倍福助力“智慧風(fēng)能”發(fā)展
2016-12-20 來源：轉(zhuǎn)載 作者：-
在“互聯(lián)網(wǎng)+”已成為國家戰(zhàn)略的背景下，如何運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)思維促進(jìn)中國制造的質(zhì)量提升，將成為制造業(yè)不可忽視的發(fā)展方向。有風(fēng)電專家就此指出，融入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組的智能化將成風(fēng)電行業(yè)的重要發(fā)展趨勢，這也是風(fēng)電行業(yè)在十三五期間的重要布局著力點(diǎn)。智慧能源戰(zhàn)略，簡而言之就是充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、智能控制以及智能傳感等技術(shù)，積極構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)大格局，提升能源產(chǎn)生、能源消費(fèi)、能源交易等各個環(huán)節(jié)的效率，挑戰(zhàn)和顛覆傳統(tǒng)能源的管理和應(yīng)用方式，推進(jìn)數(shù)字能源革命。
智慧風(fēng)能是智慧能源的重要組成部分，“智慧風(fēng)能”已經(jīng)成為眾多風(fēng)能企業(yè)布局的“首選策略”，著眼點(diǎn)在于提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場和能源網(wǎng)的智能化集成。風(fēng)電設(shè)備智能化與智慧風(fēng)電場建設(shè)成為行業(yè)發(fā)展的最新熱點(diǎn)。
“智能風(fēng)機(jī)”在葉片和風(fēng)機(jī)內(nèi)外部加裝了傳感器和雷達(dá)，用雷達(dá)監(jiān)測風(fēng)的流動性、強(qiáng)弱，通過傳感器收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，匯總到云端計(jì)算分析，智能控制技術(shù)、先進(jìn)的測量技術(shù)、數(shù)據(jù)分析專家系統(tǒng)、主動性能控制和基于可靠性的決策算法等，使得發(fā)電效率提升。除了智能風(fēng)機(jī)外，風(fēng)電場的管理其實(shí)也有非常大的提升空間。整個風(fēng)電全生命周期的能源管理才是客戶最需要的。通過將風(fēng)資源評估、風(fēng)場設(shè)計(jì)、風(fēng)場運(yùn)維、資產(chǎn)管理、風(fēng)電場協(xié)同優(yōu)化控制等全生命周期透明化、數(shù)字化、信息化，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，可為客戶真正構(gòu)建“智慧風(fēng)場全生命周期管理平臺”。
智能風(fēng)機(jī)對控制系統(tǒng)的需求
首先需要性能強(qiáng)大的CPU作為控制器系統(tǒng)的大腦。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® CoreTM i7處理器可供用戶選擇。甚至配備了1.5?GHz處理器（雙核）的CX2030系列采用的也是無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，因?yàn)闆]有旋轉(zhuǎn)部件，因此運(yùn)行也非常穩(wěn)定。CX2040擁有2.1?GHz Intel®CoreTM i7處理器（4核）。
然后是高確定性的EtherCAT現(xiàn)場總線系統(tǒng)及超采樣模塊。EtherCAT作為一個高速、實(shí)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(shí)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。
結(jié)合倍福超采樣技術(shù)將數(shù)值直接緩存在EtherCAT從站中，采樣率可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際的總線周期：數(shù)字量輸入端子模塊EL1262能夠以每秒高達(dá)100萬采樣點(diǎn)的速度掃描信號。EtherCAT端子模塊EL3702能夠以16?bit的分辨率和高達(dá)100?kHz的頻率采樣±10?V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1?μs，甚至常常會小于100?ns。
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(shí)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，可實(shí)現(xiàn)0.05?Hz～50?kHz的信號采樣頻率。
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(dá)10?kHz，實(shí)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(shí)時監(jiān)測各個節(jié)點(diǎn)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。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(dá)10?kHz，這使得端子模塊適合與其他網(wǎng)絡(luò)同步。
超采樣模塊寬度僅為12?mm的模塊的主要優(yōu)點(diǎn)在于其具有高度靈活性。EtherCAT總線系統(tǒng)提供了幾乎無限的可擴(kuò)展性能。這意味著實(shí)際的測量應(yīng)用程序（如齒輪箱監(jiān)測）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(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)測主軸承和齒輪箱。為此，使用5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(xiàng)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。
智能軟件TwinCAT 3
基于Microsoft Visual Studio的TwinCAT 3開發(fā)應(yīng)用軟件，為實(shí)現(xiàn)智能化的軟件控制技術(shù)提供了有力保證。eXtended Automation Engineering（XAE）把所有的開發(fā)工具集成在VS 2010/2012這個框架中，TwinCAT 3實(shí)時核能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)多處理器的運(yùn)行。
TwinCAT 3 PLC–IEC61131-3增加面向?qū)ο缶幊?/font>
利用C和C++來進(jìn)行自動化編程
在Matlab®/Simulink®環(huán)境編程并通過WORKSHOP產(chǎn)生C代碼
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(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。
倍福基于TwinCAT 3平臺開發(fā)出Tcwind
Tcwind是倍福開發(fā)的提供基本功能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動化軟件，具備設(shè)計(jì)支持開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)功能。能夠?qū)崟r處理和捕捉所有重要數(shù)據(jù)，每個組件獨(dú)立或與其他組件組合工作。能夠靈活的配置、診斷、監(jiān)控，在線監(jiān)測，組態(tài)和交互適用于每一個應(yīng)用程序。實(shí)現(xiàn)歷史診斷的連續(xù)記錄和評估及保存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和下載。
TwinCAT 3狀態(tài)監(jiān)測軟件庫
最新的TwinCAT 3狀態(tài)監(jiān)測軟件庫提高了這些選項(xiàng)的利用率。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)行進(jìn)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(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?yàn)闋顟B(tài)監(jiān)測庫會自動對其進(jìn)行處理。
TwinCAT Scope實(shí)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，View組件用于以圖表的形式顯示信號（圖1）；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(shí)現(xiàn)了許多額外的功能，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。
圖1 使用TwinCAT Scope顯示對數(shù)信號分析
TwinCAT IoT
TwinCAT 3還可以為快速、有效的實(shí)時物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0概念的實(shí)現(xiàn)提供完整的解決方案。TwinCAT IoT支持標(biāo)準(zhǔn)的云通信協(xié)議，可以發(fā)送推送信息到智能終端。作為傳統(tǒng)控制任務(wù)的擴(kuò)展，通過諸如大數(shù)據(jù)存儲、模式識別、或者狀態(tài)及功率監(jiān)控等功能有效地提升了我們產(chǎn)品的競爭力。TwinCAT 3 IoT可以很簡單地進(jìn)行配置。它和嵌入式PC或者IPC一起可以作為一個物聯(lián)網(wǎng)的控制器，為物聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)服務(wù)器提供無縫的連接。升級的軟件平臺為用戶提供了廣泛的功能用來實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的交換，例如標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議、訪問云服務(wù)商提供的特殊數(shù)據(jù)和云服務(wù)器。常見的公共云系統(tǒng)有微軟的Microsoft AzureTM或者亞馬遜的Web ServicesTM。當(dāng)然這些服務(wù)器也可以部署在本地網(wǎng)絡(luò)上。
TwinCAT OPC UA
OPC Unified Architecture（UA）是下一代經(jīng)典的OPC標(biāo)準(zhǔn)，它描述了全球標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，允許基于不同平臺的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信。OPC UA符合工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)的需求，這正是它成為工業(yè)4.0官方通信協(xié)議的原因。
OPC UA一個最主要的特點(diǎn)是在通信堆棧中標(biāo)準(zhǔn)集成了安全機(jī)制。TwinCAT OPC UA運(yùn)行訪問TwinCAT的實(shí)時核，也可以和其他UA設(shè)備直接進(jìn)行通信，它包含了客戶端和服務(wù)器功能，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)通信的靈活性。通過基于PC的控制技術(shù)，TwinCAT自動化軟件支持OPC通信（服務(wù)器和客戶端）。
智能變槳系統(tǒng)
智能風(fēng)機(jī)最重要的組成部分應(yīng)該是變槳系統(tǒng)，智能變槳系統(tǒng)包括：超級電容或電池的性能檢測功能、變槳驅(qū)動器及電機(jī)的性能檢測、各部件的溫度、供電系統(tǒng)電壓、電流檢測、滑環(huán)性能檢測、輪轂振動監(jiān)測、葉片振動、應(yīng)變檢測以及除冰功能，并且實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)功能，故障日志文件記錄讀取，與主控系統(tǒng)的無線冗余功能（圖2）。
圖2 變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理模型
葉片是風(fēng)電機(jī)組的主要部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到風(fēng)電機(jī)組的工作效率和運(yùn)行可靠性。風(fēng)電機(jī)組葉片的工作環(huán)境除了承受變化的空氣動力外，還受到本身慣性力以及機(jī)艙帶來的負(fù)荷，很容易發(fā)生振動。風(fēng)電機(jī)組的葉片上安裝振動加速度傳感器。由于風(fēng)速變化而引起葉片在軸向方向上產(chǎn)生振動，該振動加速度傳感器能夠?qū)θ~片振動的加速度數(shù)值進(jìn)行采集測量，反應(yīng)葉片振動的運(yùn)動性質(zhì)。
在智能變槳系統(tǒng)控制器中，實(shí)時采集各振動數(shù)據(jù)，在程序中加入對振動數(shù)據(jù)的實(shí)時采集實(shí)時濾波計(jì)算FFT處理，可以高效的配合主控實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比的獲取，最大性能的提升風(fēng)機(jī)利用率。
智能變流系統(tǒng)
BECKHOFF推出基于EtherCAT通信的變流器IPC控制平臺，當(dāng)然也推廣到中高壓變頻器；EtherCAT滿足變流器內(nèi)部快速實(shí)時通信的要求，可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)時間在50?μs；EtherCAT具有實(shí)時、同步、可靠特點(diǎn)；變流器內(nèi)部EtherCAT線路冗余。采用與主控系統(tǒng)統(tǒng)一主站通過EtherCAT連接IO模塊，以及PIB（功率接口板）IGBT控制板可以高效的實(shí)現(xiàn)變流器的實(shí)時控制。
智能化的風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)
基于Beckhoff技術(shù)的實(shí)時風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)控制，整個風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間小于1?ms（圖3）。
圖3 基于Beckhoff技術(shù)的實(shí)時風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)控制，整個風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間小于1ms
電網(wǎng)波動的快速響應(yīng)
電網(wǎng)波動的快速采集，低電壓穿越和高電壓穿越的命令快速下發(fā)。
整個風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)有功功率的控制
通過優(yōu)化算法計(jì)算得到每一臺風(fēng)機(jī)的有功功率數(shù)值，整個網(wǎng)絡(luò)作為一個整體控制。
整個風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)無功功率的控制（電壓控制）
通過優(yōu)化算法計(jì)算得到每一臺風(fēng)機(jī)的無功功率（無功電流）數(shù)值，整個網(wǎng)絡(luò)作為一個整體控制。協(xié)調(diào)整個風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)的無功功率，確保并網(wǎng)點(diǎn)的電壓恒定。
頻率控制
確保并網(wǎng)點(diǎn)的頻率恒定。
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，為將來智慧風(fēng)能作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。智慧風(fēng)機(jī)的單機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)收集、積累、計(jì)算，總結(jié)各種型號風(fēng)機(jī)的共性缺陷和風(fēng)資源利用率，為現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新、工程項(xiàng)目后評價工作及未來新建場站風(fēng)機(jī)選型提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，確保投資效益最大化。智慧風(fēng)機(jī)通過功率曲線擬合、功率曲線對比、單機(jī)橫向?qū)Ρ?、單機(jī)縱向?qū)Ρ?、單機(jī)監(jiān)視及報(bào)警關(guān)聯(lián)部件、單機(jī)性能分析、曲線偏差率排行榜、風(fēng)機(jī)切入切出風(fēng)速對比、單機(jī)績效榜等功能的實(shí)現(xiàn)，基本完成了對風(fēng)場電站運(yùn)行指導(dǎo)、運(yùn)行建議的全覆蓋，實(shí)現(xiàn)最大程度提高發(fā)電量的目的，并尋找到利潤增長點(diǎn)。
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