机组控制系统介绍

金风1.5兆瓦风力发电机组主控制系统编写：孙伟讲解：孙伟2011年11月,标题,内容,综述：,风力发电机组中主控制系统的作用举足轻重。它承担着风力发电机组运行控制、状态监测和安全保护的作用。保证风力发电机组安全可靠的运行，确保风能的最大利用率和最高能量转化率，向电网提供优质电能，最大限度的降低发电成本。机组的主控制系统不仅要监测风况、各种电网参数、现场环境参数和机组运行参数，还要保证安全可靠的控制机组的并网、脱网，更要根据风况的变化，对机组进行优化控制，提高机组的运行效率与发电质量。,课程内容：,一、金风1.5兆瓦风力发电机组的主控系统二、机组主控制系统的组成及功能三、机组主控制系统程序的控制原理,金风1.5兆瓦机组的（电气）控制系统的组成,金风1.5兆瓦风力发电机组的控制系统,控制系统各个部分的主要功能,金风1.5兆瓦风力发电机组的控制系统,金风1.5兆瓦风力发电机组的控制系统,Switch变流控制系统：适合接入电网的频率：50/60Hz电压：690VAC(+/-10%)；标准功率因数：1.0，无功功率范围：-0.950.95；运行温度(外界环境)：-3050；强制水冷散热方式；分布控制方式（每个功率单元都能够独立的执行控制、保护、监测等功能，功率单元之间则通过现场总线连接）。,Switch变流配置的系统,金风1.5兆瓦风力发电机组的控制系统,Switch变流配置的系统由变桨子站、机舱控制子站、低电压控制子站、水冷控制子站、Switch变流控制子站和主控器组成。控制系统采用Profibus-DP通信，主站、子站分配不同的通信地址。主站地址：1低电压控制子站地址：11机舱控制子站地址：20水冷控制子站地址：8Switch变流控制子站地址:10变桨控制子站的地址：41、42、43Switch变流配置的系统采用spwm矢量控制，背靠背结构，可实现四象限运行。,金风1.5兆瓦风力发电机组的控制系统,金风1.5MW风力发电机组的主控系统以德国倍福公司生产的嵌入式PC控制器为核心，组成了机组的PAC控制系统。控制器实现了机组的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定、数据记录、数据显示以及人工操作的功能，配有多种通讯接口，可实现就地通讯和远程通讯。采用PROFIBUS-DP现场总线组网，安全可靠。,一、金风1.5兆瓦风力发电机组的主控系统,一、金风1.5兆瓦风力发电机组的主控系统,主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成以下工作：采集数据并处理输入、输出信号；判定逻辑功能；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜及变桨控制系统进行通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信号；与中央监控系统通讯、传递信息。,金风1.5兆瓦机组主控制系统使用贝福公司生产的PLC，处理速度快且功能强大：,二、机组主控制系统的组成及功能,硬件：1、主处理器CX1020采用功能强大的1GHzIntelM（系列）CPU，主频达到1GHz，程序运行速度快。2、可同时执行多个任务及运行控制。可分成4套控制器，每套4个任务，最小任务周期可达50us。3、可根据实际使用点数精确配置，支持即插即用功能，配置方便、使用简单。,软件：1、控制器使用内嵌式操作系统，可选用WindowsCE或嵌入版WindowsXP操作系统，结构小但功能强大、操作简便；2、支持IEC61131-3编程语言，通用性较强；3、支持多种系统接口或者现场总线接口，配置方便，满足实际使用需求；4、实时性强，具有256级线程优先级，每个线程都有独立的时钟，支持中断嵌套，数据处理能力强。,CX1020内部通讯结构,二、机组主控制系统的组成及功能,金风1.5兆瓦风力发电机组的主控器由CX1500-M310、CX1020、CX1100、KL9210、KL9010组成。其中CX1500-M310模块负责DP通讯，CX1020负责机组程序的逻辑判断，CX1100负责CPU的供电及后续模块的通讯，KL9210负责后续模块的供电。,金风1.5兆瓦机组的主控制器,二、机组主控制系统的组成及功能,BC/BK3150,在金风1.5兆瓦机组的控制系统中，主控制器通过现场总线Profibus-DP与各个子站进行交互通讯，各个功能模块通过K-Bus总线进行通讯，主控制器通过PC104总线接口进行内部通讯。,各个子站内部及子站与主站之间的通讯结构,二、机组主控制系统的组成及功能,机组中用到的贝福模块（或功能端子）,二、机组主控制系统的组成及功能,1、主控制器CX10202、控制器供电电源CX1100-00023、Profibus-DP通信主站模块CX1500-M3104、子站通信模块BK3150（总线耦合器）5、子站通信模块BC3150（总线端子控制器）6、4通道数字量输入端子KL11047、4通道数字量输出端子KL21348、8通道数字量输出端子KL24089、4通道模拟量输入端子KL320410、电力测量端子KL3403（目前新机组中已经不再使用，被西门子的PAC3200所代替。）11、KL3403的替代模块PAC3200电力测量仪12、4通道模拟量输入端子KL340413、1通道模拟量输出端子KL400114、SSI传感器接口端子KL500115、总线供电端子KL9210（电流信号）16、4通道模拟量输入端子KL345417、K-Bus总线终端端子KL9010,二、机组主控制系统的组成及功能,CX1020模块通过一个功能更为强大的1GHzIntelMCPU对现有CX1000系列产品进行了扩展。该控制器无需风扇或者其它旋转部件且性能较高。除了CPU和芯片组之外，CX1020模块还包含各种尺寸的主存储器，标配为256MB的DDRRAM，它可以扩展为512MB或者1GB。控制器从CF卡启动。,1、主控制器CX1020,二、机组主控制系统的组成及功能,CX1100-0002模块是系统可以选择的三种电源模块中的一种。所有其他系统组件的电源通过内置PC104总线供电，无需单独的电源线。然而，CX1100组件除了提供电源以外，还可具有其他重要特性：集成的NOVRAM可实现故障情况下过程数据的安全存储。有两行字符（每行16个字符）的LCD显示器用于显示系统和用户信息。,2、控制器供电电源CX1100-0002,本地输入/输出信号可通过CX1100-0002电源模块提供的数据接口进行连接，所有的Beckhoff总线端子均可通过这个借口与主控制器连接，或通过CX1100-0003连接（型号为IExxxx）Beckhoff现场总线盒。这种对总线端子或总线端子盒的可选择性，具有极为灵活的可扩展输入/输出特性、可处理各种信号的控制系统。输入/输出数据存储在DPRAM中，CPU通过系统总线实现数据存取。,二、机组主控制系统的组成及功能,主要用于ProfiBus-DP现场总线的通信，最多可以处理125个从站，每个从站可处理244个字节的输入、输出、参数、配置、诊断的信号数据。,3、Profibus-DP通信主站模块CX1500-M310,二、机组主控制系统的组成及功能,PROFIBUS-DP“紧凑型”总线耦合器BK3150扩展了Beckhoff总线端子系统，比较小巧且经济。可以连接多达64个总线端子；若采用端子总线扩展技术，则可连接多达255个总线端子。PROFIBUS总线耦合器具有自动波特率检测功能，速率最大可以达到12Mbaud，2个地址选择开关用于分配地址。为了方便现场总线信号的通讯，提供1个D-sub9针接口。,4、子站通信模块BK3150（总线耦合器）,二、机组主控制系统的组成及功能,BC3150总线端子控制器是带PLC控制功能的总线耦合器。控制器有一个PROFIBUS-DP现场总线接口，可在PROFIBUS-DP系统中作为智能从站使用。“紧凑型”总线端子控制器BC3150比较小巧且经济。BC3150通过K-BUS总线扩展技术，可连接多达255个总线端子。PROFIBUS控制器自动检测波特率，最大可至12M波特率，使用两个地址选择开关分配地址。总线端子控制器使用符合IEC61131-3标准的TwinCAT软件进行编程。,5、子站通信模块BC3150（总线端子控制器）,二、机组主控制系统的组成及功能,KL1104数字量输入端子，从现场设备获得二进制控制信号，并以电隔离的信号形式将数据传输到更高层的自动化单元。KL1104带有输入滤波。每个总线端子含4个通道，每个通道都有一个LED指示其信号状态。,6、4通道数字量输入端子KL1104,二、机组主控制系统的组成及功能,KL2134数字量输出端子将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信号形式传到设备层的执行机构。KL2134有反向电压保护功能。每个总线端子含4个通道，每个通道都有一个LED指示其信号状态。,7、4通道数字量输出端子KL2134,二、机组主控制系统的组成及功能,KL2408数字量输出端子将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信号形式传到设备层的执行机构。KL2408有反向电压保护功能。其负载电流输出具有过载和短路保护功能。每个总线端子含8个通道，每个通道都有一个LED指示其信号状态。它所连接的元件必须和KL2408为同一接地。在闭环中所有电源触点互相连通。在KL2408中由24V电源触点为输出供电。,8、8通道数字量输出端子KL2408,二、机组主控制系统的组成及功能,KL3204模拟量输入端子可直接连接电阻型传感器。总线端子电路可使用2线制连接技术连接传感器。整个温度范围的线性度由一个微处理器来实现。温度范围可任意选定。总线端子的标准设置为：PT100传感器，分辨率为0.1。故障信号显示灯显示传感器故障（例如断线）。KL3204含4个通道。在机组中主要用于采集温度信号。,9、4通道模拟量输入端子KL3204,二、机组主控制系统的组成及功能,KL3403总线端子可以测量电网中所有的电气数据。电压测量可以直接连接L1、L2、L3和N线。电流的测量则需通过简单的电流互感器。所有被测量的电压和电流数据都是有效值。通过KL3403还可以计算每相的有功功率和能量消耗；可获得所有其它相关的数据，如视在功率S、功率因数cos等。,10、电力测量端子KL3403,KL3403提供了完整的电网分析和能源管理功能，可应用到各种现场总线系统中。,PAC3200是一种用于面板安装的高性能电力仪表，可用来计量、显示配电系统的50个测量变量，集遥测、遥信、遥控于一体，大尺寸LCD图形中文显示屏。PAC3200本体集成以太网接口，支持MODBUSTCP协议。,二、机组主控制系统的组成及功能,11、KL3403的替代模块PAC3200电力测量仪,SENTRONPAC3200性能特点应用：盘面仪表、电气设备远程控制、基本电能质量监测;遥测：三相电压、电流、功率、功率因数、频率、电度等;遥信：开关运行状态或故障状态等信号，本体带1个DI、DC24V;遥控：远程控制分或合闸，本体带1个DO;通讯：集成以太网接口，支持ModbusTCP;通讯扩展：可插接PROFIBUS-DP和MODBUS-RTU通讯模块;大尺寸LCD图形显示屏，中文或多语言显示;采用标准型密封，防护等级达到IP65;结构紧凑，占用空间小。,二、机组主控制系统的组成及功能,KL3404模拟量输入端子可处理直流-10V和+10V范围的信号。分辨率为12位，在电隔离的状态下被传送至上一级自动化设备。在KL3404总线端子中，有4个输入端为2线制型，并有一个公共的接地电位端。输入端的内部接地为基准电位。运行LED显示端子与总线耦合器之间的数据交换。,12、4通道模拟量输入端子KL3404,二、机组主控制系统的组成及功能,KL4001模拟量输出端子可输出直流0V到10V范围的信号。该端子可为处理层提供分辨率为12位的电气隔离信号。总线端子的输出通道有一个公共接地电位端。KL4001是单通道型，适用于带有接地电位的电气隔离信号。它通过运行信号灯显示端子与总线耦合器之间的数据交换状态。在机组中主要用于控制变桨输出信号。,13、1通道模拟量输出端子KL4001,二、机组主控制系统的组成及功能,KL5001SSI接口端子可直接连接SSI传感器。传感器电源由SSI接口提供。接口电路产生一个脉冲信号以读取传感器数据，读取的数据以字的形式传送到控制器的过程映像区中。各种操作模式、传输频率和内部位宽可以永久地保存在控制寄存器中。在机组中主要用于旋转编码器的数据采集。,14、SSI传感器接口端子KL5001,二、机组主控制系统的组成及功能,KL9210供电端子可插入输入和输出端子之间的任意位置，以构建一个电位组，或给右侧端子供电。供电端子提供的电压最高为交流230V。具有诊断功能的端子可向控制器报告电压故障或短路。在机组中主要给后续端子模块进行直流24V供电。,15、总线供电端子KL9210,二、机组主控制系统的组成及功能,KL3454模拟量输入端子模块可处理4-20mA范围内的信号。电流信号被转化成数字信号后，其分辨率为12位，并在电隔离的状态下被传送至上一级自动化设备。在KL3454总线端子模块中，有4个输入端为2线制型，并有一个公共接地电位端。24V电源触点连接到端子模块，用于连接2线制传感器，而无需外部电源。,16、4通道模拟量输入端子KL3454,二、机组主控制系统的组成及功能,KL9010总线终端端子可用于总线耦合器和总线端子之间的数据交换。每一个站都可在右侧使用KL9010作为总线终端端子。总线末端端子不具有任何其它功能或连接能力。,17、K-Bus总线终端端子KL9010,数字量输入和输出模块的基本原理,数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。,二、机组主控制系统的组成及功能,数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等负载。数字量输出模块将CPU内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器。,二、机组主控制系统的组成及功能,模拟量输入和输出模块的基本原理,模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，主要由A/D转换器组成。模拟量输出模块将CPU送给它的数字信号转换成电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，主要由D/A转换器组成。,二、机组主控制系统的组成及功能,PLC的工作原理,二、机组主控制系统的组成及功能,PLC采用分时操作原理，从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并循环执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。,PLC执行程序的过程,二、机组主控制系统的组成及功能,金风1.5兆瓦机组控制系统PLC（PAC）是机组可靠运行的核心，主要实现以下功能：数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩的要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。,三、机组主控制系统程序的控制原理,机组的运行状态,0初始化1停