基于PLC变速恒频风电控制系统设计

目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪 论 1
1.1研究背景与现状 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究现状 1
1.2 研究意义 1
1.3 研究的主要内容 1
1.3.1 变速恒频风电控制系统设计 2
1.3.2 PLC选型与接线设计 2
1.3.3 软件编程与调试 2
1.3.4 上位机驱动设计与系统验证 2
1.4 论文工作安排 2
第2章 变速恒频风电控制的总体设计 4
2.1 变桨控制的基本原理 4
2.2 变桨控制的设计要求 4
2.3 系统的设计方案 5
第3章 变速恒频风电控制的硬件设计 7
3.1 伺服电动机的选型 7
3.2 伺服驱动器的选型 8
3.3 PLC的选型 8
3.4 限位开关的选型 9
3.5 系统的I/O分配设计 10
3.6 伺服系统的接线设计 11
3.7 PLC的接线设计 12
第4章 变速恒频风电控制的软件设计 14
4.1 系统的功能流程设计 14
4.2 PTO脉冲的功能建立 15
4.3 硬件组态设置 15
4.4 运动功能块的建立 16
4.5 梯形图的设计 19
4.5.1 高速计数器的程序设计 19
4.5.2 循环中断的程序设计 20
4.5.3 逻辑控制的程序设计 21
4.6 PID控制算法的设计与实现 24
4.6.1 PID控制原理介绍 24
4.6.2 PID参数整定方法 24
4.6.3 PID控制梯形图设计 24
第5章 变速恒频风电控制的上位机设计 25
5.1 工程的创建 25
5.2 数据库的建立 25
5.3 画面的设计 25
5.4 动画的设计 26
5.5 系统的调试结果 27
第6章 结 论 29
参考文献 30
致 谢 31
1.3 研究的主要内容
本研究旨在设计并实现一种基于PLC的变速恒频风电控制系统，以精确控制风力发电机的桨叶转速，从而维持发电机转速的稳定。研究的主要内容包括以下几个方面：
1.3.1 变速恒频风电控制系统设计
按照风力发电变桨技术的控制设计要求，本研究将对桨叶进行速度调节控制，以维护稳定可靠的发电机转速。由于风能的风速和方向具有不稳定性，需要通过调节桨叶的叶轮来改变桨叶旋转的速度。系统设计的目标是确保发电机旋转速度保持在1500转/分钟，根据升速设备的升速比为1:30，计算出桨叶旋转速度的最佳范围为50-53转/分钟。
为了实现这一目标，本研究将采用PLC作为核心控制器，通过伺服电动机实现桨叶角度的调节。同时，利用速度传感器实时反馈当前的桨叶转速值，并与设定的范围值进行比较。当当前速度低于设定范围时，将增大桨叶轮的角度以加快桨叶速度；当当前速度高于设定范围时，将减小桨叶轮的角度以减慢桨叶速度。通过这种方式，实现桨叶速度的恒定控制。
1.3.2 PLC选型与接线设计
本研究将对变速恒频风电控制的PLC进行选型，并完成PLC接线设计。根据系统控制要求，选择合适的PLC设备型号，并设计系统的梯形图和功能流程。同时，完成I/O分配设计，确保PLC能够正确接收和处理来自传感器的输入信号，并控制伺服电动机等执行器的输出。
1.3.3 软件编程与调试
在硬件设计的基础上，本研究将进行变速恒频风电控制系统的软件编程。采用顺序控制和条件判断的方法，理清系统的逻辑关系，并按照不同的功能进行逻辑控制处理。编译梯形图，并根据梯形图的不同指令完成系统功能的设计和编译。随后，对系统进行调试，验证系统的可行性和可靠性，确保系统能够满足稳定可靠的设计要求。
1.3.4 上位机驱动设计与系统验证
为了实现对系统的全面监控和管理，本研究还将进行上位机驱动设计。完成系统的数据库变量连接，设计变速恒频风电控制系统的画面和动画，并编译命令语言。实现PLC和上位机之间的通讯，从而方便地对系统进行各个功能的验证和调试。通过上位机仿真运行，对系统进行验证和修改，确保系统能够满足设计的各项要求，并达到变速恒频风电控制系统运行稳定可靠、可行性高的目的。
1.4 论文工作安排
本论文围绕变速恒频风力发电系统的设计与实现展开，工作安排如下：首先，在第1章中介绍了研究背景、意义、主要内容及论文的整体工作安排；接着，第2章详细阐述了变速恒频风力发电机的工作原理和特性，以及可编程逻辑控制器（PLC）在风力发电系统中的应用情况；第3章则重点设计了基于PLC的变速恒频风电控制系统的硬件和软件部分，包括选用西门子S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly作为核心控制器，实现与传感器的数据通信和控制指令的发送，以及PID控制算法在发电机转速控制中的实现；第4章对所设计的系统进行了调试和优化，记录了调试过程中遇到的问题及解决方案，并对系统的稳定性和可靠性进行了全面评估；第5章则对系统的发电效率和控制精度进行了评估和分析，通过与传统恒速恒频风力发电系统的比较，突出了本研究的优势和创新点；最后，在总结部分概括了本研究的主要成果和不足之处，并提出了未来的研究方向和改进措施。