1.3 设计的主要内容及要求

  

　　本次设计要求是设计一个风力发电机组控制系统，主控制器为PLC，主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、具有恒功率输出的功能、在风机转动超出设定角度值时，具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测，并根据需要采取相应的措施。根据设计的要求，主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的发电机系统，实现发电机与电网的并网;拟通过偏航系统的设计，完成对风功能的实现，并且完成解缆报警的功能;拟通过设计变浆距控制机构来达到恒功率输出的目的;拟通过仿真软件的应用，可以实现对机组运行的监测。

 

　　本设计从工业实用角度出发，研究基于PLC 的风力发电控制系统。这就要求既要掌握PLC 相关知识和特定PLC 的编程语言，也要有懂得一定的风力发电方面的知识。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PLC 控制和风力发电电路成功连接。

  

　　第2 章可编程控制器简介

  

　　2.1 PLC 的产生与发展

  

　　可编程序控制器简称为PLC，是一种新型的控制装置，一项先进的控制技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程控制的艰巨任务，可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损害，甚至某个继电器的触电接触不良，都会影响整个系统的正常进行。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。因此，人们迫切需要一种工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。

   

　　1968 年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种[26]。为此要解决汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，就要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。为此GM 公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器。

   

　　早期的PLC 主要由分立式电子元件和小规模集成电路组成，它采用了一些计算机的技术，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能，它简化了计算机的内部结构，使之能够很快地适应恶劣的工业现场环境。虽然PLC 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

   

　　一、早期的PLC(60 年代末—70 年代中期)早期的PLC 一般称为可编程逻辑控制器[27]。这时的PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式——梯形图。因此，早期的PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC 特有的编程语言——梯形图一直沿用至今。

   

　　二、中期的PLC(70 年代中期—80 年代中、后期)在70 年代，微处理器的出现使PLC 发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O 模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 得应用范围得以扩大。

   

　　三、近期的PLC(80 年代中、后期至今)进入80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC 软硬件功能发生了巨大变化。近年来，PLC 技术得到了长足的发展[28]，其结构和功能不断改进，应用范围迅速扩大，各PLC 厂商相继推出功能更强大的产品。随着技术的不断创新，在PLC 中也出现了模拟量I/O 模块和专门用于模拟量闭环控制(过程控制)和智能PID 模块，实现了PID 控制功能的软件化。某些PLC 的过程控制甚至还具有自适应、参数自整定功能，使调节时间大为减少，控制精度显著提高。如果PLC 系统与微型计算机通过相应的通讯协议实现实时通讯和数据共享，还能够进一步实现数据的图形界面显示以及数据的采集、记录、打印等一系列实用的后续处理功能。可以说，由于PLC 能够实现的功能越来越强大，现在一些大型PLC 与集散控制系统的界限已经越来越模糊，它的应用前景非常好。

  

　　2.2 PLC 基本构成

  

　　2.2.1 PLC 的系统组成

  

　　PLC 种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC 的结构框图如图3.1 所示。

  

　　1、中央处理单元

  

　　中央处理单元(CPU)是PLC 的核心，起神经中枢的作用，一般由控制电路、运算器和寄存器组成。它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

   

     

图3.1 PLC 结构框图

  

　　2、存储器

  

　　PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM 内，用户不能直接更改。它使PLC 具有基本的功能，能够完成PLC 设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC 的性能。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC 编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以分为RAM、EPROM 或EEPROM 存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF 状态和数值、数据等。它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC 性能的重要指标之一。

  

　　3、输入/输出单元

  

　　I/O 单元实际上是PLC 与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O 单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC 输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC 的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器则是交流型和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。

  

　　4、电源部分

  

　　PLC 一般使用220V 的交流电源，内部的开关电源为PLC 的中央处理器、存储器等电路提供5V、± 12V、24V 等直流电源，使PLC 能正常工作。

  

　　5、扩展接口

 

　　扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC 的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。

  

　　6、通信接口

  

　　为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC 或计算机相连。

  

　　7、编程器

  

　　编程器是PLC 的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC 的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC 的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC 编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

    

  

  

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