采用基于 PC 和 EtherCAT 控制技術(shù)高效控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

　　Beckhoff  將會(huì)在 2012 年 9 月 18 日-22 日于德國(guó)舉辦的世界最大的風(fēng)能展會(huì) — Husum國(guó)際風(fēng)能展上展示其基于 PC 和 EtherCAT 技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制解決方案。僅 2011 年一年，Beckhoff 就已經(jīng)為 7000 臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供自動(dòng)控制技術(shù)，總裝機(jī)容量達(dá)到 11.2 GW。在全世界范圍內(nèi)，超過20000臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)用了 Beckhoff 控制技術(shù) — 包括陸上和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在今年的展會(huì)上，Beckhoff 展出的亮點(diǎn)將是其基于 EtherCAT 的超高速風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　Beckhoff 自動(dòng)化技術(shù)已在全球范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到成功應(yīng)用，其應(yīng)用的單機(jī)容量已達(dá)到 5 MW。基于PC的自動(dòng)化技術(shù)提供了功能強(qiáng)大的控制器，它們可以將一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有部分 — 如變槳、發(fā)電機(jī)、變頻器和制動(dòng)器的操作管理和控制，以及狀態(tài)檢測(cè)和風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 — 都整合到同一個(gè)平臺(tái)上。它無需使用特殊硬件，可顯著降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)電氣設(shè)備的成本和維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可利用率。

　　開放、可擴(kuò)展的自動(dòng)化軟件 TwinCAT 是 Beckhoff 基于PC 控制平臺(tái)的核心組成部分。開放式接口允許集成第三方軟件，例如用于 SCADA、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、障礙照明或者基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)等軟件。這些功能的硬件接口通過標(biāo)準(zhǔn)的 EtherCAT 端子模塊集成到控制系統(tǒng)中。可以使用各種接口集成下位現(xiàn)場(chǎng)總線，例如 CANopen、PROFIBUS 和 Ethernet TCP/IP 以及 RS232/RS485。將子系統(tǒng)重新部署到現(xiàn)場(chǎng)大大減少了基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用并簡(jiǎn)化了通訊。

　　超高速風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)：響應(yīng)時(shí)間低于1 ms

　　與傳統(tǒng)的 IP 解決方案相比，基于 EtherCAT 的風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)速度更快且成本優(yōu)勢(shì)更高。風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的速度越快，能量供應(yīng)源對(duì)于電壓跌落或不斷變化的要求的反應(yīng)就越靈敏。通過集成在自動(dòng)化系統(tǒng)中的 EtherCAT 電力測(cè)量端子模塊可以在公共接入點(diǎn)以高達(dá) 10000 個(gè)采樣點(diǎn)/秒的速度測(cè)量瞬時(shí)電流和電壓值，從而保證能夠?qū)﹄妷旱溥M(jìn)行早期的診斷。與替代方案不同，它可以讓整個(gè)風(fēng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越（LVRT）。因此，如果在公共接入點(diǎn)診斷出有電壓跌落，它可以在1 ms 的時(shí)間內(nèi)將信號(hào)傳輸給整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。通過 EtherCAT 中的分布式時(shí)鐘，所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測(cè)量值和風(fēng)場(chǎng)公共接入點(diǎn)的測(cè)量可以在不到 1 μs 的時(shí)間內(nèi)同步。有了這些數(shù)據(jù)，電流、電壓和頻率可以得到相應(yīng)控制且電網(wǎng)可以得到最優(yōu)的支持。可以使用現(xiàn)有的光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。使用這項(xiàng)技術(shù)甚至還可以實(shí)現(xiàn)與風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的各風(fēng)機(jī)變流器的 IGBT同步。

　　集成式狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案

　　由于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可利用率的嚴(yán)格規(guī)定和需求的提高，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CMS）也變得越來越重要。基于 PC 和 EtherCAT 技術(shù)的控制平臺(tái)將 CMS 功能無縫集成到現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)中，CMS可以用于監(jiān)測(cè)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)，包括齒輪箱、主軸承和發(fā)電機(jī)。除了相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)和靈活的可擴(kuò)展性之外，該解決方案的診斷性能也更高。CMS 功能通過 Beckhoff EtherCAT 端子模塊（如 EL3632）集成到 I/O 端子模塊系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)通過端子模塊采集，然后通過 TwinCAT 自動(dòng)化軟件平臺(tái)在控制器內(nèi)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用數(shù)據(jù)。CMS 軟件的實(shí)時(shí)組件通過 TwinCAT 集成到控制器中。CMS 分析軟件診斷采集到的數(shù)據(jù)并啟動(dòng)相應(yīng)的下游服務(wù)，用戶可以通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口（比如OPC）連接 CMS分析軟件。這一結(jié)構(gòu)使他們的用戶能夠更接近他們的實(shí)際目標(biāo)：使用實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)整臺(tái)風(fēng)機(jī)狀態(tài)，而不是單個(gè)部件的診斷。

　　TwinCAT 3 — 通用控制平臺(tái)降低工程成本

　　TwinCAT 讓用戶能夠非常自由地選擇編程語(yǔ)言：除了面向?qū)ο蟮臄U(kuò)展 IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言擴(kuò)展外，C 和 C++ 現(xiàn)在也可用作實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的編程語(yǔ)言。例如，通過集成 Matlab®/Simulink® ， TwinCAT 3 也可以用于設(shè)備仿真和載荷計(jì)算。

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　　圖片注釋：

　　基于 PC 的自動(dòng)化控制技術(shù)可以提供一個(gè)功能強(qiáng)大的控制器，它能夠?qū)⒁粋€(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有組件 — 例如變槳、發(fā)電機(jī)、變頻器和制動(dòng)器的操作管理和控制，以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)和風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 — 都整合到同一個(gè)平臺(tái)上。