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中。

　　Beckhoff科技自動化技術將高性能工業(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)生的結果會被記錄到全局轉移托盤(一種內(nèi)存表)中。在全局轉移托盤中，結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信號的可視化。TwinCATScope由兩個組件構成，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

　　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。由于控制器的結構非常緊湊，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

　　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、先進的設備技術、先進的控制方法，也是未來智能電網(wǎng)的必要技術因素。