用于風(fēng)力發(fā)電的TwinCAT3狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的自動(dòng)化程度正在不斷地提升。除了主控系統(tǒng)外，在線監(jiān)測(cè)和風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。許多傳統(tǒng)控制器的供應(yīng)商遇到了無(wú)法逾越的性能瓶頸。其解決辦法就是自動(dòng)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(cè)量設(shè)備集成到標(biāo)準(zhǔn)控制架構(gòu)中。

　　Beckhoff科技自動(dòng)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(chǎng)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化改造所不可或缺的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。只要想到在控制器上處理的復(fù)雜狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法，使用多核CPU的優(yōu)勢(shì)就顯而易見(jiàn)了。Beckhoff目前推出了新型CX2000系列，這些功能強(qiáng)大的CPU是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商們喜愛(ài)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(jì)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(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，因?yàn)闆](méi)有旋轉(zhuǎn)部件，因此運(yùn)行也非常穩(wěn)定。

　　因此必須使用合適的軟件來(lái)充分發(fā)揮這些控制器的性能優(yōu)勢(shì)。這就是為什么要使用Beckhoff TwinCAT3控制軟件的原因。TwinCAT3的實(shí)時(shí)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(gè)或不同的CPU內(nèi)核上執(zhí)行。

　　1.TwinCAT3狀態(tài)監(jiān)測(cè)庫(kù)

　　最新的TwinCAT3狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件庫(kù)提高了這些選項(xiàng)的利用率。通過(guò)快速任務(wù)記錄原始數(shù)據(jù)，然后通過(guò)慢速任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。這樣可持續(xù)記錄需測(cè)量的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)諸如功率譜、峰態(tài)、波峰因數(shù)及包絡(luò)譜等算法進(jìn)行分析。用戶無(wú)須擔(dān)心任務(wù)間的通信，因?yàn)闋顟B(tài)監(jiān)測(cè)庫(kù)會(huì)自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行處理。軟件庫(kù)中各個(gè)功能塊產(chǎn)生的結(jié)果會(huì)被記錄到全局轉(zhuǎn)移托盤(pán)(一種內(nèi)存表)中。在全局轉(zhuǎn)移托盤(pán)中，結(jié)果會(huì)被復(fù)制給變量或借助其它算法進(jìn)行進(jìn)一步處理。這樣，用戶便可以配置他們自己的測(cè)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(cè)庫(kù)提供不同的功能塊用于信號(hào)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(duì)這類開(kāi)發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行大量的測(cè)試和仿真，因?yàn)橐坏┩度脒\(yùn)行，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修改和升級(jí)就會(huì)相當(dāng)耗時(shí)，且成本也較高。若要節(jié)省時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本，可以使用Matlab?/Simulink?對(duì)源代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。這樣，很多問(wèn)題在試運(yùn)行前就可以檢測(cè)到并進(jìn)行相應(yīng)修正。在為T(mén)winCAT3Run-Time環(huán)境創(chuàng)建Matlab?/Simulink?模型時(shí)，無(wú)需使用Beckhoff的特殊組件或?qū)υ寄Ｐ瓦M(jìn)行其它修改。Matlab?及Simulink?編譯器會(huì)自動(dòng)生成C++代碼，然后C++代碼會(huì)被編譯到TwinCAT3模型中。通過(guò)實(shí)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(diǎn)的Simulink?框圖。

　　除了TwinCAT3、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和Matlab?/Simulink?集成包之外，TwinCATScope還實(shí)現(xiàn)了科技自動(dòng)化軟件所有相關(guān)信號(hào)的可視化。TwinCATScope由兩個(gè)組件構(gòu)成，其中，View組件用于以圖表的形式顯示信號(hào);Server組件用于將數(shù)據(jù)記錄在目標(biāo)設(shè)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(shè)備狀態(tài)。使用不同的光標(biāo)可以精確讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，其精度甚至可以達(dá)到微秒級(jí)范圍。如果數(shù)值范圍較大，可切換至對(duì)數(shù)顯示。Scope產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了許多額外的功能，例如長(zhǎng)期記錄或集成在。NET可視化軟件中。所有級(jí)別的Scope產(chǎn)品都可顯示EtherCAT測(cè)量端子模塊的超采樣值。

　　2.EtherCAT:高精度測(cè)量技術(shù)

　　EtherCAT作為一個(gè)高速、實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)進(jìn)一步完善了Beckhoff科技自動(dòng)化解決方案。EtherCAT不僅是成熟的控制現(xiàn)場(chǎng)總線，而且也是測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)諸如狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(guò)90%的全雙工高速以太網(wǎng)，且總線周期時(shí)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(guò)實(shí)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)1百萬(wàn)采樣點(diǎn)/秒的速度掃描信號(hào)。EtherCAT端子模塊EL3702能夠以16比特的分辨率和高達(dá)100kHz的頻率采樣±10V模擬量信號(hào)。EtherCAT從站中的分布式時(shí)鐘能夠確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采樣在時(shí)間上保持同步。抖動(dòng)被顯著降低到小于1微秒，甚至常常會(huì)小于100納秒。

　　圖3、使用TwinCATScope顯示對(duì)數(shù)信號(hào)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(cè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)必須通過(guò)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(wú)需前置放大器?；诓煌燃?jí)的硬件濾波，可以實(shí)現(xiàn)0.05Hz至50kHz的信號(hào)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(cè)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(dá)10kHz,實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)電壓電流，通過(guò)EtherCAT分布時(shí)鐘又可以滿足采集的同步。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)相位、頻率、幅值，對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)做出快速調(diào)節(jié)。使用TwinCAT3的功能庫(kù)，還能對(duì)電網(wǎng)40次以內(nèi)的諧波，THD等等進(jìn)行分析。

　　EL3773是一款電力監(jiān)測(cè)端子模塊，用于采樣原始電網(wǎng)數(shù)據(jù)，而不是原始振動(dòng)數(shù)據(jù)。電流和電壓采樣高達(dá)10kHz,這使得端子模塊適合與其它網(wǎng)絡(luò)同步。

　　這款寬度僅為12毫米的模塊的主要優(yōu)點(diǎn)在于它具有高度靈活性。EtherCAT總線系統(tǒng)提供了幾乎無(wú)限的可擴(kuò)展性能。這就意味著實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用程序，例如齒輪箱監(jiān)測(cè)，可以在新系統(tǒng)中實(shí)施或在現(xiàn)有系統(tǒng)中進(jìn)行升級(jí)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(kāi)放性，獨(dú)立系統(tǒng)將成為主流。該類獨(dú)立系統(tǒng)目前已在一些陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(cè)主軸承和齒輪箱。為此，用五個(gè)EL3632超采樣端子模塊和一個(gè)EL3413電力測(cè)量端子模塊配備了一個(gè)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(xiàng)集成。視可用的接口而定，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可集成到現(xiàn)有的控制器中。

　　總結(jié)

　　科技自動(dòng)化將工程研究成果整合到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化系統(tǒng)中，這是傳統(tǒng)控制器無(wú)法實(shí)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(jí)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(dòng)化軟件為實(shí)現(xiàn)此目的提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，同樣這些高速雙向通訊網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的傳感和測(cè)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(lái)智能電網(wǎng)的必要技術(shù)因素。