基于PLC的风电水冷测试控制系统设计

李唐 洪晴

（南京工业职业技术大学工程技术实训中心 江苏省南京市 210023）

1 引言

随着风电机组单机容量的不断增大，变流器IGBT工作时的散热量也相应增大。风电变流器作为风力发电的核心部件，其可靠性直接影响着风电电能的质量和风力发电系统的稳定性。为有效带走风力发电机组运行过程中产生的热量，确保机组正常有效运行，需配置与风力发电机容量相匹配的冷却系统。由于水的比热系数较空气大，因此水冷系统是变流器主要冷却方式之一。

水冷系统产品出厂需要进行测试，本文正是设计了2MW风机发电机冷却系统的测试系统。用户传统仪表分散，数据不集中，同时没有数据保存功能，不方面后期的数据分析。本文采用三菱PLC作为控制器，人机交互选用维纶触摸屏实现，该系统结构简单，集成度高，可靠性高。

2 系统组成

发电机冷却系统，由换热器—风机单元（2台风机）和水泵单元两个模块构成。两个模块之间通过管路连接，形成回路。水泵单元启动后，冷媒水从发电机内部吸取热量，然后通过换热器—风机单元与外界环境空气交换热量，热量被环境空气带走，冷媒水降温冷却后再进入发电机内部重复以上循环。

本设计主要是针对冷却系统性能进行测试，故需要涉及的监测元件主要包括2个温度传感器，2个压力传感器，2个流量传感器。执行机构主要包括1个泵，2个风机，1个加热器。加热器用于模拟热源。系统结构如图1所示。

图1：系统结构图

3 器件选型

3.1 PLC选型

采用三菱FX3U系列PLC作为控制器。FX3U系列三菱PLC采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。支持程序的远程调试。本设计具体采用型号为FX3U-32MR/ES-A，内置16个开关量输入、16个继电器输出，电源为交流220V。该型号PLC的输入输出点数满足本设计需求。

系统中的传感器为易福门系列传感器，输出模拟量均为4-20mA电流信号，故需要选择AD模块，该AD模块的功能是实现4-20mA的电流信号转换为数字量供PLC进行计算处理和传给触摸屏显示。本设计采用的是FX2N-4AD模块，该模块可以作为三菱FX3U扩展模块使用。一次可同时使用4个输入点，输出为数字量，12位的转换结果以16位二进制补码方式存储，最大值+2047，最小值-2048。分辨率为20uA，总体精度为±1%。每通道转换速度15ms，最快为6ms。本设计工需要用到6个模拟量采集，故采用2个4AD模块，共可以采集8路，多出的2路作为备用。不同模拟量输入与数字量关系曲线如图2所示。

图2：不同模拟量输入与数字量关系曲线

3.2 触摸屏选型

人机交互选用威纶通10寸触摸屏TK6102i实现。TK6102i是威纶通公司威纶触摸屏推出的一款全新10寸触摸屏。触摸屏参数设置如图3所示，采用16：9宽屏，65536色TFT LCD制作，分辨率800*480。具有400MHz CPU，128MB内存；2个COM端口，1个USB2.0接口；Com1可只作为RS-232或RS-485接口，Com3为RS-485接口，支持MPI 187.5K，但同时只能选择一个使用。触摸屏编程软件为EB8000，在软件中添加触摸屏和三菱FX3U系列PLC，并设置串口类型为RS232，该串口波特率设置为115200kbps。至此触摸屏添加硬件设置已完成，下面需要软件设计。

图3：触摸屏参数设置

4 系统软件设计

4.1 软件功能

软件开发工具为EB8000，威纶触摸屏EB8000编程软件适用于同型号的威纶触摸屏，威纶触摸屏是新一代的人机界面软件，安装编程软件后就可以进行各种编操作了，拥有支持U 盘、USB 鼠标、USB 键盘、USB 打印机等存储设备、支持历史数据、故障报警和宏指令等功能。

本设计软件部分实现执行机构的控制，模拟量的采集以及通讯设计三部分。执行机构单元主要完成泵的高低速切换也就是泵星型和三角型切换，以及风机的启停控制。通过将相应的输出线包得电即可。下面主要介绍模拟量的采集程序实现。

4.2 模拟量采集程序

4.2.1 TO和FROM指令

读取4AD模块的数据需要用到TO和FROM指令。FROM是读取指令，从PLC扩展的功能模块的缓冲存储器读取数据并送到PLC。TO是写入指令，往PLC扩展的功能模块的缓冲存储器写入数据，缓冲存储器简称BFM，本设计的扩展模块是FX2N-4AD模块。

① FROM读出指令编程：

格式：FROM K2 K29 D10 K2

其中：K2:扩展模块的地址编号，数值范围为：0-7；

K29：扩展模块的BFM起始地址编号，数值范围为：0-32767；

D10：目标寄存器起始地址编号，可以用数值和位元件组合如表示；

K2：传送的点数，只能用数值。范围：1-32767。

上述指令的含义是：从扩展模块编号为2的缓冲寄存器（BFM）的#29，#30中读出16位数据传送至PLC的D10，D11寄存器里。

② TO写入指令编程：

格式：TO K2 K12 D10 K2

其中：K2：扩展模块的地址编号，数值范围为：0-7；

K12：扩展模块的BFM起始地址编号，数值范围为：0-32767；

D10：源寄存器起始地址编号，可以用数值和位元件组合如表示；

K2：传送的点数，数值范围：1-32767。

上述指令的含义是：将PLC的16位寄存器D10，D11的数值分别写入扩展模块编号为2的缓冲寄存器（BFM）的#12，#13中。

4.2.2 具体程序设计

如图4所示，本设计第一个4AD模块用的是0号地址的缓冲存储器(BFM)，首先从用FROM指令读取BFM中K30的标识码，如果该识别码是K2010，则表示PLC所连的扩展模块是FX2N-4AD，如果不是K2010则表示扩展模块不是FX2N-4AD；初始化4个通道模拟量输入范围均为4—20mA；设置采样数为缺省值，8次，并将4个通道采样数的平均输入值放入BFM缓冲器#5—#8地址中；通过FROM指令读取扩展模块缓冲存储器的#29，该区表示当前的状态是否有错误，如果没有错误，则读取#9—#12缓冲区的当前值并保存到PLC寄存器D0—D3中，即为通道1—通道4的采样值。最后当D0—D3中数据最大值设置为1000。

图4：读取4AD模块数据程序

本设计共两个4AD模块，第二个4AD模块用的是1号地址的缓冲存储器(BFM)，程序框架一致。

读取到模拟量之后需要计算转换成温度，流量或者压力。这里以温度为例。D0为读取到的入口温度，我们把他放入D10中，然后通过如图5所示计算得到温度值放入D100中。

图5：计算温度程序

最后，触摸屏通过串口读取D100等中的数据，即可得到温度、流量、压力等参数。

5 界面设计

利用EB8000软件设计了人机界面如图6所示。包括6个数字显示元件，分别显示系统温度、压力和流量。同时通过低速、高速、风机1、风机2和加热器按键可以分别控制系统的执行元件，执行元件的工作状态通过指示灯显示。

图6：界面设计

实验阶段，数据显示正常，各执行元件可以单独控制。同时，通过泵的高低速控制，以及2个风机的开关控制，出口水温有明显变化。

6 总结

为了解决风电水冷系统产品的测试问题，本文设计了基于PLC的水冷控制系统，该系统能够对冷却系统进行测试。该控制显示精度为0.1°，实现了系统参数的几种显示，操作简单，可靠性高。该测试系统控制能够满足产品的测试需求。