较高。根据表3所列数据，电梯停车所需时间为t=t1+t2+t3=t1=34×1.828=62.152ms，其中t2= 0，t3=0，可见电梯停车时间仅为克服电梯惯性和变频器响应所需时间(t1)。但是为了使电梯控制系统可实现的功能为完善，往往逻辑程序较复杂扫描时间较长，此时t2，t3不为零，通过一个范围来判断脉冲值以实现位移控制。电梯停车所需时间为t=t1+t2+t3=62.152+(37-34)×1.828=67.636ms。例如，需将2300≤Local:7:I.Data ≤2310作为楼层、换速或者平层停车的判断条件,其中Local:7:I.Data表示位于7槽的数字量输入模块对应的状态即输入脉冲值。
4.2 改进措施
为减小累计误差，可待电梯运行到底层时，通过硬件方式将计数器清零复位；由于t1为一固定值，故可通过软件程序避免由t1带来的平层误差。实验表明，采取以上措施并考虑减速机齿轮啮合间隙等机械因素的影响后，电梯平层精度可达±1mm。为了进一步提高电梯位移控制的精度，实现平稳、快速、准确平层停车，尽可能减小t2和t3，本系统采用了以下优化软件程序的进措施。
(1)程序中适当增加读取扩展输入模块输入状态(Local:7:I.Data)的指令，从而尽量增加控制器对脉冲值的扫描频率，减小刷新延时时间。
(2) 选取较小的RPI如1.5ms。
(3) 采用中断的方式增加扫描频率。例如，控制程序在连续性任务中实现而将判断输入脉冲值(Local:7:I.Data)的指令放到一个周期性任务中，选择较小的周期如1.5ms。考虑到负责处理I/O数据的周期性任务的级为7，此处周期性任务的级选择1～6。
实验表明，采用改进的方式后电梯可以实现良好的运行效果，平层精度小于±0.5mm。
5 结束语
采用光电编码盘脉冲计数的方式取代井道中安装换速挡光板的传统方式，实现对电梯的位移闭环控制，不仅提高了平层精度，而且软件编程灵活，便于实现全数字化控制。多层电梯平层精度的提高，除了要保证机械装置的精度较高外，关键在于选择合适的控制器以及对控制算法的改进，虽然采用自行设计的计数电路板代替高速计数模块使脉冲计数的精度有些影响，但由于CompactLogix系列控制器采用新的工作方式，电梯仍可实现较高的平层精度。以后可以尝试采用带工业以太网口的控制器(如CompactLogix L32E)，通过以太网代替串行通讯或者通过现场总线实现控制器与工作站的通讯，从而实现上位机对电梯的监控或对多台电梯的,这也将成为继续提高我国电梯控制水平的发展方向。
摘 要:采用变桨距控制的风力发电机不但可以吸收多的风能，而且使风力机具有好的起动和制动性能，保证风力机地运行。在风力发电机组或电网发生故障时，可以控制变桨距机构使叶片顺桨，从而使叶轮制动；在风速运行风速时，可以使叶片处于顺桨状态，改善风力机组的受力状况，避免大风对风力机的损害。此外，若通过合适的变桨距控制，可以减小传递链上的转矩振荡；国外的研究人员通过对立变桨距风力发电机的研究发现，采用对每个叶片进行合理的控制可以减小塔架的振荡以及叶片的载荷，从而可以减小风机的疲劳度，延长风力机使用寿命。本文采用罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器(PLC)作为风力发电机的变桨距控制器，这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。本文介绍了变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统和硬件系统，在实际风力发电机组上进行了实验验证，运行效果良好。预计罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器(PLC)在我国风力发电场合会有大的作为。
关键词:变桨距 风力发电机 可编程控制器 罗克韦尔
风能是可再生能源中发展快的清洁能源，也是有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。我国风能资源储量丰富，发展风能对于改善能源结构缓解能源短缺具有重大现实意义。近年来，我国风电产业规模逐步扩大，风电已成为能源发展的重要领域。
在风电技术发展方面，风力发电机单机容量朝着大型化发展，兆瓦级风力机已经成为了风力发电市场的主品。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，例如，VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW， GE的1.5MW、2.5MW、3.6MW机组，REPOWER的MD77-1.6 MW、MM82 -2MW，NORDEX的S77/1.5MW等都采用变桨距系统。
变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。变桨距控制的优点是能够确保高风速段的额定功率，额定功率点以上输出平稳、在额具有较高的风能利用系数、提高风力机组起动性能与制动性能、提高风机的整体柔性度、减小整机和桨叶的受力状况。因此风力发电市场的主品是变速变桨距机组。
世界上大型风电机组变桨距系统的执行机构主要有两种，液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构。其中，电动变桨距系统的桨距控制通过电动机来实现，结构紧凑、控制灵活、，正越来越受到大多数整机厂家的青睐，市场前景十分广阔。
目前，我国MW级变速恒频风电机组电动变桨距系统产品一直依赖进口，国外比较有代表性的有德国LUST、SSB、美国GE 公司的产品。其高昂的产品价格、技术服务的不足和对关键技术的封锁严重影响了我国风电产业的健康快速发展。风力发电机向着大型化的方向发展，变桨距控制技术已经成为风力发电的关键技术之一，研制电动变桨距系统实现大型风力机电动变桨距控制技术国产化、产业化的要求十分迫切。因此，掌握电动变桨距控制技术将改变国外公司对变桨距控制技术的现状，提高我国风电关键技术的研制能力，降低风力发电的成本；对加快拥有自主知识产权的风电设备研制，大力发展风电事业具有重要意义，从而使我国在该领域的研究达到水平。
变速变桨风力发电机组是风力发电技术发展的主流方向，控制系统是机组的关键部件之一。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响。20世纪90年代，国外便开始了对变速风力机的运行特性和控制策略的研究，并了一系列的成果，生产制造出成熟的商业化运营的控制系统产品。目前的研究热点集中在基于现代控制理论的新型控制算法在风力发电控制系统中的应用上，以期进一步提高风力机的运行效率，减小疲劳载荷，改善输出电能质量。我国风电产业起步较晚，目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究，在控制系统的产业化项目中，缺乏优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。
大风能捕获是控制系统的重要功能之一，它直接影响的风力发电机组的运行效率。对于提高风电机组的发电量，减小风电成本具有重要意义。而传统的控制方法存在诸多不足，引起较大的能量损失，新型控制算法的研究和应用，可以有效提高风能利用效率，实现大风能捕获。
为了获得足够的起在变桨距系统中需要具有高性的控制器，本文中采用了罗克韦尔 SLC 500系列可编程控制器（PLC）作为变桨距系统的控制器，并设计了PLC软件程序，在国外某风电公司风力发电机组上作了实验。
变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。如图1所示为变桨距风力发电机的原理图。变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机等；其缺点是增加了变桨距装置，控制复杂。
图1 变桨距风电机组原理图
在风力机设计的初期，设计人员就考虑到了变桨距控制，但是由于对空气动力学特性和风力机运行工况认识不足，控制技术还不成熟，风力机的变桨距机构性不能满足运行要求，经常出现飞车现象。直到20世纪90年代变桨距风力机才得到广泛的应用。目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，例如， VESTAS的V66-1.65MW、V80-2MW，ENERCON的E-66-1.8MW、E-58-1MW，ENRON Wind的1.5S-5MW，NORDEX的S77/1500KW等都采用变桨距结构。
定桨距控制，风力机的功率调节依靠叶片结构设计发生失应使高风速时功率不增大，但由于失速点的设计，很难保风力机在失速后能维持输出额定功率，所以一般失速后功率小于额定功率[1][4]；而变桨距风力机可以根据风速的大小调节气流对叶片的功角，当风额定风速时，输出功率可以稳定在额定功率上。如图2所示为定桨距风力机和变桨距风力机的输出功率比较曲线。在出现台风的时，可以使叶片处于顺桨，使整个风力机的受力情况大为改善，可以避免大风损害风力机组。在紧急停机或有故障时，变桨距机构可以使叶片顺桨到90°，风轮速度降低，减小风力机负载的冲击，延长风电机组的使用寿命。
图2 变桨距和定桨距风力机的功率曲线
变桨距控制技术关系到风力发电机组的运行，影响风力机的使用寿命。随着变桨距风力机的广泛应用，许多学者和研究人员投入了变桨距控制技术及变桨距风力机结构的研究。目前人们主要致力于通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等技术的研究。Vestas公司推出了OpiTip（桨距角）风力发电机组，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音。
目前变桨机构有两种：一种是液压变桨距执行机构；另一种是电动变桨距执行机构。液压变桨控制机构具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位、执行机构动态响应能够保证加、准确地把叶片调节至预定节距。目前国外大公司如丹麦VESTAS的V80-2.0MW风机等都采用液压变桨机构[5][6]。电机变桨执行机构是利用电机对桨叶进行控制，电动变桨没有液压变桨机构那么复杂，也不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，因此目前受到了许多厂家的关注。如REPOWER的XD77、MM92、GE公司生产的兆瓦级风力发电机就采用了电动变桨距机构。
如图3所示为液压变桨距执行机构原理图，桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，节距角的变化同液压缸位移成正比。当液压缸活塞杆向左移动到大位置时，节距角为90°，而活塞杆向右移动大位置时，节距角一般为-5°。液压缸的位移由电液比例阀进行控制。在负载变化不大的情况下，电液比例方向阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进行的液压缸位置控制，引入液压缸位置检测与反馈控制。
图3 液压变桨机构框图
电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行单调节，如图4所示。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毅内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电机由UPS供电，将桨叶调节为顺桨位置。
图4 电动变桨距系统原理图
随着风力发电机技术的不断进步，风力机已经朝着大型化方向发展。兆瓦级风力机已经成为市场上的主流机型，在国外的海上风电场广泛采用2-5MW风力发电机组。目前的变桨距风力机大多采用三个桨叶统一控制的方式，即三个桨叶变换是一致的。但由于现代大型风力机叶片比较大，一般几十米甚至上百米，所以整个风轮扫过面上的风速并不均匀，由此会产生叶片的扭矩波动并影响到风力机传动机构的机械应力及疲劳寿命；此外，由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨重，叶片在运行的不同位置受力状况也是不一样的，故叶片重力对风轮力矩的影响也是不能忽略的。显然对三个叶片进行立控制加合理。通过立变桨控制，可以大大减小风力机叶片负载的波动及转矩的波动，进而减小了传动机构和齿轮箱的疲劳度以及塔架的振动，而输出功率能基本恒定在额定功率附近。
3 变桨控制器的设计
本文实验中采用的电动立变桨距系统由交流伺服系统、伺服电机、后备电源、轮毂主控构成。电动变桨距系统结构如图5、6所示。系统参数与接口的设计依据为SSB1.5MW双馈式风力发电机组变桨距系统。
图5 电动立变桨距系统结构
图6 电动立变桨距系统结构2
本文中的风电系统涉及风速、风向、振动加速、振动开关、偏航、刹车液压系统、齿轮传动系统、液压、温度等等信号。其中，输入数字量约70-80路；模拟量约10路；温度量约16路；输出数字量约32路；此外，还需要用到发电机转速测量高速计数信号。为了满足需求，采用了罗克韦尔 SLC 500系列PLC。SLC 500有多款不同容量和内置通讯接口的处理器可选。提供大容量多可达64K字（128K字节）的数据/程序内存，SLC 500的模块化I/O系统提供了包括开关量、模拟量和模块在内的60多种I/O模块。SLC500系列处理器的程序和数据是以文件的形式在内存中存储的。处理器文件分为程序文件和数据文件,程序文件可高达256个 ,包括处理器信息、梯形图主程序、中断子程序及其他用户根据需要编制的子程序文件;数据文件包括与外部 I/O及所有梯形图程序使用的与指令相关的数据信息。它包含 输出 /输入、状态、位、计时器、计数器、控制结构、整数、浮点数、字符串、ASCII码文件 ,用户可以根 据需要定义除输出 /输入和状态文件以外的可达 256个数据文件。
此外，SLC500控制系统还提供 50多种不同的 I/O模块满足用户的不同需求。本地模块采用硬件寻址方式 ,程序逻辑可直接存取 I/O数据。 (1 )开关量 I/O模块。包括各种输入 /输出 方式和不同的 I/O点数 ,有 4、8、16和 32点开关 量 I/O模块及 8、12和 16点 I/O混合模块等 ,可 与不同电压等级的交流、直流和 TTL电平连接。 其中有负载电流达 2 A和 2. 5 A的大电流继电器模块、固态输出模块和大接通信号延迟时间只 有 0. 3 ms、大关断信号延迟时间只有 0. 5 ms的快速响应直流输入模块。为提高工业应用的 性 ,这些模块都提供了输入滤波和光电隔离功能。 16点 I/O模块上还有可拆卸的接线端子排 ,使接 线和换模块容易。 ( 2)模拟量 I/O模块。SLC500系列模拟量 ( 模块有 4路 I/O、4路混合 I/O 2路输入 /2路输 ) 出 模块和高密度的 8路输入模块及快速响应模 块等。输入模块都采用差分输入 ,每路通道可单 配置成不同等级的电流或电压输入方式 , 输入分辨率可达 16 bit精度。具有输入滤波 ,对 电气噪声具有高度的防护能力。输出通道的精度都是 14 bit,提供的控制能力。SLC500系列 模拟量 I/O模块可以选择由框架的背板供电 ,不需外部电源。
系统中，发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0～10V对应功率0～800KW）输入到PLC，桨距角反馈信号（0～10V对应桨距角0～90°）以模拟量的形式输入到PLC的模拟输入单元；液压传感器1、2也要以模拟量的形式输入。在这里选用了4路模拟量的输入单元；4路模拟量输出单元,输出信号为-10V～+10V，将信号输出到执行机构来控制进桨或退桨速度；为了测量发电机的转速，选用高速计数单元，发电机的转速是通过与发电机相连的光电码盘，每转输出10个脉冲，输入给计数单元。
本系统的主要功能都是由PLC来实现的，当满足风力机起动条件时，PLC发出指令使叶片桨距角从90°匀速减小；当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，在额定风速之上，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。在有故障停机或急停信号时，PLC控制执行电机，使得叶片变到桨距角为90°的位置。
风力机起动时变桨控制程序流程如图7所示。当风速起动风速时PLC通过模拟输出单元输出1.8V电压，使叶片以0.9°/s的速度变化到15°。此时，若发电机的转速大于800r/s或者转速持续一分钟大于700r/s，则桨叶继续进桨到3°位置。PLC到高速计数单元的转速信号大于1000r/s时发出并网指令。若桨距角在到达3°后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1V电压，使桨距角退到15°位置。
图7 风力机起动变桨控制程序流图
发电机并上电网后通过调节桨距角来调节发电机输出功率，功率调节程序流程图如图5所示。当实际功率大于额定功率时，PLC的模拟输出单元CJ1W-DA021输出与功率偏差成比例的电压信号，并采用LMT指令使输出电压限制在-4.1V（对应变桨速度4.6°/s）以内。当功率偏差小于零时需要进桨来增大功率，进桨时给比例阀输出的大电压为1.8V（对应变桨速度0.9°/s）。为了防止频繁的往复变桨，在功率偏差在±10KW时不进行变桨。
图8 变桨调功程序流程图
在变桨距控制系统中，高风速段的变桨距调节功率是非常重要的部分，若退桨速度过慢则会出现过功率或过电流现象，甚至会烧毁发电机；若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率波动较大，而且会缩短变桨缸和变桨轴承的使用寿命。会影响发电机的输出功率，使发电量降低。在本系统中在过功率退桨和欠功率进桨时采用不同的变桨速度。退桨速度较进桨速度大，这样可以防止在大的阵风时出现发电机功率过高现象。
图8为变桨距功率调节部分的梯形图程序。100.08是启动功率调节命令，当满足功率调节条件时，继电器100.08由0变为1；D2100存放的是发动机额度功率与实际功率的偏差，当偏差ΔP满足-10KW<ΔP<10KW时将0赋给D2100；60.07为1时即功率偏差为负值，D2100中的功率偏差按一定比例进行缩放，并通过LMT指令限位输出到比例阀，输出的小值对应-4.1V电压；若继电器60.07为0，即功率偏差为正值，将D2100的值通过SCL3指令按比例系数缩放。
在国内一些机构已经对变桨距控制进行了一定的研究，如沈阳工业大学、浙江大学、新疆大学等，其中浙江大学对立变桨距风力机控制做了初步的探讨，但是变桨距控制在国内还没有成功应用的例子，变桨距控制在国内还处于理论研究阶段，较高风力机成本也限制了实验的进展，在国内主要做了理论研究和分析。虽然金风公司在今年生产安装了1.2MW的变桨距直驱永磁同步风力发电机，但是其变桨控制系统还没有实现国产化，还依靠国外的技术。东方汽轮机生产的1.5MW FD70风力机采用了LUST的立变桨控制器。
采用了罗克韦尔 SLC 500系列PLC作为大型风力发电机变桨距系统的控制器，已经在广东南澳岛的国外某风电公司型变桨距风力机上作了实验。在现场的实验记录表明，采用这种PLC控制系统可以使风力机运行，在出现停机故障时可以顺桨停机；运行时满足功率优的原则，在额定风速之下时桨距角保持在3°不变，在高风速时能够根据输出功率调整桨距角的位置，满足设计要求。由于变桨距系统中采用了PLC作为控制器，使得该系统仅用简单的软件程序就完成了复杂的逻辑控制，而且抗干扰能力强，性能。可以预见，罗克韦尔 SLC 500系列PLC在风力发电场合会有大的应用前景。
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