基于S7-1200的风电叶片混合除冰控制系统的设计

何 翼，石怀憬，丁志强

(兰州信息科技学院，甘肃 兰州 730300)

0 引言

随着化石能源的逐渐枯竭，绿色能源越来越被世界各国重视，其中风电是发展最为迅猛的发电方式之一。风力发电机组大多数都架设在高海拔、高纬度的地区，自然条件相对比较恶劣，特别是在寒冷潮湿的冬季，风机叶片非常容易结冰。叶片表面一旦覆冰，会改变叶片的外形，影响对风能的利用，进而导致发电效率下降。如果三支叶片结冰程度不同就会造成塔筒重心偏移，甚至会改变叶片的固有频率从而引起共振[1]，给机组带来安全隐患。因此，高效可靠的除冰系统对风力发电机组是非常重要且必要的，但常规除冰系统采用的除冰方式普遍单一，有明显的缺点且很难弥补。冬季是风能最丰富的时期，如果除冰系统效率低或发生故障，叶片结冰严重的情况下只能停机，给业主带来很大损失。针对这种情况，该文设计了一种基于西门子公司生产的S7-1200 PLC的风电叶片混合除冰系统，兼具了两种除冰方式的优点。

1 风电叶片除冰方式

目前，国内外各大风机设备制造厂商都根据自身风机和风电场环境的特点，采用了各种不同的叶片除冰方式，常见的有：

(1)防冰涂料

在叶片的表面涂上具有抗黏附性、超级疏水性等特性的纳米涂料，使得水或冰无法黏附在叶片表面。该方式的优势在于成本低廉，无需特殊防雷保护，易于维护，操作简单；但是防冰涂料容易老化甚至失效，需要经常维护与修补，虽一定程度内可以防止叶片结冰，可一旦叶片结冰，防冰涂料的作用通常微乎其微。

(2)机械除冰

所谓机械除冰，就是用机械方法把冰破碎，包括气囊式除冰、电脉冲震动除冰、超声波除冰等方法，其中最常见的是操作人员利用机械设备击碎覆冰，操作上费时费力。基本上，所有机械除冰的除冰效果都是事倍功半，操作不当甚至有可能给叶片带来不可逆转的损伤，影响风能采集，所以此方式也只会在结冰较轻的风场使用。

(3)加热除冰

加热除冰分为外部加热和内部加热两种方法。

外部加热利用导电材料通电之后会产生热量的性质，将特殊的电阻丝预先嵌入叶片的表面，当叶片结冰后，给电阻丝通电。随着叶片表面的热量逐渐累积，温度会逐渐升高，覆冰与叶片的结合面也会融化，覆冰在重力或离心力的作用下便可以脱离叶片。外部加热的优点是除冰效率高、速度快，但因为叶片外加导电材料，比较容易引雷，所以这种除冰方法在工程设计中必须要考虑如何防雷。另外，因为电阻丝是在叶片生产时预埋在叶身，与叶片形成一体，当风机安装之后，一旦电阻丝损坏，便很难更换，这会严重影响除冰的可靠性[2]。

内部加热是在叶片内腔通入热空气，循环流通的热风可将热量传导至叶片的表面，覆冰融化后再脱离叶片从而达到除冰效果。本质上，内部加热的目的也是提高叶片表面的温度，但是不需要在叶片表面增加容易引雷的电阻丝，只在叶片内腔单独设置发热元件和鼓风机便可以产生循环的热空气。这种方法成本相对较低且便于维护，不需要增加特殊的防雷保护装置。如果发热元件或者鼓风机损坏，维修人员进入叶片内腔即可更换。但是内部加热的除冰效果会受限于叶片材料的导热性能，一般内部加热的除冰效果往往低于外部加热。

综上所述，不论是外部加热或是内部加热，除冰效果比防冰涂料和机械除冰都要明显高很多[3]，所以加热除冰目前是最普遍的风电叶片除冰方式，特别是对结冰情况严重的风电场，几乎只能依靠加热除冰。

然而，常规的加热除冰系统只采用了外部加热或内部加热其中一种方式，效率和可靠性没有兼得。

2 混合除冰控制系统的工作原理

该文设计的除冰系统是将内部加热和外部加热两种除冰方法融合为一体的混合除冰系统[4]。一个完整的控制系统包含两个子系统，这两个子系统的加热方式不同，对叶片的加热区域也不同，两种不同的加热除冰子系统之间既相对独立，又相互配合。

外部加热除冰子系统的工作原理：在风机叶片敷埋一层碳纤维材料制成的碳布，其导电性能良好而且不改变叶片的外形，不会降低对风能的利用[5]。实际上，叶片距离叶根较近的区域对风能转换影响很小，而碳布的经济成本又高，还具有引雷效应，所以没必要对整个叶片都敷埋碳布，而只需在叶片距叶根1/3段开始往叶尖方向敷埋[6]。通常情况下，叶片的迎风面也就是前缘区域更容易结冰，而后缘区域结冰情况较轻，所以为了控制灵活并节约电能，碳布分前缘和后缘两个区域敷埋，两区域可以独立加热，如图1所示。当子系统给碳布通电时，将电能转化为内能，由于碳布和叶片表面仅间隔几层导热性能较高的玻纤布，可使叶片表面温度迅速升高从而迅速除冰。同时，在前缘碳布和后缘碳布的不同位置均埋设温度传感器，实时检测叶片表面实际温度值，防止温度过高对叶片造成损伤。

图1 碳布子系统加热区域

内部加热除冰子系统的工作原理：在叶片内腔靠近叶根区域设置热风加热除冰设备[7]，主要有加热器、鼓风机和热风管道，如图2所示。当子系统工作时，鼓风机将加热器产生的热量通过管道送至整个叶片内部，热空气从叶根到叶尖循环流通，图中黑色箭头为热空气经过鼓风机和加热器后在管道和叶片内腔的传输方向。热量通过叶片的本体材料传到表面，叶片表面温度提升从而达到除冰目的[8]。同时，在叶片内腔不同位置均埋设温度传感器，实时检测叶片内部实际温度值，防止温度过高对叶片内部造成损伤。

图2 热风子系统加热区域

混合除冰控制系统以外部加热为主，内部加热为辅。当系统检测到叶片有覆冰时，优先启动碳布子系统对叶片进行除冰，如果外部加热系统出现故障无法除冰，再启动热风子系统。混合除冰控制系统不仅能够在风机叶片结冰时迅速、彻底地去除覆冰，而且还能在一个子系统出现故障时另一个子系统继续独立承担除冰工作。相比普通单一的除冰方式，该系统虽然增加了设备，但热风除冰子系统作为碳布除冰子系统的补充，在保证除冰效率的同时还可以提高除冰系统的可靠性。

另外，系统还增加了防冰功能。由于热风系统便于维护和维修，其可以独立承担防冰任务。当系统接收到的环境温度、湿度和风速等参数，结合相关数据判断出叶片处于容易结冰的状态，即启动热风子系统对三支叶片同时进行加热以防止结冰[9]。

3 混合除冰控制系统的硬件设计

3.1 系统结构

风电叶片混合除冰系统分为碳布加热除冰系统和热风加热除冰系统，两个子系统相互独立并分别由两台PLC控制。

因为风电滑环的容量所限，每支叶片都需要设置一台碳布叶根柜和一台热风叶根柜，两个柜体的体积、重量基本一致，对称并稳固地安装在叶片根部的复合材料挡板上，如图3所示。两台PLC对其加热元件进行控制，对叶片温度的监测全部通过叶根柜内的输入/输出模块实现。叶片的防雷保护也设置在叶根柜内。

图3 叶根柜安装位置

系统结构如图4所示，混合除冰系统与主控系统相互通信，任何一个子系统出现故障或者停止工作都不会影响主控系统的运行，对机组的安全没有影响。

图4 系统结构示意图

风电主控系统的机舱控制器通过结冰探测器获得结冰信号，操作人员也可通过HMI手动下达指令。碳布PLC接收到启动或停止指令后，通过碳布叶根柜，控制碳布开始加热或者停止加热；热风PLC接收到启动或停止指令后，通过热风叶根柜，控制鼓风机和加热器的工作状态。

3.2 硬件设计

风电叶片混合除冰控制系统的硬件电路设计如图5所示，三支叶片均有相互独立的碳布除冰方式和热风除冰方式。

图5 混合除冰控制系统电路

风机机舱内设置有一台除冰机舱控制柜，两台PLC都装置在此柜内。碳布PLC和热风PLC同时接收机舱控制器的指令，并且分别通过滑环与碳布叶根柜、热风叶根柜里的输入/输出模块通信，对两个子系统进行控制与监测[10]。

除冰系统所需的交流690 V加热电源来自于机舱配电柜，在除冰机舱控制柜里分为两路，分别通过由碳布PLC和热风PLC控制的断路器Q1和断路器Q2后，再通过滑环向三支叶片的除冰电路提供电源。每个加热元件的电源开关设置在叶根柜内。

3.3 结冰探测器

该设计将德国Sommer公司的棒形结冰传感探测器IDS-20安装在发电机机舱顶部。冰的形成和增加取决于特定的气候条件，即空气温度、湿度以及所附着物体的表面温度。IDS-20利用不同频率的空气、水和冰的不同物理特性，通过测量周围介质的复杂阻抗，从而判断环境是否结冰。其优点有：①能够区分冻雨和结冰；②覆冰厚度探测范围广，为0.01～80.00 mm；③工作温度为-40～+60 ℃；④免维护运行，低功耗；⑤具有防雷、过电压保护；⑥抗干扰能力强；⑦通信方式为RS485(MODBUS协议)。

3.4 PLC选型

碳布子系统和热风子系统的控制器均选用西门子的模块化小型PLC S7-1200，其主要由CPU模块、存储器、I/O模块、通信模块、电源模块等组成，优点是功能强大、设计紧凑且易于扩展。中央处理单元是PLC的核心，文中选用CPU1215C，自带14点数字量输入，10点数字量输出，2路模拟量输入和2路模拟量输出，集成1个以太网接口，板载6个高速计数器和4个脉冲数出，频率可达100 kHz。通信模块选用带有RS485/RS232接口的CM1241，接口波特率设为9.6 kb/s，为点对点的串行通信提供连接。扩展模块采用8入8出的数字量输入输出SM1223 DC/RLY模块，用于I/O点的扩展。

4 混合除冰控制系统的软件设计

风电叶片混合除冰控制系统在Step-7 Micro/ Win软件平台上进行设计，由主程序、碳布除冰子程序和热风除冰子程序三部分构成。

4.1 主程序设计

主程序对整个系统的运行状况进行监控，当系统启动后，系统开始处于等待接收指令的状态，可根据不同的输入信号调用相应的子程序。当主控制程序调用相应子程序指令时，子程序执行相应程序指令直至结束，然后系统将返回主程序等待下一次输入信号的到来。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

风机任一叶片有覆冰时，结冰探测器输出信号为1，则向碳布PLC或者热风PLC发出启动指令，一个除冰周期开始。根据设定的逻辑，当达到一定时间后，再发出停止指令，这个除冰周期便结束。间歇30 min之后机舱控制器再继续判断叶片是否需要除冰，反复循环。

当机舱控制器接收到环境温度、湿度和风速数值后，结合数据综合判断出叶片需要防冰，则向热风PLC发出启动指令。

当除冰条件和防冰条件同时满足时，主程序只执行除冰模式。

4.2 碳布除冰子程序设计

碳布除冰子程序流程如图7所示。当碳布PLC收到机舱控制器的启动指令后，如果所有前缘温度传感器的温度低于设定值，碳布PLC通过每台碳布叶根柜的输入/输出模块，同时闭合三支叶片的前缘碳布加热电源开关，碳布开始对叶片前缘加热。当某叶片任一前缘温度达到上限时，碳布控制器断开对应碳布叶跟柜内的加热电源开关，此碳布停止加热；此叶片所有前缘温度再次低于设定值时，前缘碳布重新加热。后缘碳布也执行相同的逻辑。在一个除冰周期内，每支叶片的碳布加热是反复循环的。因为叶片之间物理特性存在差异，温度变化不一定相同，所以在同一时刻三支叶片的碳布加热状态也不一定相同。当碳布PLC收到机舱控制器的停止指令后，同时对三支叶片的所有加热电源开关发出断开指令，碳布除冰系统停止加热。

图7 碳布除冰子程序流程图

4.3 热风除冰子程序设计

热风除冰子程序流程如图8所示。当热风PLC收到机舱控制器的启动指令后，如果所有内腔温度传感器的温度低于设定值，系统按照设定顺序依次投入三支叶片的鼓风机电源开关，之后三支叶片的加热器电源开关再按照同样的顺序依次投入。当某叶片内任一温度传感器达到上限时，热风PLC把对应热风叶根柜的加热器电源开关断开，加热器停止加热，而鼓风机继续工作；当所有温度反馈重新低于下限时，加热器再度投入。在一个除冰周期内，反复循环。因为每支叶片的物理特性存在差异，温度变化不一定相同，所以在同一时刻三支叶片的加热器工作状态也不一定相同。当热风PLC收到机舱控制器的停止指令后，首先按照设定顺序断开三台热风叶根柜内的加热器电源开关。延时一段时间之后，三支叶片的鼓风机电源开关再同时断开，这可以防止加热器剩余的热量损坏叶片。为了提高热风系统的可靠性，设计了两个加热器，加热器1为主，加热器2为备用。

图8 热风除冰子程序流程图

5 结论

通俗意义上讲，碳布除冰子系统即在不破坏叶片翼型的前提下给叶片铺了一层“电热毯”，效率高但可靠性较低，而且成本高；热风除冰子系统相当于给叶片内部装设了“电吹风”，可靠性高，成本低但效率也较低。该文设计了一种混合除冰系统，即让风机叶片同时拥有这两种除冰方式，两套除冰子系统分别对叶片的不同区域进行加热除冰，既相互独立，又有主次关系，以碳布加热为主，热风加热为辅，不仅能保证除冰效率，还可以提高除冰系统的可靠性。