CN103266986B - 一种风力发电机组变桨距系统调试装置 - Google Patents

一种风力发电机组变桨距系统调试装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组变桨距系统调试方法和装置,包括上位计算机、主站装置、变桨装置;上位计算机通过以太网与主站装置连接,主站装置通过CANopen总线与变桨装置连接;用户通过上位计算机人机界面读取变桨系统信息并对变桨系统进行相应操作;主站装置程序对变桨系统状态信息和上位计算机控制指令进行处理;变桨系统将所有状态信息传送给主站装置并接收主站装置发送的控制指令执行变桨等动作。本发明的有益效果是通过使用本技术方案,使调试装置体积小、操作简便;使用以太网连接上位计算机与主站装置,安全可靠;使用CANopen总线通信的PDO和SDO两种方式与变桨距装置交换数据及时准确。

Description

一种风力发电机组变桨距系统调试装置
技术领域
本发明属于控制、调解领域,尤其是涉及一种用于风力发电机组变桨距系统的监视、检验、控制平台。
背景技术
在现有的技术中,风力发电系统主要包括三大部分:主控、变频和变桨。,近年来,随着单机容量的增加和对并网要求的不断提高,变桨变速型风力发电机组逐渐成为主流和发展趋势。
变桨变速型风力发电机组采用变桨距控制系统进行桨叶角度调节,其主要功能为:在正常发电工况下调节风机桨叶的迎风角,从而对输入功率进行动态调节,提高风能利用率;在故障状态下利用储能机构完成顺桨功能,保证风机的安全。因此,变桨系统的安全与否直接关系到整个机组的正常运行,在车间对其完成一系列的功能测试就显得尤其重要。
目前,在车间主要通过主控系统来完成对变桨系统的调试。由于主控系统控制柜体内部结构复杂,需要2-3人配合才能开展工作,且柜内任何部件故障均会影响调试;柜体空间大,搬运困难,不易放置;控制软件逻辑复杂,非主控系统开发人员难以在短时间内对其进行熟练的操作。故此,对于车间调试人员来说,如何简单、可靠、快速地完成大批量变桨系统的功能测试任务是一个重要的问题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种通过CANopen总线通信实现对变桨系统的控制并读取变桨系统的相关实时数据,为变桨系统在车间的测试和调试的风力发电机组电动变桨距系统,尤其适合兆瓦级变速恒频风力发电机组电动变桨距系统调试。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案包括上位计算机、主站装置和变桨装置;上位计算机通过以太网与主站装置连接,主站装置通过CANopen总线与变桨装置连接;变桨装置将采集到的变桨装置的信息发送给主站装置,主站装置对变桨装置的信息进行处理,用户通过上位计算机实时采集、显示变桨装置信息;用户由上位计算机访问主站装置,通过上位计算机对变桨装置进行控制,变桨装置响应上位计算机操作进行变桨控制。
进一步,所述主站装置包括CANopen总线模块、以太网模块、PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块、PLC电源模块和总线末端模块;所述以太网模块通过以太网与上位计算机连接;所述CANopen总线模块、以太网模块、PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块通过EtherCAT总线通信。
进一步,所述变桨装置包括TPM电源管理模块、桨叶控制模块组、直流伺服电机和限位开关;TPM电源管理模块对变桨装置的输入电源进行滤波和防雷处理,对所有主站装置与变桨装置间连接电缆进行保护;所述数字量输入模块、数字量输出模块经过TPM电源管理模块连接变桨装置;所述桨叶控制模块组包括不低于三个控制模块PCM,控制模块PCM独立驱动直流伺服电机通过减速器及桨叶轴承控制桨叶变桨,使桨叶转动到指定位置。
进一步,所述直流伺服电机设置编码器。
进一步,所述桨叶控制模块组包括主控制模块PCM和其他控制模块PCM,其他控制模块PCM不低于一个;所述主控制模块PCM通过CANopen总线与主站装置通信,实现与变桨系统的通讯;其他控制模块PCM通过RS485现场总线与主控制模块PCM通信。
进一步,所述限位开关是91度限位开关和95度限位开关;桨叶紧急顺桨到91度限位处立刻停止动作,95度限位开关是冗余保护装置。
进一步,所述变桨装置还包括变桨电池箱EPU,所述变桨电池箱EPU与控制模块PCM模块连接,在变桨系统故障或外部电源丢失时为伺服电机供电,驱动桨叶到安全顺桨位置。
进一步,所述变桨装置还包括电阻,所述电阻与控制模块PCM连接,为变桨装置限流、分压。
本发明一种风力发电机组变桨距系统调试方法,其步骤如下:
步骤一:使用软件对主站装置的软件进行组态;
步骤二:上位计算机通过以太网与主站PLC控制器通讯;
步骤三:主站装置通过CANopen通讯采集变桨装置的数据;
步骤四:主站装置通过数字量输入模块和数字量输出模块读取、控制变桨重要硬接点信号;
步骤五:用户通过上位计算机对步骤三和步骤四的数据进行故障判断;
步骤六:如果无故障情况下,用户通过上位计算机对变桨装置进行控制。
本发明具有的优点和积极效果是:由于采用上述技术方案,使调试装置体积小、操作简便;使用以太网连接上位计算机与主站装置,安全可靠;使用CANopen总线通信的PDO和SDO两种方式与变桨距装置交换数据,及时准确;对于本发明,调试人员可以快速掌握操作方法,并可以熟练操作本装置;调试时间只需要一名调试人员使用本发明在5分钟内即可完成变桨装置的功能测试;只要拥有普通的调试工作能力便可以对本发明进行操作;简化了调试步骤、具有结构简单、维修方便,降低了务工成本、调试效率高的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图中:
1、直流伺服电机2、限位开关3、变桨电池箱EPU
4、主控制模块PCM5、其他控制模块PCM6、温度传感器
具体实施方式
如图1所示,本发明以对三个桨叶的测试为例,具体技术方案包括上位计算机、主站装置、变桨装置;上位计算机通过以太网与主站装置连接,主站装置通过CANopen总线与变桨装置连接;变桨装置将采集到的变桨装置的信息发送给主站装置,主站装置对变桨装置的信息进行处理,用户通过上位计算机实时采集、显示变桨装置信息;用户由上位计算机访问主站装置,通过上位计算机对变桨装置进行控制,变桨装置响应上位计算机操作进行变桨控制。
进一步,所述主站装置包括CANopen总线模块、以太网模块、PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块、PLC电源模块、总线末端模块;所述以太网模块通过以太网与上位计算机连接;所述CANopen总线模块、以太网模块、PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块通过EtherCAT总线通信。
进一步,所述变桨装置包括TPM电源管理模块、桨叶控制模块组、直流伺服电机1、限位开关2;TPM电源管理模块对变桨装置的输入电源进行滤波和防雷处理,对所有主站装置与变桨装置间连接电缆进行保护;所述数字量输入模块、数字量输出模块经过TPM电源管理模块连接变桨装置;所述桨叶控制模块组包括不低于三个控制模块PCM,控制模块PCM独立驱动直流伺服电机1通过减速器及桨叶轴承控制桨叶变桨,使桨叶转动到指定位置。
进一步,所述直流伺服电机1设置编码器。
进一步,所述桨叶控制模块组包括主控制模块PCM4和其他控制模块PCM5,其他控制模块PCM5不低于一个;所述主控制模块PCM4通过CANopen总线与主站装置通信,实现与变桨系统的通讯;其他控制模块PCM5通过RS485现场总线与主控制模块PCM4通信。
进一步,所述限位开关2是91度的限位开关和95度的限位开关;桨叶紧急顺桨到91度限位开关处立刻停止动作,95度的限位开关是冗余保护装置。
进一步,所述变桨装置还包括变桨电池箱EPU3,所述变桨电池箱EPU3与控制模块PCM模块连接,在变桨系统故障或外部电源丢失时为伺服电机供电,驱动桨叶到安全顺桨位置。
进一步,所述变桨装置还包括电阻,所述电阻与控制模块PCM连接,为变桨装置限流、分压。
上位计算机通过TCP/IP协议可以实现上位计算机对主站装置的远程操作、资源共享及网络化;主站装置包括PLC控制器、PLC电源模块、CANopen总线模块、数字量输入模块、数字量输出模块、以太网模块和总线末端模块,所述PLC控制器、PLC电源模块、CANopen总线模块、数字量输入模块、数字量输出模块、以太网模块、总线末端模块之间通过EtherCAT总线通信,完成对整个系统的控制;变桨装置是变桨距控制的终端,主要由桨叶控制模块、直流伺服电机1、电机编码器、温度传感器6、限位开关2及变桨电池箱EPU3等组成,完成物理量的检测与上传、接收并执行主站装置的命令,实现整个变桨系统的安全可靠运行。
所述上位计算机:使用普通的PC机即可,使用标准网线连接RJ45接口与PLC控制器通信,通过远程登录软件CERHOST对PLC控制器进行访问;
所述主站组成:PLC控制器采用Beckhoff的CX1020-0111,PLC电源模块采用CX1100-0004,CANopen总线模块采用EL6751进行通讯,根据系统输入和输出点数,配置一个8通道的数字量输入模块EL1008和一个8通道的数字量输出模块EL2008,模块之间采用EtherCAT总线通讯。
所述变桨系统主要组成:美国Windurance公司的三桨叶独立控制的直流变桨系统轴箱,复励式直流伺服电机1,控制模块PCM采用绝对值+增量值的电机编码器,智能充电与管理功能的变桨电池箱EPU3等。
TPM电源管理模块采用3相400VAC及230VAC交流电源经开关控制给变桨系统供电;同时,为了给本发明提供电源和为变桨装置的硬接线提供有源信号,配置一个230VAC/24VDC(5A)的开关电源;控制器经数字量输出模块的触发继电器,控制变桨系统紧急顺桨EFC信号和Bypass信号;PLC控制器经过数字量输入模块监测变桨装置的Watchdog信号、主轴转速信号、变桨小故障信号、电池电压信号及桨叶在顺桨位的硬接线输入信号,控制程序作出判断处理后,对变桨装置进行相应的控制。
风力发电机组变桨距系统调试方法的工作步骤如下:
步骤一:使用软件对主站装置的软件进行组态;
步骤二:上位计算机通过以太网与主站PLC控制器通讯;
步骤三:主站装置通过CANopen通讯采集变桨装置的数据;
步骤四:主站装置通过数字量输入模块和数字量输出模块读取、控制变桨重要硬接点信号;
步骤五:用户通过上位计算机对步骤三和步骤四的数据进行故障判断;
步骤六:如果无故障情况下,用户通过上位计算机对变桨装置进行控制。
本实例的具体工作过程如下:使用Beckhoff的TwinCAT软件对主站装置的软件进行组态,程序使用符合IEC61131-3标准的ST语言编写,根据变桨装置信息及操作习惯设计调试平台人际界面,程序编译后下载到PLC控制器并生成自启动Boot文件。调试人员通过上位计算机,使用远程登录软件CERHOST登录PLC控制器,对变桨距装置进行一系列的操作。
运行遵循下面的顺序:与变桨距装置通信建立后,通过CANopen总线通信从变桨距装置读取的数据包括:状态字(系统状态字,桨叶状态字及电池箱状态字),当前测量值(桨叶A、B编码器位置值,温度值,电机电流、扭矩值等),故障字(变桨距装置故障字,桨叶故障字,电池箱故障字等)及数字量输入信号、数字量输出信号等。此外,结合数字量输入模块和数字量输出模块读取的变桨装置硬接线信号(EFC、变桨看门狗,转速OK等)的数据,可以了解到变桨距装置的当前状态。同时,在变桨距装置无故障情况下激活变桨后,用户通过人机界面可以对变桨装置进行如下操作:三桨叶同步移动,单桨叶移动,三桨叶sin曲线自动运行,设置桨叶的直流伺服电机1的编码器参考值及其他变桨装置的功能测试。PLC控制器软件控制逻辑遵循变桨装置状态机。调试软件属于事件触发方式,其可以实现的功能包括:
可以进行CANopen总线通信PDO方式,及时接收变桨距装置的状态字和发送给变桨距装置的控制字;
通过不同颜色显示变桨距装置的状态字和故障字,快速确定系统状态;
可以通过CANopen总线通信SDO方式,读取电池箱每块电池的电压、内阻、温度及电池状态;
可以通过数字量输入信号监测变桨距装置的安全信息;
可以通过数字量输出信号的控制变桨EFC和Bypass信号;
可以控制变桨三桨叶或单桨叶手动运行;
可以控制变桨距装置在指定角度范围内自动运行;
可以显示电机编码器测量值波形,便于对角度值进行直观分析;
可以设置电机编码器参考值。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种风力发电机组变桨距系统调试装置,其特征在于:包括上位计算机、主站装置和变桨装置;上位计算机通过以太网与主站装置连接,主站装置通过CANopen总线与变桨装置连接;变桨装置将采集到的变桨装置的信息发送给主站装置,主站装置对变桨装置的信息进行处理,用户在上位计算机通过人机界面实时观察变桨装置信息;用户由上位计算机访问主站装置,在上位计算机通过人机界面对变桨装置进行控制,变桨装置响应上位计算机操作进行变桨控制;所述主站装置包括CANopen总线模块、以太网模块、PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块、PLC电源模块和总线末端模块;所述以太网模块通过以太网与上位计算机连接;所述CANopen总线模块、以太网模块、PLC控制器、数字量输入模块、数字量输出模块通过EtherCAT总线通信。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨距系统调试装置,其特征在于:所述变桨装置包括TPM电源管理模块、桨叶控制模块、直流伺服电机和限位开关;TPM电源管理模块对变桨装置的输入电源进行滤波和防雷处理,对所有主站装置与变桨装置间连接电缆进行保护;所述数字量输入模块、数字量输出模块经过TPM电源管理模块连接变桨装置;所述桨叶控制模块包括不低于三个控制模块PCM,控制模块PCM独立驱动直流伺服电机通过减速器及桨叶轴承控制桨叶变桨,使桨叶转动到指定位置。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组变桨距系统调试装置,其特征在于:所述桨叶控制模块包括主控制模块PCM和其他控制模块PCM,其他控制模块PCM不低于一个;所述主控制模块PCM通过CANopen总线与主站装置通信,实现与变桨系统的通讯;其他控制模块PCM通过RS485现场总线与主控制模块PCM通信。
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