西门子模块6ES7212-1AB23-0XB8产品

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1 概述
随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得加：既能提高风力机运行的性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持转换效率，使输出功率大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是。目前变桨执行机构主要有两种：
液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和立变桨两种。在统一变桨基础上发展起来的立变桨距技术，每支叶片根据自己的控制规律立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、性高等优势，越来越受到风电市场的欢迎。
兆瓦级变速恒频变桨距风电机组是目前上技术比较的风力机型，从今后的发展趋势看，必然取代定桨距风力机而成为风力发电机组的主力机型。其中变桨距技术在变速恒频风力机研究中占有重要地位，是变速恒频技术实现的前提条件。研究这种技术，可以提高风电机组的柔性，延长机组的寿命，是目前国外研究的热点，但是国内对此研究甚少。对这一前瞻性课题进行立项资助，掌握具备自主知识产权的立变桨控制技术，对于发达国家对的风力发电技术的，促进我国风力发电事业的进一步发展都将具有重要意义。
为了获得足够的起动条件，在变桨距系统中需要具有高性的控制器，本文中采用了OMRON 公司的CJ1M 系列可编程控制器（PLC）作为变桨距系统的控制器，设计了PLC软件程序，并在国外某风电公司风力发电机组上作了实验。
2 变桨距风力机及其控制方式
变桨距调速是现代风力发电机主要的调速方式之一，变桨距风力发电机的简图如图1所示。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证加、准确地把叶片调节至预定节距[4][5]。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变距装置大多采用液压系统作为动力系统。

变桨距控制器的原理框图如图2所示。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI（或PID）控制，功率误差信号经过PI 运算后得到桨距角位置。

当风力机在停机状态时，桨距角处于90毅的位置，这时气流对桨叶不产生转矩；当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90毅以一定速度（约1毅/s）减小到待机角度（本系统中为15毅）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3毅（桨距角在3毅左右时具有风能吸收系数）；发电机并入电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3毅不变；当风速额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10~+10 V 的电压，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20毅/s。
3 变桨控制器的设计
3.1 系统的硬件构成
本文采用国外某风电公司风力发电机组作为实验对象，其额定功率为550 kW，采用液压变桨系统，液压变桨系统原理图如图猿所示。从图猿中可以看出，通过改变液压比例阀的电压可以改变进桨或退桨速度，在风力机出现故障或紧急停机时，可控制电磁阀J-B 闭合、J-A 和J-C 打开，使储压罐1 中的液压油进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90毅）。

本系统中采用OMRON 公司的CJ1M 系列PLC。发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0耀10 V 对应功率0耀800 kW）输入到PLC，桨距角反馈信号（0耀10 V对应桨距角0耀90毅）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CJ1W-AD041；模拟量输出单元选用CJ1W-DA021，输出信号为-10耀+10 V，将信号输出到比例阀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CJW-CT021，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CJW-CT021。
3.2 系统的软件设计
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毅匀速减小；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 控制电磁阀J-A 和J-C 打开，J-B 关闭，使得叶片变到桨距角为90毅的位置。
风力机起动时变桨控制程序流程如图4 所示。当风速起动风速时PLC 通过模拟输出单元向比例阀输出1.8 V电压，使叶片以0.9毅/s的速度变化到15毅。此时，若发电机的转速跃800 r/min或者转速持续1 min跃700 r/min，则桨叶继续进桨到3毅位置。PLC 到高速计数单元的转速信号大于1 000 r/min 时发出并网指令。若桨距角在到达3毅后2 min未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1 V的电压，使桨距角退到15毅位置。

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-4.1 V（对应变桨速度4.6毅/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1.8 V（对应变桨速度0.9毅/s）。为了防止频繁的往复变桨，当功率偏差在依10 kW时不进行变桨。

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，这样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6 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 存放的是发动机额定功率与实际功率的偏差，当偏差驻P满足-10 kW<驻P<10 kW 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-4.1 V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，并通过LMT 指令输出到比例阀，输出的电压大值为1.8 V。
4 结语
采用OMRON 公司的CJ1M 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。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毅不变，在高风速时能够根据输出功率调整桨距角的位置，使输出功率维持在550 kW左右，在高风速阵风时，功率波动不过额定功率的10%，满足了设计要求。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。

PLC的安装

    PLC适用于大多数工业现场，但它对使用场合、环境温度等还是有一定要求。控制PLC的工作环境，可以有效地提高它的工作效率和寿命。在安装PLC时，要避开下列场所： 
 
    （1）环境温度过0 ~ 50℃的范围； 
 
    （2）相对湿度过85%或者存在露水凝聚（由温度突变或其他因素所引起的）； 
 
    （3）太阳光直接照射；
 
    （4）有腐蚀和易燃的气体，例如、等； 
 
    （5）有打量铁屑及灰尘； 
 
    （6）频繁或连续的振动，振动频率为10 ~ 55Hz、幅度为0.5mm（峰-峰）； 
 
    （7）过10g（重力加速度）的冲击。 
 
    小型可编程控制器外壳的4个角上，均有安装孔。有两种安装方法，一是用螺钉固定，不同的单元有不同的安装尺寸；另一种是DIN（德国共和标准）轨道固定。DIN轨道配套使用的安装夹板，左右各一对。在轨道上，先装好左右夹板，装上PLC，然后拧紧螺钉。为了使控制系统工作可*，通常把可编程控制器安装在有保护外壳的控制柜中，以防止灰尘、油污、水溅。为了保证可编程控制器在工作状态下其温度保持在规定环境温度范围内，安装机器应有足够的通风空间，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔。如果周围环境过55C，要安装电风扇，强迫通风。 
 
    为了避免其他外围设备的电干扰，可编程控制器应尽可能远离高压电源线和高压设备，可编程控制器与高压设备和电源线之间应留出至少200mm的距离。 
 
    当可编程控制器垂直安装时，要严防导线头、铁屑等从通风窗掉入可编程控制器内部，造成印刷电路板短路，使其不能正常工作甚至损坏。
 
2、电源接线
    PLC供电电源为50Hz、220V±10%的交流电。 
 
    FX系列可编程控制器有直流24V输出接线端。该接线端可为输入传感（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。 
 
    如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断过10ms或电源下降过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。 
 
    对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。

3 、接地
    良好的接地是保证PLC可*工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相接，基本单元接地。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给可编程控制器接上地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开。若达不到这种要求，也做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。接地点应尽可能*近PLC。

4 、直流24V接线端 
 
    使用无源触点的输入器件时，PLC内部24V电源通过输入器件向输入端提供每点7mA的电流。 
 
    PLC上的24V接线端子，还可以向外部传感器（如接近开关或光电开关）提供电流。24V端子作传感器电源时，COM端子是直流24V地端。如果采用扩展船员，则应将基本单元和扩展单元的24V端连接起来。另外，任何外部电源不能接到这个端子。
 
    如果发生过载现象，电压将自动跌落，该点输入对可编程控制器不起作用。 
 
    每种型号的PLC的输入点数量是有规定的。对每一个尚未使用的输入点，它不耗电，因此在这种情况下，24V电源端子向外供电流的能力可以增加。
 
    FX系列PLC的空位端子，在任何情况下都不能使用。

一般讲，PLC分为箱体式和模组式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模组式PLC，有CPU模组、I/O模组、内存、电源模组、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下：

硬件结构
 
可编程逻辑控制器硬件构成
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，是一种具有微处理机的数位电子设备，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。
可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比...等单元所模组化组合成.

处理单元
PLC中的CPU是PLC的，起神经的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程式赋予的功能接收并存贮用户程式和资料，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或资料，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程式存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用电脑一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的资料、控制及状态总线构成，还有周边芯片、总线界面及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程式及资料，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数位或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的暂存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模组的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模组总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线界面，用于接I/O范本或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模组上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
PLC的CPU内部包含CU、ALU、暂存器三大部分：
CU：(控制单元-指令) 负责将储存在内存内的程式解码成控制信号，用以决定各单元模组的工作状态，是PLC的指挥部。
ALU：(算数及逻辑运算单元)专门负责做加减乘除的算术运算及AND、OR、NOT逻辑运算
暂存器：CPU内部内存可以暂时存放运算的结果，等待下一次运算。
 
 
内存
PLC内部存放撰写完成编辑的程式指令及资料的地方，通常也可使用RAM或EEPROM等内存卡片方式扩充(但扩充能力得依各厂牌与型号有所不同)。

应用体会
(1)选型:在 PLC选型是时主要是根据所需功能和容量进行选择,并考虑维护的方便性, 备件的通用性, 是否易于扩展, 有无特殊功能要求等。PLC输入/输出点确定: I/O点数选择时要留出适当余量;PLC存储容量: 系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些;存储维持时间: 一般存储约保持 1~3 年(与使用次数有关)。若要长期或掉电保持应选用 EEPROM存储(不需备用电源) , 也可选外用存储卡盒;PLC的扩展: 可通过增加扩展模块、 扩展单元与主单元连接的方式。 扩展模块有输入单元、 输出单元、 输入/输出一体单元。 扩展部分出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持;PLC 的联网: PLC 的联网方式分为 PLC 与计算机联网和 PLC之间相互联网两种。与计算机联网可通过 RS232C 接口直接连接、RS422+RS232C/422 转换适配器连接、 调制解调通讯连接等方式; 一台计算机与多台 PLC联网, 可通过采用通讯处理器、 网络适配器等方式进行连接, 连接介质为双绞线或光缆; PLC之间互联时可通过通讯电缆直接连接、 通讯板卡或模块+数据线连接等方式。

(2)充分合理利用软、 硬件资源:不参与控制循环或在循环前已经投入的指令可不接入 PLC;多重指令控制一个任务时, 可先在 PLC外部将它们并联后再接入一个输入点;尽量利用 PLC内部功能软元件, 充分调用中间状态, 使程序具有完整连贯性, 易于开发。同时也减少硬件投入, 降低了成本;条件允许的情况下立每一路输出, 便于控制和检查, 也保护其它输出回路; 当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控;输出若为正/反向控制的负载, 不仅要从 PLC内部程序上联锁,并且要在 PLC外部采取措施, 防止负载在两方向动作;PLC紧急停止应使用外部开关切断, 以确保。

(3)使用注意事项不要将交流电源线接到输入端子上, 以免烧坏 PLC;接地端子应立接地, 不与其它设备接地端串联, 接地线裁面不小于 2mm2;辅助电源功率较小, 只能带动小功率的设备(光电传感器等) ;一般 PLC均有一定数量的占有点数 (即空地址接线端子) , 不要将线接上;输出有继电器型, 晶体管型(高速输出时宜选用) , 输出可直接带轻负载( LED指示灯等) ;PLC输出电路中没有保护, 因此应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置, 防止负载短路造成损坏 PLC;输入、 输出信号线尽量分开走线, 不要与动力线在同一管路内或捆扎在一起, 以免出现干扰信号, 产生误动作; 信号传输线采用屏蔽线, 并且将屏蔽线接地; 为保证信号, 输入、 输出线一般控制在 20米以内; 扩展电缆易受噪声电干扰, 应远离动力线、 高压设备等。输入/断开的时间要大于 PLC扫描时间;PLC存在 I/O响应延迟问题, 尤其在快速响应设备中应加以注意。

(4)工作环境PLC虽然适合工业现场, 使用中也应注意尽量避免直接震动和冲击、 阳光直射、 油雾、 雨淋等; 不要在有腐蚀性气体、 灰尘过多、 发热体附近应用; 避免导电性杂物进入控制器。

PLC输入、输出故障的排除

一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。不论在模拟调试还是实际应用中，若系统某回路不能按照要求动作，应检查PLC输入开关电接触点是否（一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端），若输入信号未能传到PLC，则应去检查输入对应的外部回路；若输入信号已经采集到，则再看PLC是否有相应输出指示，若没有，则是内部程序问题或输出LED指示灯问题；若输出信号已确信发出，则应去检查外部输出回路（从PLC输出往后检查）。

在输出回路中，由于短路或其它原因造成PLC输出点在内部粘滞，只需将其接线换至另一予留的空接线点上，同时修改相应程序，将原输出标号改为新号即可。

PLC虽然适合工业现场，使用中也应注意尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。

随着自动化程度的提高，小型plc的应用领域比以前为广泛，越来越多的行业开始使用小型PLC。小型PLC产品加多元化，不仅有度很高的，国内一些自动化企业也看到小型PLC广大的市场，纷纷推出自主的小型PLC产品，这为不同细分市场的中国用户提供了多的选择。
    我个人还是建议大家使用的产品，因为，从技术角度来讲，保证PLC在复杂的工业环境下的高性仍然是很多新加入小型PLC领域的厂家面临的技术难题。从角度来讲，持续的大规模的研发投入是不断，满足市场的日益增长的需求的保证，而这种投入对许多厂家来说也是很大的考验。从市场开发角度来看，大厂商拥有明显的强势和领域，拥有优势的技术，成熟的解决方案，和适合行业和市场开发的销售网络。西门子小型PLC经过十多年的市场考验，与服务已经得到了市场的广泛认可，这不仅靠市场宣传，靠的产品品质和完整的解决方案。

    近几年自动化产品用户除了稳定性、性价比等因素之外，越来越重视项目的维护成本，现在中国用户都已将维护成本列入整个自动化系统的成本中。西门子小型PLC为用户提供灵活多样的远程服务解决方案，可以基于固定电话，网络，GPRS无线通讯等，为客户后期维护节约可观的成本。为了进一步为广大用户降，2005年，西门子成功完成了S7-200PLC的本地化生产，同时还本地化生产了S7-200PLC触摸屏KTP-178和四行中文文本显示器TD400，进一步提高了西门子小型PLC整体解决方案的性价比，开放性已达到同类中型机水平，支持PPI、RS-485、Profibus－DP、以太网等多种通讯协议，保证了的无缝连接。

    我认为小型PLC的市场份额会持续保持快速的发展。随着中国加入WTO，出口额逐年提高，中国正逐步成为机械设备的制造基地，使得国内OEM厂商迅猛发展。一些OEM厂商为了避免激烈竞争，追求高的利润，将用小型PLC替代继电器或单片机控制方案。而且，小型PLC不再仅仅进行单机单站的控制，工厂信息化的潮流将会使多的生产设备联网，进行集中监控。西门子小型PLC开放的平台为工厂生产设备联网和工厂信息化提供了可能性，使客户增加额外的硬件投资即可实现联网。