用于風力發(fā)電的TwinCAT3狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

　　風力發(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)測和風場網(wǎng)絡也發(fā)揮著越來越重要的作用。許多傳統(tǒng)控制器的供應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)以一套科學方法為基礎，將所需的測量設備集成到標準控制架構(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力發(fā)電機組進行自動化改造所不可或缺的。風力發(fā)電機組制造商們想要使用相同的系統(tǒng)完成控制任務、監(jiān)控、電網(wǎng)同步和系統(tǒng)間通信。只要想到在控制器上處理的復雜狀態(tài)監(jiān)測算法，使用多核CPU的優(yōu)勢就顯而易見了。Beckhoff目前推出了新型CX2000系列，這些功能強大的CPU是風力發(fā)電機組制造商們喜愛的導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。甚至配備了1.5GHz處理器(雙核)的CX2030系列采用的也是無風扇設計，因為沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此運行也非常穩(wěn)定。

　　因此必須使用合適的軟件來充分發(fā)揮這些控制器的性能優(yōu)勢。這就是為什么要使用Beckhoff TwinCAT3控制軟件的原因。TwinCAT3的實時環(huán)境使得任意數(shù)量的PLC、安全PLC和C++任務都能在同一個或不同的CPU內(nèi)核上執(zhí)行。

　　1.TwinCAT3狀態(tài)監(jiān)測庫

　　最新的TwinCAT3狀態(tài)監(jiān)測軟件庫提高了這些選項的利用率。通過快速任務記錄原始數(shù)據(jù)，然后通過慢速任務進行進一步處理。這樣可持續(xù)記錄需測量的數(shù)據(jù)，然后通過諸如功率譜、峰態(tài)、波峰因數(shù)及包絡譜等算法進行分析。用戶無須擔心任務間的通信，因為狀態(tài)監(jiān)測庫會自動對其進行處理。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)果會被復制給變量或借助其它算法進行進一步處理。這樣，用戶便可以配置他們自己的測量和分析鏈。

　　圖1、調(diào)用winCAT3中的功率譜功能塊 圖2、TwinCAT狀態(tài)監(jiān)測庫提供不同的功能塊用于信號分析

　　特別在風電行業(yè)、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)等領域，必須對這類開發(fā)產(chǎn)品進行大量的測試和仿真，因為一旦投入運行，在現(xiàn)場進行修改和升級就會相當耗時，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?對源代碼進行實時仿真。這樣，很多問題在試運行前就可以檢測到并進行相應修正。在為TwinCAT3Run-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行其它修改。Matlab?及Simulink?編譯器會自動生成C++代碼，然后C++代碼會被編譯到TwinCAT3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中直接看到設置斷點的Simulink?框圖。

　　除了TwinCAT3、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和Matlab?/Simulink?集成包之外，TwinCATScope還實現(xiàn)了科技自動化軟件所有相關(guān)信號的可視化。TwinCATScope由兩個組件構(gòu)成，其中，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)記錄在目標設備中。TwinCAT3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備狀態(tài)。使用不同的光標可以精確讀取測量數(shù)據(jù)，其精度甚至可以達到微秒級范圍。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。

　　2.EtherCAT:高精度測量技術(shù)

　　EtherCAT作為一個高速、實時總線系統(tǒng)進一步完善了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)測集成等復雜應用。EtherCAT功能原理決定了其有用數(shù)據(jù)傳輸率遠遠超過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，采樣率可遠遠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1百萬采樣點/秒的速度掃描信號。EtherCAT端子模塊EL3702能夠以16比特的分辨率和高達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1微秒，甚至常常會小于100納秒。

　　圖3、使用TwinCATScope顯示對數(shù)信號分析

　　EL3632也是一種EtherCAT超采樣端子模塊。該端子模塊適合用于狀態(tài)監(jiān)測應用，在實際應用中，振動必須通過加速度傳感器或麥克風進行采樣。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至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)，采樣高達10kHz,實時采集電網(wǎng)電壓電流，通過EtherCAT分布時鐘又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TwinCAT3的功能庫，還能對電網(wǎng)40次以內(nèi)的諧波，THD等等進行分析。

　　EL3773是一款電力監(jiān)測端子模塊，用于采樣原始電網(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10kHz,這使得端子模塊適合與其它網(wǎng)絡同步。

　　這款寬度僅為12毫米的模塊的主要優(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力發(fā)電機組中得到應用，用于在CX5020嵌入式控制器的基礎上監(jiān)測主軸承和齒輪箱。為此，用五個EL3632超采樣端子模塊和一個EL3413電力測量端子模塊配備了一個終端控制柜。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。

　　總結(jié)

　　科技自動化將工程研究成果整合到風力發(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準控制之外的高級功能預留了足夠的空間。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，同樣這些高速雙向通訊網(wǎng)絡、先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設備技術(shù)、先進的控制方法，也是未來智能電網(wǎng)的必要技術(shù)因素。