用于風(fēng)力發(fā)電的TwinCAT3狀態(tài)監測系統

　　風(fēng)力發(fā)電機組中的自動(dòng)化程度正在不斷地提升。除了主控系統外，在線(xiàn)監測和風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )也發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。許多傳統控制器的供應商遇到了無(wú)法逾越的性能瓶頸。其解決辦法就是自動(dòng)化系統，該系統以一套科學(xué)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(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現場(chǎng)總線(xiàn)系統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(dòng)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完成控制任務(wù)、監控、電網(wǎng)同步和系統間通信。只要想到在控制器上處理的復雜狀態(tài)監測算法，使用多核CPU的優(yōu)勢就顯而易見(jiàn)了。Beckhoff目前推出了新型CX2000系列，這些功能強大的CPU是風(fēng)力發(fā)電機組制造商們喜愛(ài)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(hù)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)扇設計，因為沒(méi)有旋轉部件，因此運行也非常穩定。

　　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。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)境使得任意數量的PLC、安全PLC和C++任務(wù)都能在同一個(gè)或不同的CPU內核上執行。

　　1.TwinCAT3狀態(tài)監測庫

　　最新的TwinCAT3狀態(tài)監測軟件庫提高了這些選項的利用率。通過(guò)快速任務(wù)記錄原始數據，然后通過(guò)慢速任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。這樣可持續記錄需測量的數據，然后通過(guò)諸如功率譜、峰態(tài)、波峰因數及包絡(luò )譜等算法進(jìn)行分析。用戶(hù)無(wú)須擔心任務(wù)間的通信，因為狀態(tài)監測庫會(huì )自動(dòng)對其進(jìn)行處理。軟件庫中各個(gè)功能塊產(chǎn)生的結果會(huì )被記錄到全局轉移托盤(pán)(一種內存表)中。在全局轉移托盤(pán)中，結果會(huì )被復制給變量或借助其它算法進(jìn)行進(jìn)一步處理。這樣，用戶(hù)便可以配置他們自己的測量和分析鏈。

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

　　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(lèi)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行大量的測試和仿真，因為一旦投入運行，在現場(chǎng)進(jìn)行修改和升級就會(huì )相當耗時(shí)，且成本也較高。若要節省時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本，可以使用Matlab?/Simulink?對源代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。這樣，很多問(wèn)題在試運行前就可以檢測到并進(jìn)行相應修正。在為T(mén)winCAT3Run-Time環(huán)境創(chuàng )建Matlab?/Simulink?模型時(shí)，無(wú)需使用Beckhoff的特殊組件或對原始模型進(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(hù)可以輕松地重新使用模塊。例如，用戶(hù)可以在TwinCAT中直接看到設置斷點(diǎn)的Simulink?框圖。

　　除了TwinCAT3、狀態(tài)監測系統和Matlab?/Simulink?集成包之外，TwinCATScope還實(shí)現了科技自動(dòng)化軟件所有相關(guān)信號的可視化。TwinCATScope由兩個(gè)組件構成，其中，View組件用于以圖表的形式顯示信號;Server組件用于將數據記錄在目標設備中。TwinCAT3安裝文件通常包括基本版的Scope.這特別適合用于系統調試。Scope能夠讓用戶(hù)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據，其精度甚至可以達到微秒級范圍。如果數值范圍較大，可切換至對數顯示。Scope產(chǎn)品實(shí)現了許多額外的功能，例如長(cháng)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(gè)高速、實(shí)時(shí)總線(xiàn)系統進(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場(chǎng)總線(xiàn)，而且也是測量現場(chǎng)總線(xiàn)。只有這種基于以太網(wǎng)且具有高度確定性的高速現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議才能實(shí)現諸如狀態(tài)監測集成等復雜應用。EtherCAT功能原理決定了其有用數據傳輸率遠遠超過(guò)90%的全雙工高速以太網(wǎng)，且總線(xiàn)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值直接緩存在EtherCAT從站中，采樣率可遠遠超過(guò)實(shí)際的總線(xiàn)周期：例如，數字量輸入端子模塊EL1262能夠以高達1百萬(wàn)采樣點(diǎn)/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(shí)鐘能夠確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的數據采樣在時(shí)間上保持同步。抖動(dòng)被顯著(zhù)降低到小于1微秒，甚至常常會(huì )小于100納秒。

　　圖3、使用TwinCATScope顯示對數信號分析

　　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)監測應用，在實(shí)際應用中，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燃壍挠布V波，可以實(shí)現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是一款電力監測端子模塊，使用超采樣技術(shù)采樣原始電網(wǎng)數據，采樣高達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(mǎn)足采集的同步。實(shí)時(shí)監測各個(gè)節點(diǎn)相位、頻率、幅值，對電網(wǎng)的波動(dòng)做出快速調節。使用TwinCAT3的功能庫，還能對電網(wǎng)40次以?xún)鹊闹C波，THD等等進(jìn)行分析。

　　EL3773是一款電力監測端子模塊，用于采樣原始電網(wǎng)數據，而不是原始振動(dòng)數據。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(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(xiàn)系統提供了幾乎無(wú)限的可擴展性能。這就意味著(zhù)實(shí)際的測量應用程序，例如齒輪箱監測，可以在新系統中實(shí)施或在現有系統中進(jìn)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(kāi)放性，獨立系統將成為主流。該類(lèi)獨立系統目前已在一些陸上風(fēng)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測主軸承和齒輪箱。為此，用五個(gè)EL3632超采樣端子模塊和一個(gè)EL3413電力測量端子模塊配備了一個(gè)終端控制柜。UMTS調制解調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)監測系統也可集成到現有的控制器中。

　　總結

　　科技自動(dòng)化將工程研究成果整合到風(fēng)力發(fā)電機組的自動(dòng)化系統中，這是傳統控制器無(wú)法實(shí)現的。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(mǎi)/O端子模塊、EtherCAT通信和TwinCAT自動(dòng)化軟件為實(shí)現此目的提供了堅實(shí)的技術(shù)基礎，同樣這些高速雙向通訊網(wǎng)絡(luò )、先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設備技術(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。