2025年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程应用型赛项高校组工程设计文件

2023工程设计文件高校组参赛学校名称：XXXXXXXX年 月 日一、方案设计依据、范围及相关标准设计依据全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程应用型赛项高校组初赛赛题及初赛细则风力发电〔WindTurbine〕仿真设备用户手册SIMATICPCS7使用手册及产品名目设计范围状态监测等相关的把握。设计遵循的标准及标准HG/T20505-2023《过程测量和把握仪表的功能标志及图形符号》GB/T19069-2023《风力发电机组把握器技术条件》GB/T21109-2023《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》HG/T20636-1998《自控专业设计治理规定》HG/T20637-1998《自控专业工程设计文件的编制规定》HG/T20638-1998《自控专业工程设计文件深度的规定》HG/T20639-1998《自控专业工程设计用典型图表及标准名目》HG20505-2023《过程检测和把握系统用文字代号和图形符号》HG20506-1992《自控专业施工图设计内容深度规定》HG/T20519-1992《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》HG20559-1993《管道仪表流程图设计规定》二、系统分析〔包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等〕一、甲方需求 把握要求偏航把握5°，即需要进展偏航把握。3圈〔±1080°〕时，需设计解缆把握程序，防止内部电缆发生缠绕。桨距把握通过桨距把握限制风机吸取的功率，保证机组的安全、稳定运行。转速把握设计转速把握算法，通过转速把握维持最大风能利用系数。风机全自动启动依据开机步骤实施风机全自动开车，保证开车稳步进展。在开车过程中，叶片上的升力确保风机转速到达额定转速四周。运行状态监测机操作。二、对象特性分析风电场作为一个整体电源，其功率输出受很多因素的影响:风电场所在地风速的变化影响风电场总功率的输出，依靠于风速的变化，风电场的功率输出呈现出波动性和难以推想性;供电公司要求风电场不能任凭输出功率，应对输出功率进展把握。(二)内部故障:刻都能安全工作。:定桨距调整技术、变桨距调整技术和变速恒频技术等。定桨距调整技术中当风速超过额定风速时，气流攻角增大到失速条件，使叶片的外表产生涡流，降低转换效率，限制吸取功率，维持发电机输出功率恒定。定桨距风机的桨距角一0度。定桨距风力发电机的功率调整由风轮叶片完成，把握简洁，但叶片本身构造简洁，成工艺难度较大，风机不易大型化。把握。速度把握和直接桨距把握系统，用于风力发电机的启动、停顿和紧急事故处理。变速恒频调整技术通过适当的把握，使风力机的叶尖速比处于或接近最正确值，从而可以最大限度地利用风能。变速恒频风力发电系统以风速信号作为把握系统的输入变量来进展转速和功率的把握:低于额定风速时，系统能跟踪最正确功率曲线，使风力发电系统具有最高的风能转换效率;高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定。二、系统安全性分析题中巫待解决的问题之一，在理论探究和指导工程实践方面都有格外重要的意义。三、把握系统设计〔包括把握规律、把握回路、把握算法等的选择，开机、停机等把握规律以流程图表达〕一、把握规律流程图二、把握回路三、把握算法的选择PIHCC算法。1、PI把握算法：发电机并网时的变桨系统功率把握功率把握系统如以以下图所示，它由两个把握环组成大功率。假设功率参考值是恒定的，电流参考值也是恒定的。变滑差发电机主要把握与输出功率成正比的转子电流。把握器向转子电流把握器发送要求电流基准值，然后实际转子电流会与基准值比较进而做相应调整，使用IGBT作为直流开关，PWM3kHz，这使0100%0.6%〔转子自身电阻〕到10%〔转子电阻为自身电阻与外接电阻之和〕之间连续变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调整器快速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，不变。与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率的变化。2、HCC算法：HCC算法是一种人工智能算法，可用于查找未知函数的极大值点。该算法最根本的思想是连续地对把握对象应用一系列规章、约束，同时检验自身的输出，确保输出逐步接近极大值。假设利用HCC系来把握偏航电机动作，可准确地实现偏航把握。功率检测HCC算法涉及的变量有：最周期检测的功率值Pnew；次周期检测的功率值Pold；功率差值∆P=PnewPold；允许的最大功率误差Pe1、Pe2；功率给定值Pmax；初始偏航误差角θe；P1、P2、P3、P4为不同偏航误差角时的电机功率；2次功率测量之间风力机偏航的角度为α。设风速恒定，当风向2HCC算法把握过程示意。微把握器获得当前Pnew=P1，并推断|PnewPmax|Pe1的大小。仅当|PnewPmax|>Pe1(首次转动时固定一个方向，本文将其方向固定为顺时钟)。将Pnew赋给Pold，即Pold=Pnew。微把握器再次获得当前功率值Pnew=P2，这时风α∆P>0且│∆P│>Pe2，则说明偏航电机转动方向(顺时针)正确但未到达可承受的偏航效果。偏航电机需连续顺时钟方向转动。连续猎取功率值，推断功率差值Pnew=P4且Pold=P34α，此后，便于下次偏航把握。当首次风力机偏航方向与风向变化相违反时，∆P<0，MCU便知道偏航电机转动方向错误，需转变转动方向。在实际应用中，风速不是恒定的。对于偏航制系统，风速变化是一种干扰因素[6]。风力机从风中吸取的功率与风速的关系为3p12P=ρvSC(2)式中：ρ 为空气密度；v为风速；S为风轮面积；Cp为风能利用系数。功率检测HCC算法可坚决识别风速变化。当风速转变时，电机功率变化较大。当|Pnew−Pmax|>Pe1时，偏航过程启动。偏航电机顺时针转动，风力机偏航角度α后，∆P<0。初认为偏航电机转动方向错误，MCU把握偏航电机逆时钟转动，当风力机偏航−α后，∆P<0，此力机对风方向复原为初始方向将当前功率值赋给Pmax。总的来说风速变化时无论偏航到哪个方向，电机功率都变小。一、系统选型把握器承受西门子引领小型自动化系统的最产品S7-1200；S7-1200S7-1200设计紧凑、组态灵敏且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为把握各种应用的完善解决方案。CPUPROFINETI/O以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中来形成功能强大的把握器。在您下载用户程序后，CPU将包含监控应用中的设备所需的规律。CPU依据用户程序规律监视输入并更改S7-1200CPU的功能，因而能够灵敏地满足您的自动化需要：CPU：CPU1215CDC/DC/DC、CPU1215CDC/DC/CPU1215CAC/DC/继电器供给了100KB的工作存储器、双以太网和模拟量输出。1214C具有更短的处理时间、可4PTO〔CPU1211C需要信号板、更大的保持性存储器(10KB)以及更长的日时钟保持时间〔20天。I/O信号模块：SM1231AI4x16位供给了更高的采样率而且增加了位数。的电池板(BB1297)可供给长期的实时时钟备份。BB1297可插入S7-1200CPU〔3.0及更高版本〕的信号板插槽中。16PIDPID把握器SIMATICSTEP7BasicSIMATICS7-1200还支持PID自动调整功能，可以自动计算增益、积分时间和微分时间的最正确调整值。〔TIAPortaSTEP7V11SP2WinCCSP2。操作站与S7-1200ProfiBusDP通讯。2.PM125通讯机制PM125数据发送QB0取值的变化触发数据发送QB1中定义。利用QB0触发数据发送机制QB0PM125模块。因此，可以使QB0Q0.0依据0→1→0→1→„变化，触发数据发送机制。具体实现方法有很多种，例如：输入地址的首字IB0用于存0→1→0→1→„Q0.0=I0.0。QB1中定义发送字节的数量SMPT-100030〔14AO28个字节，9DO2个字节，共计30个字节；AO14个字节，16DO216个字节。E-WT〕即可。6ES72211BF300XB0SM1221数字量输入模板，824V，漏/源输入6ES72211BH300XB0SM1221数字量输入模板，1624V，漏/源输入6ES72221BF300XB0SM1222数字量输出模板，8点数字量输出，直流24V，晶体管6ES72221BH300XB0SM1222数字量输出模板，1624V0.5A6ES72221HF300XB0SM1222数字量输出模板，8点数字量输出，继电器2A6ES72221HH300XB0SM1222数字量输出模板，16点数字量输出，继电器2A6ES72231BL300XB0SM1223数字量I/O模板，16点数字量输入/输出，16点数字量输入DC24V，漏/源，160.5A6ES72231PH300XB0SM1223数字量I/O8点数字量输入/8点数字量输入DC24V，漏/源，82A6ES72231PL300XB0SM1223数字量I/O模板，16点数字量输入/输出，16点数字量输入DC24V，漏/源，16点数字量输出，继电器2AAI/AO+/-10V、+/-5V、+/-2.5V、或0-20MA12位+符号位〔13位ADC〕6ES72324HB300XB0SM1232模拟量输出模板，2点模拟量输出，+/-10V，14位区分率，0-20MA，13位区分率6ES72344HE300XB0SM1234I/O模板，4点模拟量输入/2点模拟量输出，+/-10V，140-20MA，13位区分率SB6ES72230BD300XB0SB1223数字量I/O2点数字量输入/2DC/2点数字量输出24VDC6ES72324HA300XB0SB1232模拟量输出模板，1点模拟量输出，+/-10VDC(12位区分率)或0-20MA(11位区分率CP6ES72411AH300XB0CM1241RS239SUB〔阴端口6ES72411CH300XB0CM1241RS489针SUB〔阳端口SIM6ES72741XF300XA0仿真模块，8通道仿真器，直流输入开关6ES72741XH300XA0仿真模块，14通道仿真器，直流输入开关二、系统连接风电场的功率综合把握系统风电场功率把握的目标是把握整个风电场输出的有功和无功功率,使风电场可以像常规发电厂一样担当频率!电压调整任务,减小对接入电网的影响“风电场把握系统的整体把握框图所示“风电场把握系统是一个单独的把握单元,它负责接收系统调度指令,测量接入点PCC的电气量及风力发电机可以输出的功率,同时计算生成每个风力发电机组的把握信号“风电场的有功把握策略“电力系统的调频需要对系统有功功率平衡进展把握,调压需要对系统无功功率平衡进展把握“当系统频率降低时,需要增加系统内发电机组的有功输出或降低负荷需求;当系统电压降低时,需要增加系统内无功源(无功补偿设备)的无功输出或降低负荷需求“而风电场作为供电电源,具有特别的一面“首先,风力作为可再生能源,具有节约能源!保护环境的优势,在正常运行时,我们期望能够尽可能的利用风能发电“然而风电场的功率输出依靠于风电场风速的变化,这就使风电场在系统要求增加出力的时候,达不到要求;或在正常运行时输出率突然降低“这给系统调度和稳定运行带来不利影响“随着国家大力提倡进展可再生能源,风电装机容量不断增加,作为电力系统要接纳大容量的风电,需要付出更多的代价(如更多的备用电源,更多的系统网损)“在国外,对大型风电场的功率把握已经在实际风电场中得到了应用“本节正是在此根底上,设计了风电场的实时把握方案,力求把握风电场在满足确定系统要求的同时使风电场优化运行“当系统频率低于额定频率,调度要求增加有功功率输出时,风电场由于受风影响可能不能够增加输出,,但这些该在可以承受范内(随着储能技术的进展,风电场引入储能装置可能会满足该要求,目前已有有关争论)“然而,当统频率上升,需要减小有功功率输出时