论文总字数：21675字

摘 要

近年来风力发电不断发展，但是由于风力发电设备一般地处偏远，且体积庞大，所以需要研发一款风力发电机组的示教装置来进行模拟教学。本文主要设计了一个基于PLC的风力发电示教装备的测控系统，完成了测试系统设计，硬件选型以及软件开发。具体工作如下：

1、系统的调研了风力发电示教测控系统常见的系统功能、组成以及它的设计原理，确认了研究路线。

2、对测控系统方案进行研究，分析所需要实现的功能以及设计原理，并设计了三个不同的方案，最终确认了以S7-200系列的PLC为核心，外总线方式进行连接，上位机选用触摸屏进行显示的测控系统方案。由于PLC选用了S7-200，所以软件采用STEP7-Micro/win来进行设计。

3、完成了对设计的整个测控系统的硬件选型。根据对测控系统总体的需求分析，进行了对包括各传感器、触摸屏、CPU和扩展模块、电机以及各电器元件的型号选择。

4、完成了对测控系统所涉及软件的设计。分析了测控系统软件所需要实现的功能，基于STEP7-Micro/win设计了一套相应的测控软件，实现了实时进行数据输入和采集，对不同风速风向下风机的变桨角度以及偏航角度进行对比分析。

5、对设计的整套系统进行了经济性分析。

本套测控系统完成了对整个风力发电示教装备测控系统的设计，实现了对风机变桨、偏航以及解缆功能的模拟，完全可以满足在风电机组教学过程中的需求。

关键词：风力发电示教装备 测控系统 PLC STEP7-Micro/win

Abstract

In recent years, wind power generation has been developing continuously. However, because of wind power plants are usually remote and bulky it is necessary to develop a teaching device for wind power generation units to conduct simulation teaching.This paper mainly designs a measurement and control system of wind power teaching equipment based on PLC, and completes the test system design, hardware selection and software development.The specific work is as follows:

In the first part of the paper, systematically investigated the common system functions, components and design principles of wind power demonstration measurement and control system, and confirmed the research route.

The second part of the paper is studying the scheme of measurement and control system. Then analyzes the functions and design principles needed to be realized, and designs three different schemes. Finally, it confirms the measurement and control system scheme which takes S7-200 series PLC as the core, external bus mode as the connection, and the upper computer selects the touch screen as the display. Because S7-200 is selected for PLC, STEP7 micro / win is used for software design.

The third part of the paper completes the hardware selection of the whole measurement and control system. According to the overall demand analysis of the measurement and control system, the model selection of each sensor, touch screen, CPU and extension module, motor and electrical components was carried out.

In the fourth part of the paper, designs the software involved in the measurement and control system.Based on step7-micro /win, a set of corresponding measurement and control software is designed to realize real-time data input and acquisition, and the comparison and analysis of the variable blade Angle and yaw Angle of the fan under different wind speed and direction are carried out.

In the fifth part of the paper, analyzed the economy of the whole system .

This set of measurement and control system has completed the design of the measurement and control system of the whole teaching equipment of wind power generation, and realized the simulation of the fan's functions of changing the propeller, yaw and cable unwinding, which can completely meet the requirements of the teaching process of wind power unit.

Keywords: Wind power teaching equipment; Measurement and control system; PLC; STEP7-Micro/win

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题意义 1

1.2风力机测控系统介绍 1

1.3风力发电示教装备测控系统 2

1.3.1常见的示教装备测控系统功能 2

1.3.2常见的示教装备测控系统组成 3

1.3.3常见的示教装备测控系统设计原理 4

1.4课题内容 5

1.4.1课题内容 5

1.4.2研究路线 5

1.5本章小结.............................................................................................................................5

第二章 示教装备测控系统方案论证 6

2.1示教装备功能分析 6

2.2测控系统设计原理 6

2.3测试系统方案确认 6

2.4软件平台介绍 9

2.5本章小结 9

第三章 示教装备测控系统硬件设计 10

3.1 测控系统需求分析 10

3.2 传感器 11

3.2.1转速传感器 11

3.2.2角度传感器  12

3.2.3 风速仪 13

3.2.4风向标 15

3.3 触摸屏 16

3.3.1触摸屏介绍 16

3.3.2触摸屏选型 17

3.4电机选型 17

3.5电气元件选型 18

3.5.1 步进电机驱动器 18

3.5.2 断路器 19

3.5.3 中间继电器 19

3.5.4 变频器 19

3.5.5 开关电源 19

3.5.6 电气柜 19

3.6 PLC选型 20

3.6.1 PLC介绍 20

3.6.2 需求分析 21

3.6.3 IO口分配 21

3.6.4 选型 21

3.7 测控系统结构简图 21

3.8 测控系统电路图设计 22

3.9 本章小结 22

第四章 示教装备测控系统软件设计 23

4.1 软件功能分析 23

4.1.1测控系统功能分析 23

4.1.2 软件变量表 23

4.1.3 软件结构框图 2

4.2 上位机软件设计 24

4.3 下位机软件设计 26

4.4 软件功能实现 29

4.5 软件使用说明 29

4.6本章小结 32

第五章 经济性分析 33

结语 34

参考文献 35

致谢 37

1. 绪论

1.1课题意义

随着环境污染的加剧，还有化石燃料的过度使用带来的全球能源危机，人们逐渐把资源开发利用的重心转移到风能等可再生能源上。风能以其相对较低的成本和丰富的全球供应，已经成为最具发展前景的可再生能源之一^[1]。此外，据统计数据显示，在过去三十年中，风能是世界上增长最快的可再生能源之一^[2]。风力发电是指利用各种机械手段把风的动能先装化为机械能，再通过发电机将其转为电能。风能作为一种清洁无污染的可再生能源，很多年前人们就利用它来进行各种生产活动，以前是用来抽水灌溉或者代替人力来拉动磨盘进行磨面，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电代替火电从而节省资源减少污染^[3]。风力发电设备逐渐受到各个国家的重视，这方面的人才需要也逐渐加大。截至2015年底，全球新增风电装机容量达432.42万千瓦，过去几十年平均增长21%^[4]。随着越来越多的国家为可持续性和减少污染物排放制定紧急目标，预计这种增长势头将继续下去^[5]。但是因为风力发电设备一般地处偏远，且体积庞大，所以需要研发一款风力发电机组的示教装置用于专业人才培养、公司培训、大学校内实验等。可以通过风力发电示教设备在相对安全的情况下对风力设备有一个直观的认识和了解。为了获得足够的起动转矩和更高的输出功率，通过和垂直轴风力发电机对比现在主要进行变桨距风力发电机组的研究^[6]。其中该套示教设备的测控系统使用PLC来完成功能，可以实现变桨、偏航以及解缆等的控制功能，也要有风力发电设备需要的基本测试功能。设计该系统以满足学生教学需求，完成系统必需的教学模拟，节省教学资源，提高教学效率，达到使学生随时随地开展实验并反复操作的教学目的^[7]。

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