2014年西門子杯全國大學生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽工程應用型賽項高校組工程設計文件

PAGE2014年西門子杯全國大學生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽工程設計文件工程應用型賽項高校組參賽隊伍名稱：XXXXXXXX參賽學校名稱：XXXXXXXX年月日

一、方案設計依據(jù)、范圍及相關標準設計依據(jù)（1）全國大學生西門子杯工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽工程應用型賽項高校組初賽賽題及初賽細則（2）風力發(fā)電（WindTurbine）仿真設備用戶手冊（3）SIMATICPCS7使用手冊及產(chǎn)品目錄設計范圍本設計包括：風力發(fā)電系統(tǒng)的偏航控制、槳距控制、轉速控制、風機全自動啟動及運行狀態(tài)監(jiān)測等相關的控制。設計遵循的標準及規(guī)范（1）HG/T20505-2000《過程測量和控制儀表的功能標志及圖形符號》（2）GB/T19069-2003《風力發(fā)電機組控制器技術條件》（3）GB/T21109-2007《過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》（4）HG/T20636-1998《自控專業(yè)設計管理規(guī)定》（5）HG/T20637-1998《自控專業(yè)工程設計文件的編制規(guī)定》（6）HG/T20638-1998《自控專業(yè)工程設計文件深度的規(guī)定》（7）HG/T20639-1998《自控專業(yè)工程設計用典型圖表及標準目錄》（8）HG20505-2000《過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號和圖形符號》（9）HG20506-1992《自控專業(yè)施工圖設計內(nèi)容深度規(guī)定》（10）HG/T20519-1992《化工工藝設計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定》（11）HG20559-1993《管道儀表流程圖設計規(guī)定》

二、系統(tǒng)分析（包括甲方需求分析、對象特性分析、系統(tǒng)安全分析等）一、甲方需求控制要求1.偏航控制風的方向始終處于變化之中，要求設計偏航控制算法，保證風機始終正對風向，最大限度的從風中獲取能量。當風向角與風機偏航角之差超過5°，即需要進行偏航控制。當風機偏航超過3圈（±1080°）時，需設計解纜控制程序，防止內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞。2.槳距控制當風速超過額定風速，風機輸出功率過高可能致使硬件設備受損。設計功率控制算法，通過槳距控制限制風機吸收的功率，保證機組的安全、穩(wěn)定運行。3.轉速控制當風速低于額定風速時，通過控制發(fā)電機轉速實行最大風能追蹤，以獲得最大的能量。設計轉速控制算法，通過轉速控制維持最大風能利用系數(shù)。4.風機全自動啟動按照開機步驟實施風機全自動開車，保證開車穩(wěn)步進行。在開車過程中，葉片上的升力和阻力與槳距角之間呈現(xiàn)非線性關系，要保證隨著槳距角的減小，風機的升力始終大于阻力，確保風機轉速達到額定轉速附近。5.運行狀態(tài)監(jiān)測在風機整個運行過程中，監(jiān)測電力參數(shù)、風力參數(shù)、機組狀態(tài)參數(shù)以及各種反饋信號等，確保風機穩(wěn)定運行，在出現(xiàn)風速低于啟動風速、剎車故障、并網(wǎng)故障等異常運行狀態(tài)時執(zhí)行停機操作。二、對象特性分析風電場作為一個整體電源，其功率輸出受很多因素的影響:(一)外部因素:風電場所在地風速的變化影響風電場總功率的輸出，依賴于風速的變化，風電場的功率輸出呈現(xiàn)出波動性和難以預測性;供電公司要求風電場不能隨意輸出功率，應對輸出功率進行控制。(二)內(nèi)部故障:風電場由若干臺風力發(fā)電機和變壓器及線路組成，不能保證所有設備任意時刻都能安全工作。風力發(fā)電機控制技術主要分為三類:定槳距調(diào)節(jié)技術、變槳距調(diào)節(jié)技術和變速恒頻技術等。定槳距調(diào)節(jié)技術中當風速超過額定風速時，氣流攻角增大到失速條件，使葉片的表面產(chǎn)生渦流，降低轉換效率，限制吸收功率，維持發(fā)電機輸出功率恒定。定槳距風機的槳距角一般設定0度。定槳距風力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)由風輪葉片完成，控制簡單，但葉片本身結構復雜，成工藝難度較大，風機不易大型化。變槳距調(diào)節(jié)在額定風速以上時，變槳距機構發(fā)揮作用，調(diào)整葉片槳距角，保證發(fā)電機的輸出功率在許范圍內(nèi)。風力機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的轉速、功率和槳距角三模態(tài)控制。速度控制和直接槳距控制系統(tǒng)，用于風力發(fā)電機的啟動、停止和緊急事故處理。變速恒頻調(diào)節(jié)技術通過適當?shù)目刂?，使風力機的葉尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風能。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)以風速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉速和功率的控制:低于額定風速時，系統(tǒng)能跟蹤最佳功率曲線，使風力發(fā)電系統(tǒng)具有最高的風能轉換效率;高于額定風速時，增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。二、系統(tǒng)安全性分析由于風電場輸出功率的隨機性與波動性，電力系統(tǒng)調(diào)度和電能質(zhì)量都面臨新的問題。當風電“穿透功率”高到一定程度時，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行更面臨挑戰(zhàn)。因此，對風電場功率輸出進行綜合控制以適應風電的迅速增加，是當前電力系統(tǒng)運行中迫切需要解決的問題，也是促進風電更好發(fā)展的需要?；陔p饋機組風電場的功率控制是電力系統(tǒng)諸多有關風電的問題中巫待解決的問題之一，在理論探索和指導工程實踐方面都有十分重要的意義。

三、控制系統(tǒng)設計（包括控制邏輯、控制回路、控制算法等的選擇，開機、停機等控制邏輯以流程圖表達）一、控制邏輯流程圖二、控制回路三、控制算法的選擇雙饋機組風電場控制系統(tǒng)采用PI控制和HCC算法。1、PI控制算法：發(fā)電機并網(wǎng)時的變槳系統(tǒng)功率控制功率控制系統(tǒng)如下圖所示，它由兩個控制環(huán)組成外環(huán)是功率控制環(huán)，根據(jù)發(fā)電機實際功率值調(diào)整發(fā)電機的電流設定值。內(nèi)環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉子電流控制器對發(fā)電機轉差率進行控制，使發(fā)電機功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉差率，進而改變槳葉槳距角，使風輪獲得大功率。如果功率參考值是恒定的，電流參考值也是恒定的。變滑差發(fā)電機主要控制與輸出功率成正比的轉子電流?？刂破飨蜣D子電流控制器發(fā)送要求電流基準值，然后實際轉子電流會與基準值比較進而做相應調(diào)整，使用IGBT作為直流開關，用轉子電流控制單元的外部轉子電阻的PWM可獲得轉子電流。切換頻率接近3kHz，這使得平均外部電阻在0到100%之間幾乎連續(xù)可調(diào)，發(fā)電機的轉差率相應地能夠從0.6%（轉子自身電阻）到10%（轉子電阻為自身電阻與外接電阻之和）之間連續(xù)變化。當功率變化即轉子電流變化時，PI調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉子電阻，使轉子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。與此同時，發(fā)電機轉差率卻在作相應的調(diào)整以平衡輸入功率的變化。2、HCC算法：HCC算法是一種人工智能算法，可用于尋找未知函數(shù)的極大值點。該算法最基本的思想是連續(xù)地對控制對象應用一系列規(guī)則、約束，同時檢驗自身的輸出，確保輸出逐步接近極大值。如果利用HCC算法尋找風力發(fā)電機組的輸出功率極大值，根據(jù)偏航誤差角與電機功率關系來控制偏航電機動作，可精確地實現(xiàn)偏航控制。功率檢測HCC算法涉及的變量有：最新周期檢測的功率值Pnew；次新周期檢測的功率值Pold；功率差值?P=Pnew?Pold；允許的最大功率誤差Pe1、Pe2；功率給定值Pmax；初始偏航誤差角θe；P1、P2、P3、P4為不同偏航誤差角時的電機功率；2次功率測量之間風力機偏航的角度為α。設風速恒定，當風向發(fā)生改變時，風力機獲取的功率變小。圖2是HCC算法控制過程示意。微控制器獲得當前功率值Pnew=P1，并判斷|Pnew?Pmax|與Pe1的大小。僅當|Pnew?Pmax|>Pe1時，開啟偏航電機。偏航電機順時鐘方向轉動(首次轉動時固定一個方向，本文將其方向固定為順時鐘)。將Pnew賦給Pold，即Pold=Pnew。微控制器再次獲得當前功率值Pnew=P2，這時風力機已經(jīng)轉過角度α。如果?P>0且│?P│>Pe2，則說明偏航電機轉動方向(順時針)正確但未到達可接受的偏航效果。偏航電機需繼續(xù)順時鐘方向轉動。連續(xù)獲取功率值，判斷功率差值大小，并對偏航電機狀態(tài)進行控制。當Pnew=P4且Pold=P3時，風機已經(jīng)偏轉角度4α，此時│?P│<Pe2，這表明這次控制已經(jīng)達到預期的偏航效果，可以關閉偏航電機。此次偏航結后，令Pmax=Pnew，便于下次偏航控制。當首次風力機偏航方向與風向變化相違背時，?P<0，MCU便知道偏航電機轉動方向錯誤，需改變轉動方向。在實際應用中，風速不是恒定的。對于偏航制系統(tǒng)，風速變化是一種干擾因素[6]。風力機從風中吸收的功率與風速的關系為3p12P=ρvSC(2)式中：ρ為空氣密度；v為風速；S為風輪面積；Cp為風能利用系數(shù)。功率檢測HCC算法可果斷識別風速變化。當風速改變時，電機功率變化較大。當|Pnew?Pmax|>Pe1時，偏航過程啟動。偏航電機順時針轉動，風力機偏航角度α后，?P<0。初認為偏航電機轉動方向錯誤，MCU控制偏航電機逆時鐘轉動，當風力機偏航?α后，?P<0，此時可判定為風速變化。將風力機對風方向還原為初始方向，將當前功率值賦給Pmax?？偟膩碚f風速變化時無論偏航到哪個方向，電機功率都變小。

四、控制系統(tǒng)選型與系統(tǒng)連接系統(tǒng)選型控制器采用西門子引領小型自動化系統(tǒng)的最新產(chǎn)品S7-1200；S7-1200控制器使用靈活、功能強大，可用于控制各種各樣的設備以滿足您的自動化需求。S7-1200設計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集，這些特點的組合使它成為控制各種應用的完美解決方案。CPU將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內(nèi)置PROFINET、高速運動控制I/O以及板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中來形成功能強大的控制器。在您下載用戶程序后，CPU將包含監(jiān)控應用中的設備所需的邏輯。CPU根據(jù)用戶程序邏輯監(jiān)視輸入并更改輸出，用戶程序可以包含布爾邏輯、計數(shù)、定時、復雜數(shù)學運算以及與其它智能設備的通信。各種新模塊擴展了S7-1200CPU的功能，因而能夠靈活地滿足您的自動化需要：●新的和改進的CPU：–新的CPU1215CDC/DC/DC、CPU1215CDC/DC/繼電器和CPU1215CAC/DC/繼電器提供了100KB的工作存儲器、雙以太網(wǎng)和模擬量輸出。–新的和改進的CPU1211C、CPU1212C和CPU1214C具有更短的處理時間、可使用4個PTO（CPU1211C需要信號板）、更大的保持性存儲器(10KB)以及更長的日時鐘保持時間（20天）?！裥翴/O信號模塊：SM1231AI4x16位提供了更高的采樣率而且增加了位數(shù)?！裥碌碾姵匕?BB1297)可提供長期的實時時鐘備份。BB1297可插入S7-1200CPU（固件版本3.0及更高版本）的信號板插槽中。SIMATIC

S7-1200

支持多達16

個PID

控制回路。這些控制回路可以通過一個PID

控制器工藝對象和

SIMATIC

STEP

7

Basic

中的編輯器輕松進行組態(tài)。除此之外，SIMATIC

S7-1200

還支持PID

自動調(diào)節(jié)功能，可以自動計算增益、積分時間和微分時間的最佳調(diào)節(jié)值。操作站安裝西門子新一代的編程軟件博途（TIAPortal）STEP7V11SP2和WinCCAdvancedSP2。操作站與S7-1200控制器之間采用以太網(wǎng)通訊方式，控制器與仿真服務器之間采用ProfiBusDP通訊。2.PM125通訊機制若想被控對象與控制器通信成功，需要對被控對象的PM125模塊進行系統(tǒng)設置，具體是設置數(shù)據(jù)發(fā)送機制以及定義發(fā)送字節(jié)數(shù)量。PM125模塊利用輸出地址首字節(jié)QB0取值的變化觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送機制；發(fā)送字節(jié)的數(shù)量在第二個字節(jié)QB1中定義。（1）利用QB0觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送機制QB0的數(shù)據(jù)每變化一次，會發(fā)送一批數(shù)據(jù)到PM125模塊。因此，可以使QB0的最低位Q0.0按照0→1→0→1→…變化，觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送機制。具體實現(xiàn)方法有很多種，例如：輸入地址的首字節(jié)IB0用于存放接收計數(shù)，PM125每接收一次數(shù)據(jù)，IB0計數(shù)會累積加1，因此其最低位I0.0的值是按照0→1→0→1→…變化的?？梢跃帉懻Z句，令Q0.0=I0.0。（2）在QB1中定義發(fā)送字節(jié)的數(shù)量SMPT-1000發(fā)送的字節(jié)數(shù)量為30（14個AO占用28個字節(jié)，9個DO占用2個字節(jié)，共計30個字節(jié)）；E-WT發(fā)送的字節(jié)數(shù)量為16（7個AO占用14個字節(jié)，16個DO占用2個字節(jié)，共計16個字節(jié)）。具體實現(xiàn)方法也有很多種，只要編寫語句，令QB1=30（對于SMPT-1000）或QB1=16（對于E-WT）即可。6ES72211BF300XB0

SM1221數(shù)字量輸入模板，8點數(shù)字量輸入，直流24V，漏/源輸入

6ES72211BH300XB0

SM1221數(shù)字量輸入模板，16點數(shù)字量輸入，直流24V，漏/源輸入

6ES72221BF300XB0

SM1222數(shù)字量輸出模板，8點數(shù)字量輸出，直流24V，晶體管

6ES72221BH300XB0

SM1222數(shù)字量輸出模板，16點數(shù)字量輸出，直流24V，晶體管0.5A

6ES72221HF300XB0

SM1222數(shù)字量輸出模板，8點數(shù)字量輸出，繼電器2A

6ES72221HH300XB0

SM1222數(shù)字量輸出模板，16點數(shù)字量輸出，繼電器2A

6ES72231BL300XB0

SM1223數(shù)字量I/O模板，16點數(shù)字量輸入/輸出，16點數(shù)字量輸入DC24V，漏/源，16點數(shù)字量輸出，晶體管0.5A

6ES72231PH300XB0

SM1223數(shù)字量I/O模板，8點數(shù)字量輸入/輸出，8點數(shù)字量輸入DC24V，漏/源，8點數(shù)字量輸出，繼電器2A

6ES72231PL300XB0

SM1223數(shù)字量I/O模板，16點數(shù)字量輸入/輸出，16點數(shù)字量輸入DC24V，漏/源，16點數(shù)字量輸出，繼電器2A

AI/AO

6ES72314HD300XB0

SM1231模擬量輸入模板，4點模擬量輸入，+/-10V、+/-5V、+/-2.5V、或0-20MA12位+符號位（13位ADC）

6ES72324HB300XB0

SM1232模擬量輸出模板，2點模擬量輸出，+/-10V，14位分辨率，或0-20MA，13位分辨率

6ES72344HE300XB0

SM1234模擬量I/O模板，4點模擬量輸入/2點模擬量輸出，+/-10V，14位分辨率，或0-20MA，13位分辨率

SB

6ES72230BD300XB0

SB1223數(shù)字量I/O模板，2點數(shù)字量輸入/輸出，2點數(shù)字量輸入24VDC/2點數(shù)字量輸出24VDC

6ES72324HA300XB0

SB1232模擬量輸出模板，1點模擬量輸出，+/-10VDC(12位分辨率)或0-20MA(11位分辨率

CP

6ES72411AH300XB0

CM1241通訊模板，RS232，9針SUBD（陰），支持基于信息的自由端口

6ES72411CH300XB0

CM1241通訊模板，RS485，9針SUBD（陽），支持基于信息的自由端口

SIM

6ES72741XF300XA0

仿真模塊，8通道仿真器，直流輸入開關

6ES72741XH300XA0

仿真模塊，14通道仿真器，直流輸入開關系統(tǒng)連接風電場的功率綜合控制系統(tǒng)風電場功率控制的目標是控制整個風電場輸出的有功和無功功率,使風電場可以像常規(guī)發(fā)電廠一樣承擔頻率!電壓調(diào)節(jié)任務,減小對接入電網(wǎng)的影響"風電場控制系統(tǒng)的整體控制框圖如圖3.H所示"風電場控制系統(tǒng)是一個單獨的控制單元,它負責接收系統(tǒng)調(diào)度指令,測量接入點PCC的電氣量及風力發(fā)電機可以輸出的功率,同時計算生成每個風力發(fā)電機組的控制信號"風電場的有功控制策略風電場的優(yōu)化運行"電力系統(tǒng)的調(diào)頻需要對系統(tǒng)有功功率平衡進行控制,調(diào)壓需要對系統(tǒng)無功功率平衡進行控制"當系統(tǒng)頻率降低時,需要增加系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機組的有功輸出或降低負荷需求;當系統(tǒng)電壓降低時,需要增加系統(tǒng)內(nèi)無功源(無功補償設備)的無功輸出或降低負荷需求"而風電場作為供電電源,具有特殊的一面"首先,風力作為可再生能源,具有節(jié)約能源!保護環(huán)境的優(yōu)勢,在正常運行時,我們希望能夠盡可能的利用風能發(fā)電"然而風電場的功率輸出依賴于風電場風速的變化,這就使風電場在系統(tǒng)要求增加出力的時候,達不到要求;或在正常運行時輸出率突然降低"這給系統(tǒng)調(diào)度和穩(wěn)定運行帶來不利影響"隨著國家大力倡導發(fā)展可再生能源,風電裝機容量不斷增加,作為電力系統(tǒng)