基于MCGS的風力發電控制系統設計

朱文杰 董 旭

(常州信息職業技術學院電子工程學院 江蘇常州 213164)

在風力發電的過程中,自動化控制系統的應用不可或缺,為了更好地進行風力發電實驗研究,本文搭建了實驗教學所用的風力發電實驗平臺,設計了帶有風場模擬、側風偏航、風場運動及人機界面監控的控制系統,讓風力發電的實驗易于操作和直觀演示。在此基礎上,本文研究了利用MCGS軟件對風力發電系統進行監控的步驟和方法,并對監控的結果進行總結分析。

1 設計方案

風力發電平臺主要由控制系統、模擬風場機構、風力發電裝置組成。實驗平臺控制系統以MCGS觸摸屏為主控制器,西門子S7-200 SMART PLC與西門子V20變頻器為從控制器,進行數據通信及監控。平臺通過MCGS觸摸屏實現同時對PLC與變頻器的控制,PLC及繼電器線路已在外部連接,系統原理框圖如圖1所示。

圖1 風力發電系統平臺原理框圖

2 風力發電平臺組態監控設計

風力發電平臺組態監控設計主要包括硬件設計、軟件設計、MCGS組態設計以及系統調試四部分。硬件部分介紹了整個系統的通信網絡和設計電路,軟件包含了PLC程序內容,MCGS組態設計內容包含對PLC與變頻器的控制及實時監控。

2.1 硬件設計

2.1.1 通信網絡連接

整個通信網絡共有兩種通信方式:①MCGS觸摸屏與西門子V20變頻器采用西門子USS協議[1];②MCGS觸摸屏與PLC 采用PPI協議通信。

MCGS觸摸屏與V20變頻器USS通信,越過PLC直接控制變頻器,并讀取參數。本文采用RS485連接方式,對應觸摸屏串口的引腳,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 控制電路設計

風場運動控制電路設計如圖3所示,從圖3中可以看出,KA15、KA17控制風場運動電動機的正反轉的啟動,同時控制電動機運動的指示燈。KA15、KA17是電動機的正反轉的兩種運行狀態,不可以同時運行,因此需要設計互鎖。

尾翼電機控制電路設計如圖4所示,設計電路包括電機的正反轉及運行狀態下的互鎖與自鎖、狀態指示燈的開關。

2.2 軟件設計

使用MCGS控制PLC的風場運動機構的電動機運動和發電機裝置的尾翼電機運動。

PLC控制分為兩個模塊:一個是風場運動電動機程序流程圖,如圖5所示;另一個是尾翼電機運動程序流程圖,如圖6所示。

圖5 風場運動程序流程圖及程序

圖6 尾翼電機運動程序流程圖及程序

2.3 MCGS組態設計

2.3.1 變頻器參數設置

變頻器設置為USS通信,主要參數為USS地址、波特率、奇偶校驗、USS協議、停止位,其參數設置如表1所示。

表1 變頻器參數定義

2.3.2 觸摸屏設備組態

首先在設備窗口內添加:通用串口父設備、西門子USS協議驅動、西門子_S7200PPI。

通過西門子USS協議與變頻器通信[2],設備地址及通道參數添加如圖7。通過西門子S7200PPI與PLC通信,設備地址及通道參數添加如圖8。

圖7 西門子USS協議驅動編輯頁面

圖8 西門子_S7200PPI編輯頁面

2.3.3 用戶窗口組態(包含3個窗口)

用戶窗口包含三個頁面:主頁面、PLC控制頁面、變頻器控制頁面。

主頁面為觸摸屏啟動窗口,用來登錄控制頁面,并操作設備。

PLC控制頁面可以實現系統S7-200 SMART PLC的控制并對設備運行狀態進行實時監控,同時添加窗口切換按鈕,實現兩個控制頁面的切換[3],如圖9所示。

圖9 PLC控制頁面

變頻器控制頁面可以控制軸流風機的正反轉、停止以及頻率的設定。在此基礎上,頁面還增加了頻率的加速時間與減速時間,并實時通過動畫模擬風機的運行狀態,如圖10所示。

圖10 變頻器控制頁面

2.4 系統調試

系統調試分為兩個部分:觸摸屏控制風力設備運行、觸摸屏控制風場風力輸出。

按下風場順時按鈕,相關聯的指示燈點亮并且風場運動電機順時運動3 s后停止,此時反方向的按鈕功能無效(順時、逆時運動互鎖)。側風偏航電機運動同理(尾翼偏航、尾翼恢復運動互鎖)。操作界面如圖11所示。

圖11 PLC順時運動窗口

MCGS通過實時改變變頻器設定頻率,控制軸流風機轉速和轉向,實現對模擬風速的控制,便于后續風力發電數據的采集及實驗。只需在觸摸屏上設置所需頻率和加減速時間,在正轉或反轉的情況下,實際頻率會以每秒5 Hz的速度上升到預設頻率。正轉時頻率為正值,如圖12所示;反轉時頻率為負值,如圖13所示。

圖12 風機正轉操作窗口

圖13 風機反轉操作窗口

3 結論

本文在風力發電實訓平臺搭建的基礎上,利用MCGS觸摸屏對西門子V20變頻器、西門子S7-200 SMART PLC進行控制,實現了對模擬風場方向、風速及風機尾翼的實時監控,便于研究人員采集不同工況下的風力發電數據,為小型風力發電系統的研究提供參考。