4.1 Преимущества и Недостатки систем ориентации ветроколес на направление ветра
Вышеупомянутые системы ориентации ветроколес на направление и скорость ветра, несмотря на свое широкое распространение и наличие ряда достоинств, не всегда способны обеспечить необходимые условия для генерации возможного уровня электроэнергии.
Так, способ ориентации ветроколес на направление ветра при помощи хвостового оперения получил широкое распространение на ветроагрегатах малой мощности. Он обеспечивает высокую точность ориентации, достаточно простую конструкцию механизма ориентации, а также разгружает башню от скручивающих моментов, что позволяет предотвратить неблагоприятные последствия использования энергии ветра. Однако некоторые недостатки ограничивают область применения механизма хвостовой ориентации. Повышенная скорость поворачивания головки, увеличение массы конструкции, а также возникновение определенных сложностей в уравновешивании ветроустановки являются отрицательными характеристиками данного вида устройства.
На ветроагрегатах небольшой и средней мощности в качестве устройства ориентации на направление ветра используются виндрозы, которые, в отличие от хвостового оперения, обладают малой металлоемкостью конструкции, что обеспечивает компактность механизма ориентации, высокую чувствительность, а также малую скорость переориентации на направление воздушных масс.
Быстрота переориентации ветроколеса является необходимым условием для выработки максимума электроэнергии, что и является основной задачей ветроустановок, однако она влечет за собой и негативные явления. Конструкция ветроагрегата значительно усложняется, появляются скручивающие моменты, которые могут повлечь за собой необратимые последствия. Поэтому необходимо применять меры по снижению скручивающих моментов и, по возможности, упрощению конструкции ветроагрегатов.
Отсюда следует, что данные устройства не удовлетворяют всем необходимым требованиям надежности, устойчивости и качества выполняемых задач. Возникает необходимость создания устройства, обладающего принципиальными отличиями от вышеописанных и особенностями, которые позволят расширить круг решения задач.
4.2 Задачи, стоящие перед автоматизированной системой управления
Основными задачами, которые должны быть реализованы при помощи проектируемого устройства, являются:
1. «Ловля» ветра;
2. Определение уровня скорости (от max до min);
3. Запуск генератора;
4. Остановка генератора.
Движение воздуха относительно земной поверхности называется ветром. Как правило, имеется в виду горизонтальная составляющая движения. Ветер характеризуется вектором скорости. Известно, что всякий вектор определяется абсолютной величиной и направлением. Когда говорят о скорости ветра, имеют в виду только числовое ее значение, т. е. путь, проходимый индивидуальным объемом воздуха за единицу времени относительно земной поверхности. Направление вектора скорости называется направлением ветра.
Метеорологическое направление ветра указывает азимут точки, откуда дует ветер, тогда как аэронавигационное направление ветра — куда дует. Таким образом, значения различаются на 180°.
Задача «ловли» ветра состоит в определении, отображении и фиксации направления ветра в течение промежутка времени, а также повороте обтекателя параллельно набегающей воздушной струе, что позволяет по максимуму использовать энергию ветра для выработки большего количества электроэнергии. Определение точного направления воздушного потока позволяет избежать такого неблагоприятного для данной системы явления, как инерционность, а также «рыскания», характерного для виндроз и хвостового оперения. Система, фиксирующая точное направление ветра, должна поворачиваться в необходимое положение без нахождения в промежуточных состояниях. Такая четкость в определении нужного направления позволяет сократить механические нагрузки на подшипники и другие узлы системы, что продлевает срок службы ветроагрегата без замены элементов.
Как отмечалось ранее, одной из наиболее важных характеристик ветра является его скорость. Различают сглаженную скорость ветра, т. е. некоторую среднюю величину скорости за определенный, обычно небольшой промежуток времени, в течение которого производятся наблюдения, и мгновенную скорость ветра в данный момент (измеряемую прибором, обладающим наименьшей инерционностью). Мгновенная скорость ветра отмечает порывы и внезапное ослабление ветра. Она очень сильно колеблется около сглаженной скорости, временами может быть значительно меньше или больше ее. На метеорологических станциях обычно измеряют сглаженную скорость ветра.
Скорость воздуха является весьма важным параметром состояния атмосферы и одной из главных характеристик воздушного потока, которую необходимо учитывать при проектировании, монтаже, наладке и контроле ветросистем.
Лопасти ветрогенератора начинают вращаться и приводить в движение вал генератора даже при незначительной силе ветра. Такая чувствительность ветроустановок не всегда приводит к установлению требуемого режима работы ветрогенератора. Поскольку ветер может не достигать требуемого уровня скорости, то на валу генератора не может развиться достаточный для выработки электроэнергии вращающий момент. Это ведет лишь к дополнительным нагрузкам на механические узлы ветроустановки, изнашиванию элементов конструкции.
Территория Республики Беларусь отличается нестабильностью погодных условий и, следовательно, неравномерностью распределения воздушных масс. Однако возможность создания благоприятных условий для стабильной работы ветроэлектростанций все же существует. Для этого необходимо знать не только ветроэнергетический ресурс местности, но и мгновенные и сглаженные значения скорости ветра, благодаря которым появляется возможность управлять ветроустановкой.
Задачей проектируемой системы является запуск в работу электростанции. Он должен происходить не произвольно, а при достижении ветром минимально допустимой скорости. Такое решение позволит избежать непроизвольных колебаний лопастей ветроколеса, снизить механические нагрузки, повысить КПД ветростанций.
При возникновении порывистых ветров, шквальных осадков, штормовых предупреждений система должна реагировать должным образом. Так при достижении критических значений скорости ветра система должна автоматически обеспечивать поворот лопастей во флюгерное положение, предотвращая разгон колеса и предохраняя ВЭУ от повреждений и снижая нагрузки на ветроколесо. Данный вариант является наиболее безопасным для защиты ветроустановок от нагрузок, превышающих допустимые. Другие методы, связанные с созданием противодействующего момента за счет торможения генератором являются потенциально опасными как для ВЭУ, так и для жизни людей.
Таким образом, проектируемая система должна обладать характеристиками, позволяющими одновременно решать задачи разного характера. Она должна учитывать и мгновенно реагировать на суточные изменения направления ветра, определять значения мгновенной и сглаженной скорости, а также вырабатывать сигналы на исполнительные органы в соответствии с заданными условиями и требованиями.
4.3 Аппаратная реализация системы
4.3.1 Обоснование выбора ПЛК
Наиболее оптимальным методом решения поставленной задачи является создание системы на базе контроллера, поскольку контроллеры широко распространены повсеместно и на сегодняшний момент решают множество задач автоматизации. Огромное разнообразие целей автоматизации привели к невозможности создания универсального ПЛК. Область автоматизации выдвигает множество задач, в соответствии с которыми развивается и рынок, содержащий сотни непохожих друг на друга контроллеров, различающихся десятками параметров. Каждый производитель выпускает несколько типов ПЛК разной мощности и стоимости, чтобы увеличить прибыль за счет сегментирования рынка.
Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму, с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства.
Рисунок 4.1 – Упрощенный принцип работы контроллера
Принцип работы ПЛК несколько отличается от «обычных» микропроцессорных устройств. Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть - это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т.е. управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд.
Рисунок 4.2 - Архитектура ПЛК
ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных. Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:
1. Опрос входов;
2. Выполнение пользовательской программы;
3. Установку значений выходов;
4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).
Выполнение 1 фазы обеспечивается системным программным обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, той программе, которую пользователь сам записал в память, по этой программе контроллер выполняет ряд возложенных на него задач, а по завершению управление опять передается системному уровню. За счет этого обеспечивается максимальная простота построения прикладной программы – ее создатель не должен знать, как производится управление аппаратными ресурсами. Необходимо знать с какого входа приходит сигнал и как на него реагировать на выходах.
Спектр продукции, предлагаемой сегодня, чрезвычайно широк. Для правильного выбора контроллера следует проанализировать их характеристики, сравнить результаты и определить наиболее оптимальный вариант для выполнения той или иной задачи.
Simatic S7-300 — семейство контроллеров средней производительности фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации Simatic S7. В линейке контроллеров этого семейства по своей производительности занимает промежуточное положение между семействами S7-200 и S7-400. Количество поддерживаемых входов и выходов до 65536 дискретных/4096 аналоговых каналов. Конструкция контроллера модульная, модули монтируются на профильной шине (рельсе).
Рисунок 4.3 – Общий вид ПЛК Simatic S7-300
Simatic S7-300 — программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Основные особенности контроллера:
- модульная конструкция, монтаж модулей на профильной шине (рельсе);
- естественное охлаждение;
- применение локального и распределенного ввода - вывода;
- возможности коммуникаций по сетям MPI, Profibus Industrial Ethernet/PROFInet, AS-i, BACnet, MODBUS TCP;
- поддержка на уровне операционной системы функций, обеспечивающих работу в реальном времени;
- поддержка на уровне операционной системы аппаратных прерываний;
- поддержка на уровне операционной системы обработки аппаратных и программных ошибок;
- свободное наращивание возможностей при модернизации системы;
- возможность использования распределенных структур ввода-вывода и простое включение в различные типы промышленных сетей.
Основные типы применяемых модулей:
- Источники питания (PS), служащие для преобразования переменного напряжения 120/230 В или постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В в постоянное напряжение 24 В, не обязательны, так как контроллер может запитываться от любого источника постоянного напряжения +24 В;
- центральные процессоры (CPU), отличающиеся производительностью, объёмом памяти, наличием встроенных входов-выходов и специальных функций, встроенными коммуникационными интерфейсами и т.д.;
- сигнальные модули (SM) для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов;
- коммуникационные процессоры (CP) для включения в различные типы промышленных сетей;
- функциональные модули (FM), решающие отдельные типовые задачи автоматизации, позволяют разгрузить центральный процессор, или решают задачи, с которыми тот не может справиться из-за недостаточного быстродействия. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае остановки центрального процессора программируемого контроллера;
- интерфейсные модули (IM) позволяют объединить несколько стоек, составляющих одну станцию.
Данный тип модульного программируемого контроллера применяется для решения задач автоматизации различного уровня сложности. С его помощью можно реализовать и задачи автоматизации управления миниветроэлектростанциями, поскольку он обладает наиболее широким диапазоном рабочих температур (от -250С до +600С) по сравнению с контроллерами других производителей, выполняет возложенные на него функции при относительной влажност воздуха от 5 до 95%, что немаловажно в условиях эксплуатации ветроустановок. Гарантийный срок эксплуатации превышает сроки эксплуатации контроллеров других производителей и достигает 3 лет.
4.3.2 Обоснование выбора анемометра – датчика направления и скорости ветра
Датчик ветра «М127-М-01» применяется для измерения направления ветра и его скорости и входит в состав метеостанций и аппаратуры измерительных дистанционных приборов. Работа датчика М-127-М-01 приводит к преобразованию скорости и направления ветра в частоту следования электрических импульсов.
Рисунок 4.4 – Общий вид анемометра М127-М-01
Датчики М127-М-01 имеют интерфейс RS-485, что позволяет подключать его непосредственно к ПК либо, в нашем случае, к ПЛК. Программное обеспечение для ПЛК позволяет производить визуальный контроль за направлением ветра и его скоростью, выводить данные на дисплей, производить обработку результатов, в частности усреднять значения, полученные о направлении ветра и его скорости с произвольным выбором периода усреднения. Условия работы: относительная влажность воздуха до 98%; температура от -50 до +50 град.
Технические характеристики датчика направления и скорости ветра приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Технические характеристики М-127М-01
| Характристики | Значения |
| Диапазоны преобразования: - скороcти ветра - направления ветра | от 1,5 до 60 м/сек. от 0 до 360 0С |
| Основная погрешность преобразования не более: - при измерении скорости ветра, м/с - при измерении направления ветра | ±(0,5+0,05V), где V - скорость ветра ±10 0C |
| Питание | источник постоянного тока напряжением 12 B. |
| Потребляемая мощность | 15 Вт. |
| Порог чувствительности датчика - по скорости ветра - по направлению ветра | 0,8 м/сек. 1,2 м/сек. |
| Габаритные размеры | 635 х 290 х 695 мм. |
| Масса | 5,8 кг. |
4.4 Принцип управления работой автоматизированной системы
Для правильной и корректной работы системы необходимо синхронизировать работу всех узлов и блоков, выполнить монтаж аппаратной части и оптимизировать работу программы.
В данной работе особое внимание уделяется аппаратной реализации системы, затрагивая вопросы, касающиеся алгоритма работы программы. Однако задача программирования и отладки программы ПЛК не ставится.
Выбор места установки датчика направления и скорости ветра определяется, исходя из условий его безошибочного и согласованного функционирования. Наиболее подходящей зоной установки является верхняя часть гондолы, поскольку здесь отсутствуют препятствия для прохождения и искажения скорости и направления ветра.
Данные о направлении и скорости ветра, получаемые и преобразуемые датчиком, поступают на входы ПЛК. Кроме того, для устранения рассогласований в работе системы, контролируются также и другие узлы системы. На входы ПЛК поступают сигналы о текущем положении гондолы, ее относительные координаты, а также значение текущей скорости вращения вала генератора. Полученная информация интерпретируется в форму, необходимую для ее обработки в ПЛК. В памяти ПЛК записана программа, определяющая основную последовательность действий системы. Программа включает в себя критические значения скоростей ветра, а именно минимальную и максимально возможную, рассчитывает координаты текущего положения гондолы в зависимости от направления ветра, а также содержит набор команд, посылаемых на устройство управления в соответствии с заданным алгоритмом.
Рисунок 4.5 – схема реализации принципа работы автоматизированной системы
4.5 Алгоритм работы программы
При отсутствии ветра система находится в режиме ожидания. Контроллер рассчитывает и выводит на дисплей текущее значение координат определенной точки (набора точек) гондолы ветроустановки. При возникновении направленных воздушных масс (ветра) датчик направления и скорости ветра улавливает изменения и передает информацию на входы контроллера. Программа ПЛК анализирует направление ветра, рассчитывает значение координат, в которые следует перевести контрольную точку гондолы, сравнивает значение этих координат с текущими, и в итоге подает команду на перемещение гондолы в требуемое положение.
Значения скорости ветра, поступающие от входов ПЛК, в программе сравниваются с минимально допустимым значением установленной скорости. В том случае, если это значение не превышает установленное, контроллер выдает команду на бездействие, т.е. лопасти ветрогенератора остаются в прежнем положении без движения, вал генератора не вращается и выработка электроэнергии невозможна. При достижении ветром минимального порогового значения, установленного в программе, контроллер подает команду на начало вращения лопастей ветрогенератора, что приводит во вращение вал генератора, вследствие чего начинается выработка электроэнергии.
Задача увода от ветра реализуется следующим образом. Как и в предыдущем случае, при возникновении ветра программа ПЛК анализирует поступающий сигнал и сравнивает его с заданным предельным максимальным значением. При удовлетворительной силе ветра задача программы ПЛК сводится к выработке сигнала на нормальный режим работы. Однако при превышении порогового значения, программа ПЛК, сравнивая текущие координаты контрольной точки с направлением порывистого ветра, вырабатывает команду на увод гондолы ветроустановки от шквалистого ветра, путем перевода ее во флюгерное положение.
Для устранения ошибки регулирования предусмотрена обратная связь, которая позволяет корректировать значения текущих параметров скорости с требуемыми. Такая система обеспечивает высокую стабильность и надежность работы системы, позволяет избежать «лишних» движений со стороны гондолы и лопастей ветроустановки
ЭКОНОМИКА
5.1 Определение единовременных затрат на создание автоматизированной системы
Единовременные капитальные затраты представляют собой цену автоматизированной системы (АС). Различают оптовую и отпускную цены. Все расчеты между покупателем и продавцом продукции, к числу которой относят и автоматизированные системы, производятся на основе отпускных цен. В настоящее время в соответствии с законодательством РБ в отпускную цену наряду с оптовой ценой включается налог на добавленную стоимость.
Определяющим фактором оптовой цены разработки является трудоемкость создания АС.