基于MCGS的风力发电控制系统设计

朱文杰 董 旭

(常州信息职业技术学院电子工程学院 江苏常州 213164)

在风力发电的过程中,自动化控制系统的应用不可或缺,为了更好地进行风力发电实验研究,本文搭建了实验教学所用的风力发电实验平台,设计了带有风场模拟、侧风偏航、风场运动及人机界面监控的控制系统,让风力发电的实验易于操作和直观演示。在此基础上,本文研究了利用MCGS软件对风力发电系统进行监控的步骤和方法,并对监控的结果进行总结分析。

1 设计方案

风力发电平台主要由控制系统、模拟风场机构、风力发电装置组成。实验平台控制系统以MCGS触摸屏为主控制器,西门子S7-200 SMART PLC与西门子V20变频器为从控制器,进行数据通信及监控。平台通过MCGS触摸屏实现同时对PLC与变频器的控制,PLC及继电器线路已在外部连接,系统原理框图如图1所示。

图1 风力发电系统平台原理框图

2 风力发电平台组态监控设计

风力发电平台组态监控设计主要包括硬件设计、软件设计、MCGS组态设计以及系统调试四部分。硬件部分介绍了整个系统的通信网络和设计电路,软件包含了PLC程序内容,MCGS组态设计内容包含对PLC与变频器的控制及实时监控。

2.1 硬件设计

2.1.1 通信网络连接

整个通信网络共有两种通信方式:①MCGS触摸屏与西门子V20变频器采用西门子USS协议[1];②MCGS触摸屏与PLC 采用PPI协议通信。

MCGS触摸屏与V20变频器USS通信,越过PLC直接控制变频器,并读取参数。本文采用RS485连接方式,对应触摸屏串口的引脚,MCGS触摸屏与PLC使用PPI通信,MCGS作为主控制器,PLC作为从控制器。触摸屏使用RS485母头7、8引脚,PLC使用RS485公头3、8引脚,连接方式如图2。

图2 触摸屏与PLC、V20变频器通信连接

2.1.2 控制电路设计

风场运动控制电路设计如图3所示,从图3中可以看出,KA15、KA17控制风场运动电动机的正反转的启动,同时控制电动机运动的指示灯。KA15、KA17是电动机的正反转的两种运行状态,不可以同时运行,因此需要设计互锁。

尾翼电机控制电路设计如图4所示,设计电路包括电机的正反转及运行状态下的互锁与自锁、状态指示灯的开关。

2.2 软件设计

使用MCGS控制PLC的风场运动机构的电动机运动和发电机装置的尾翼电机运动。

PLC控制分为两个模块:一个是风场运动电动机程序流程图,如图5所示;另一个是尾翼电机运动程序流程图,如图6所示。

图5 风场运动程序流程图及程序

图6 尾翼电机运动程序流程图及程序

2.3 MCGS组态设计

2.3.1 变频器参数设置

变频器设置为USS通信,主要参数为USS地址、波特率、奇偶校验、USS协议、停止位,其参数设置如表1所示。

表1 变频器参数定义

2.3.2 触摸屏设备组态

首先在设备窗口内添加:通用串口父设备、西门子USS协议驱动、西门子_S7200PPI。

通过西门子USS协议与变频器通信[2],设备地址及通道参数添加如图7。通过西门子S7200PPI与PLC通信,设备地址及通道参数添加如图8。

图7 西门子USS协议驱动编辑页面

图8 西门子_S7200PPI编辑页面

2.3.3 用户窗口组态(包含3个窗口)

用户窗口包含三个页面:主页面、PLC控制页面、变频器控制页面。

主页面为触摸屏启动窗口,用来登录控制页面,并操作设备。

PLC控制页面可以实现系统S7-200 SMART PLC的控制并对设备运行状态进行实时监控,同时添加窗口切换按钮,实现两个控制页面的切换[3],如图9所示。

图9 PLC控制页面

变频器控制页面可以控制轴流风机的正反转、停止以及频率的设定。在此基础上,页面还增加了频率的加速时间与减速时间,并实时通过动画模拟风机的运行状态,如图10所示。

图10 变频器控制页面

2.4 系统调试

系统调试分为两个部分:触摸屏控制风力设备运行、触摸屏控制风场风力输出。

按下风场顺时按钮,相关联的指示灯点亮并且风场运动电机顺时运动3 s后停止,此时反方向的按钮功能无效(顺时、逆时运动互锁)。侧风偏航电机运动同理(尾翼偏航、尾翼恢复运动互锁)。操作界面如图11所示。

图11 PLC顺时运动窗口

MCGS通过实时改变变频器设定频率,控制轴流风机转速和转向,实现对模拟风速的控制,便于后续风力发电数据的采集及实验。只需在触摸屏上设置所需频率和加减速时间,在正转或反转的情况下,实际频率会以每秒5 Hz的速度上升到预设频率。正转时频率为正值,如图12所示;反转时频率为负值,如图13所示。

图12 风机正转操作窗口

图13 风机反转操作窗口

3 结论

本文在风力发电实训平台搭建的基础上,利用MCGS触摸屏对西门子V20变频器、西门子S7-200 SMART PLC进行控制,实现了对模拟风场方向、风速及风机尾翼的实时监控,便于研究人员采集不同工况下的风力发电数据,为小型风力发电系统的研究提供参考。