雙接近開關(guān)代替編碼器實(shí)現(xiàn)偏航角度測量功能的方案研究

趙宏偉

摘要：文中針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)主控系統(tǒng)的偏航角度測量的方案進(jìn)行了探討，文章本著節(jié)約主控系統(tǒng)硬件成本，優(yōu)化技術(shù)方案的目的，給出了替代原來的靠編碼器測量偏航角度的一種可行的替代方案。文中技術(shù)方案已經(jīng)在實(shí)踐中有了較好的應(yīng)用，文中僅供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;主控系統(tǒng);偏航系統(tǒng);編碼器;偏航角度;接近開關(guān)

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）02-0133-02

0引言

本方案是用兩個(gè)圓柱型的接近開關(guān)代替旋轉(zhuǎn)編碼器，并靠主控系統(tǒng)軟件進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算來完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度的跟蹤測量。

本方案節(jié)約了系統(tǒng)的硬件成本，而且安裝簡易，目前已有多家廠商采用此技術(shù)，如德國MITA。

1原理

這個(gè)裝置由兩個(gè)距半個(gè)齒間隔（只要能產(chǎn)生如下波形的距離均可）的圓柱形接近開關(guān)組成，其安裝在內(nèi)齒側(cè)，安裝距離是當(dāng)齒輪經(jīng)過時(shí)能感應(yīng)到該對(duì)應(yīng)齒輪經(jīng)過的信號(hào)，當(dāng)其經(jīng)過后該信號(hào)隨之消失。當(dāng)偏航動(dòng)作后，由這兩個(gè)接近開關(guān)來記錄所經(jīng)過偏航齒圈上的齒數(shù)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算來識(shí)別偏航角度。

現(xiàn)在解析如下：當(dāng)偏航運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)接近開關(guān)發(fā)出一組格雷碼方式的信號(hào)，信號(hào)波形如圖1所示。

由上圖可以看出這兩個(gè)開關(guān)有下列的四種狀態(tài)，這四種狀態(tài)顯示了一個(gè)完整的循環(huán)周期。同時(shí)它也表示經(jīng)過這樣的一個(gè)周期后，偏航轉(zhuǎn)過了一個(gè)相應(yīng)的齒輪齒。其對(duì)應(yīng)的四種狀態(tài)如下：

LL（0，0）

HL（1，0）

HH（1，1）

LH（0，1）

注：接近開關(guān)檢測到被測物時(shí)信號(hào)為1，沒有檢測到被測物信號(hào)為0。

以上這四種狀態(tài)是按著特定的規(guī)律發(fā)生的，在偏航過程中只能從一種狀態(tài)進(jìn)行到它前后相臨的狀態(tài)，而不能發(fā)生跳變，狀態(tài)序列如圖2所示。

如果產(chǎn)生以上的變化（ERROR）代表著偏航記數(shù)系統(tǒng)已經(jīng)有問題出現(xiàn)，需要激活程序中對(duì)應(yīng)的報(bào)警代碼。

而偏航方向由四種狀態(tài)變化的時(shí)序來確定，當(dāng)由小到大變化（如1→2），表示CW方向，那么當(dāng)由大到小變化（如2→1）則表示CCW方向。當(dāng)由小到大變化（如1→2），表示CCW方向，那么當(dāng)由大到小變化（如2→1）則表示CW方向。

當(dāng)這四種狀態(tài)按由大到小或者由小到大的順次連續(xù)變化一個(gè)周期后就代表有一個(gè)對(duì)應(yīng)的齒輪齒數(shù)經(jīng)過。根據(jù)經(jīng)過的齒輪齒數(shù)就可以判斷偏航的角度和方向。

除去以上這兩個(gè)接近開關(guān)外，系統(tǒng)還應(yīng)該配置三個(gè)限位開關(guān)。從硬件上檢測偏航的左右極限，和原點(diǎn)位置（電纜處于完全解纜狀態(tài)的位置）。

2硬件說明

其硬件原理圖紙如圖3。

現(xiàn)分析如下：

SS1：手動(dòng)偏航/自動(dòng)偏航轉(zhuǎn)換開關(guān)

SS2：手動(dòng)正向偏航/手動(dòng)回原點(diǎn)/手動(dòng)反向偏航轉(zhuǎn)換開關(guān)

K1K2：由PLC輸出控制的自動(dòng)偏航正向和反向繼電器

K3K4：偏航電機(jī)正反向控制接觸器

K5：手動(dòng)偏航液壓抱閘閥打開繼電器

S1：正向偏航限位開關(guān)（反饋點(diǎn)進(jìn)PLC）

S2：反向偏航限位開關(guān)（反饋點(diǎn)進(jìn)PLC）

S30點(diǎn)位置檢測開關(guān)（反饋點(diǎn)進(jìn)PLC）

系統(tǒng)分別可以在手動(dòng)偏航和自動(dòng)偏航兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)下完成。手動(dòng)偏航只受兩個(gè)限位開關(guān)的控制。3軟件說明

采用狀態(tài)機(jī)的算法，每個(gè)狀態(tài)遷移有兩種方式，相臨的增1和減1。

由兩個(gè)接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)偏航控制的程序如下（twincat10.0）：

程序內(nèi)容：

FB形式：

功能塊

描述如下：

SENSOR1：偏航記數(shù)器接近開關(guān)I

SENSOR2：偏航記數(shù)器接近開關(guān)1

RESET：偏航記數(shù)器復(fù)位點(diǎn)，將各記數(shù)值清0CURRENT_VALVE：當(dāng)前記數(shù)值。

DIRECTION：1表示正向偏航進(jìn)行中;2示反向偏航進(jìn)行中;3表示位于偏航0點(diǎn)。

RES：0表示偏航記數(shù)狀態(tài)正常;1表示偏航記數(shù)錯(cuò)誤。

系統(tǒng)如果重新上電后需要手動(dòng)調(diào)整0點(diǎn)位置。軟件RESET也需要重新觸發(fā)。

對(duì)SENSORI和SONSOR2兩個(gè)接近開關(guān)信號(hào)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝的情況需要進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理，比如可以采用低高通的軟件濾波器。濾波的依據(jù)根據(jù)偏航一周的齒輪數(shù)和偏航的速度進(jìn)行調(diào)整。

補(bǔ)充說明：

現(xiàn)在實(shí)行的偏航角度測量形式有四種形式：

絕對(duì)值編碼器，增量編碼器，凸輪計(jì)數(shù)器（一個(gè)10一千歐姆的環(huán)形電阻，風(fēng)機(jī)通過電阻的變化，確定風(fēng)機(jī)的偏航角度并通過其電阻的變化計(jì)算偏航的速度）和文中說明的兩個(gè)接近開關(guān)的方式。

在實(shí)際的應(yīng)用過程中絕對(duì)值編碼器的方式應(yīng)該是最為準(zhǔn)確，穩(wěn)定。其次是增量編碼器，凸輪計(jì)數(shù)器，最后是兩個(gè)接近開關(guān)的方式。采用后兩者增加了在軟件的編程中要考慮的因素。特別是兩個(gè)接近開關(guān)的形式，對(duì)安裝位置和軟件編程都提出了高的要求。

在實(shí)際應(yīng)用我覺得采用兩個(gè)接近開關(guān)+凸輪記數(shù)器的方式性價(jià)比較高。可以進(jìn)行相互的校驗(yàn)，進(jìn)行故障檢測。

參考文獻(xiàn)

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