風(fēng)力發(fā)電機組中的自動化程度正在不斷地提升。除了主控系統(tǒng)外，在線監(jiān)測和風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮著越來越重要的作用。許多傳統(tǒng)控制器的供應(yīng)商遇到了無法逾越的性能瓶頸。其解決辦法就是自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)以一套科學(xué)方法為基礎(chǔ)，將所需的測量設(shè)備集成到標(biāo)準(zhǔn)控制架構(gòu)中。
Beckhoff科技自動化技術(shù)將高性能工業(yè)PC或嵌入式控制器、高確定性的EtherCAT現(xiàn)場總線系統(tǒng)和智能軟件完美整合于一體，這些組件也是在對風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行自動化改造所不可或缺的。風(fēng)力發(fā)電機組制造商們想要使用相同的系統(tǒng)完成控制任務(wù)、監(jiān)控、電網(wǎng)同步和系統(tǒng)間通信，需要的是應(yīng)用在控制器上的復(fù)雜狀態(tài)監(jiān)測算法，為此使用多核 CPU的優(yōu)勢就顯而易見了。目前，Beckhoff推出了新型CX2000系列，這些功能強大的CPU是風(fēng)力發(fā)電機組制造商們所喜愛的導(dǎo)軌安裝式、嵌入式控制器。CX2000系列采用的是Intel Sandy Bridge處理器。除此之外，還有經(jīng)濟型Sandy Bridge Celeron、Intel Core i7處理器可供用戶選擇,配備了1.5GHz處理器（雙核）的CX2030系列采用了無風(fēng)扇設(shè)計，因為沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此運行非常穩(wěn)定。
必須使用合適的軟件才能充分發(fā)揮這些控制器的性能優(yōu)勢。這就是為什么要使用 Beckhoff TwinCAT 3控制軟件的原因。TwinCAT 3的實時環(huán)境使得任意數(shù)量的PLC、安全PLC和C++任務(wù)都能在同一個或不同的CPU內(nèi)核上執(zhí)行。
TwinCAT 3狀態(tài)監(jiān)測庫
最新的TwinCAT 3狀態(tài)監(jiān)測軟件庫提高了選項利用率。通過快速任務(wù)記錄原始數(shù)據(jù)，然后通過慢速任務(wù)進(jìn)行下一步處理，這樣可持續(xù)記錄需測量的數(shù)據(jù)，最后通過諸如功率譜（圖1）、峰態(tài)、波峰因數(shù)及包絡(luò)譜等算法進(jìn)行分析。用戶無須擔(dān)心任務(wù)間的通信，因為狀態(tài)監(jiān)測庫（圖2）會自動對其進(jìn)行處理。軟件庫中各個功能塊產(chǎn)生的結(jié)果會被記錄到全局轉(zhuǎn)移托盤（一種內(nèi)存表）中。在全局轉(zhuǎn)移托盤中，結(jié)果會被復(fù)制給變量或借助其他算法進(jìn)行下一步處理。這樣，用戶便可以配置他們自己的測量和分析。
特別在風(fēng)電行業(yè)、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)等領(lǐng)域，必須對這類開發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行大量的測試和仿真，因為一旦投入運行，在現(xiàn)場進(jìn)行修改和升級就會相當(dāng)耗時，且成本也較高。若要節(jié)省時間和開發(fā)成本，可以使用Matlab/Simulink對源代碼進(jìn)行實時仿真。通過這種方式，很多問題在試運行前就可以檢測到并進(jìn)行相應(yīng)修正。在為TwinCAT 3 Run-Time環(huán)境創(chuàng)建Matlab/Simulink模型時，無需使用Beckhoff的特殊組件或?qū)υ寄Ｐ瓦M(jìn)行其他修改。Matlab及Simulink編譯器會自動生成C++代碼，然后C++代碼會被編譯到TwinCAT 3模型中。通過實例化，用戶可以輕松地重新使用模塊。例如，用戶可以在TwinCAT中直接看到設(shè)置斷點的Simulink框圖。
除了TwinCAT 3的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和Matlab/Simulink集成包之外，TwinCAT Scope（圖3）還實現(xiàn)了科技自動化軟件所有相關(guān)信號的可視化。TwinCAT Scope由兩個組件構(gòu)成，其中的View組件用于以圖表的形式顯示信號，Server組件用于將數(shù)據(jù)記錄在目標(biāo)設(shè)備中。TwinCAT 3安裝文件通常包括基本版的Scope，這特別適合用于系統(tǒng)調(diào)試。Scope能夠讓用戶以圖形化方式快速概覽設(shè)備狀態(tài)。使用不同的光標(biāo)可以精確讀取測量數(shù)據(jù)，其精度甚至可以達(dá)到微秒級范圍。如果數(shù)值范圍較大，可切換至對數(shù)顯示。Scope產(chǎn)品實現(xiàn)了許多額外的功能，例如長期記錄或集成在.NET可視化軟件中。所有級別的Scope產(chǎn)品都可顯示EtherCAT測量端子模塊的超采樣值。
EntherCAT的高精度測量技術(shù)
EtherCAT作為一個高速、實時總線系統(tǒng)進(jìn)一步完善了Beckhoff科技自動化解決方案。EtherCAT不僅是成熟的控制現(xiàn)場總線，而且也是測量現(xiàn)場總線。只有這種基于以太網(wǎng)且具有高度確定性的高速現(xiàn)場總線協(xié)議才能實現(xiàn)諸如狀態(tài)監(jiān)測集成等復(fù)雜應(yīng)用。EtherCAT功能原理決定了其有用數(shù)據(jù)傳輸率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過90%的全雙工高速以太網(wǎng)，且總線周期時間僅為幾微秒。連同前面提到的超采樣功能及將數(shù)值直接緩存在EtherCAT從站中，采樣率可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實際的總線周期。例如，數(shù)字量輸入端子模塊EL1262能夠以高達(dá)100萬采樣點/s的速度掃描信號。EtherCAT端子模塊EL3702能夠以16bit的分辨率和高達(dá)100kHz的頻率采樣±10V模擬量信號。EtherCAT從站中的分布式時鐘能夠確保整個網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時間上保持同步。抖動被顯著降低到小于1μs，甚至常常會小于100ns。
寬廣的采樣范圍
EL3632是一種EtherCAT超采樣端子模塊。該端子模塊適合用于狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，在實際應(yīng)用中，振動必須通過加速度傳感器或麥克風(fēng)進(jìn)行采樣。帶IEPE（壓電集成電路）接口的壓電傳感器可直接連接到雙通道端子模塊上，無需前置放大器?；诓煌燃壍挠布V波，可以實現(xiàn)0.05Hz~50kHz的信號采樣頻率。EL3632的操作原理與EL3773的操作原理相同。
EL3773是一款電力監(jiān)測端子模塊，使用超采樣技術(shù)采樣原始電網(wǎng)數(shù)據(jù)，而不是原始振動數(shù)據(jù)。電流和電壓采樣高達(dá)10kHz，通過EtherCAT分布時鐘可以滿足采集的同步。實時監(jiān)測各個節(jié)點相位、頻率、幅值，對電網(wǎng)的波動做出快速調(diào)節(jié)。使用TwinCAT 3的功能庫，還能對電網(wǎng)40次以內(nèi)的諧波、THD等進(jìn)行分析。這款寬度僅為12mm的模塊的主要優(yōu)點在于它具有高度靈活性。EtherCAT總線系統(tǒng)提供了幾乎無限的可擴展性能。這就意味著實際的測量應(yīng)用程序，例如齒輪箱監(jiān)測，可以在新系統(tǒng)中實施或在現(xiàn)有系統(tǒng)中進(jìn)行升級改造。由于控制器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，且TwinCAT軟件接口具有良好的開放性，獨立系統(tǒng)將成為主流。該類獨立系統(tǒng)目前已在一些陸上風(fēng)力發(fā)電機組中得到應(yīng)用，用于在CX5020嵌入式控制器的基礎(chǔ)上監(jiān)測主軸承和齒輪箱。為此，用5個EL3632超采樣端子模塊和1個EL3413電力測量端子模塊配備了1個終端控制柜。UMTS調(diào)制解調(diào)器和緊湊型加熱器可以作為附加選項集成。視可用的接口而定，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)也可集成到現(xiàn)有的控制器中。
科技自動化將工程研究成果整合到風(fēng)力發(fā)電機組的自動化系統(tǒng)中，這是傳統(tǒng)控制器無法實現(xiàn)的。Beckhoff的PC控制技術(shù)理念為集成大量的標(biāo)準(zhǔn)控制之外的高級功能預(yù)留了足夠的空間。高性能CPU、高速I/O端子模塊、EtherCAT通信和TwinCAT自動化軟件為實現(xiàn)此目的提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，同樣這些高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法，也是未來智能電網(wǎng)的必要技術(shù)因素。
