丹麥正在為風(fēng)機(jī)組測(cè)試技術(shù)建立一項(xiàng)新的標(biāo)準(zhǔn)。丹麥林都海洋可再生能源中心（LORC）能夠測(cè)試風(fēng)機(jī)機(jī)艙在其超過 25 年的使用壽命期間可能承受的所有風(fēng)荷載和扭轉(zhuǎn)力矩。他們采用倍福的自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)控制。
隨著風(fēng)機(jī)的體積越來(lái)越大，造價(jià)越來(lái)越昂貴，對(duì)于在整個(gè)使用壽命期間最小化損壞風(fēng)險(xiǎn)的需求也逐步增加。這就需要在開始批量生產(chǎn)一款新一代風(fēng)機(jī)之前在真正的風(fēng)機(jī)上進(jìn)行載荷測(cè)試。2017 年 12 月在丹麥蒙克博上線的全球最大的風(fēng)機(jī)組（最大 10 兆瓦）試驗(yàn)臺(tái) LORC 的使命就是提供最嚴(yán)格的高加速壽命測(cè)試（HALT），大型風(fēng)力模擬器使用機(jī)械功能、液壓功能和電動(dòng)功能在 6 個(gè)月內(nèi)生成風(fēng)機(jī)在其整個(gè) 25 年使用壽命期間所要承受的壓力和應(yīng)力。這類測(cè)試有助于識(shí)別設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方面的缺陷，以便在批量生產(chǎn)風(fēng)機(jī)之前能夠進(jìn)行必要的修改。
盡管試驗(yàn)臺(tái)重達(dá) 4000 噸，但 TwinCAT 3 軟件仍然能夠快速實(shí)現(xiàn)控制并輕松集成高級(jí)仿真模型
擁有真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境條件的試驗(yàn)臺(tái)
丹麥工程公司 R&D Test Systems 是此設(shè)施的交鑰匙供應(yīng)商，負(fù)責(zé)實(shí)施整個(gè)項(xiàng)目：從設(shè)計(jì)和開發(fā)機(jī)械組件一直到編程和調(diào)試。復(fù)雜的開發(fā)和實(shí)施過程需要很多年才能完成。為了確保調(diào)試過程平穩(wěn)進(jìn)行，并保證試驗(yàn)臺(tái)性能穩(wěn)定可靠，必須對(duì)所有功能進(jìn)行徹底的模擬和測(cè)試。仿真模型和測(cè)試結(jié)果用于進(jìn)一步開發(fā)軟件以及給操作人員進(jìn)行培訓(xùn)。
在測(cè)試中心，根據(jù)來(lái)自世界各地的風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力和天氣數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)的機(jī)械部件進(jìn)行真實(shí)的疲勞測(cè)試。倍福丹麥分公司的總經(jīng)理 Michael Nielsen 解釋說(shuō)：“模擬真實(shí)環(huán)境條件的能力對(duì)于風(fēng)電及其它采用重型解決方案的行業(yè)來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，如果制造商們能夠知道風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有怎樣的反應(yīng)，就可以幫助他們節(jié)省許多資源。”倍福通過 TwinCAT 3 軟件、功能強(qiáng)大的工業(yè) PC 和各種 EtherCAT I/O 端子模塊為所有測(cè)試場(chǎng)景的規(guī)范和監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。丹麥控制柜供應(yīng)商 Tricon Electric A/S 安裝了這些組件。
每一臺(tái)新開發(fā)出來(lái)的風(fēng)機(jī)都必須作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。考慮到現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的尺寸龐大，想要進(jìn)行測(cè)試非常困難，因此制造商們自己測(cè)試機(jī)艙，在試驗(yàn)臺(tái)上盡可能逼真地模擬轉(zhuǎn)子、電路及其它環(huán)境條件的影響。為了映射影響主渦輪軸和機(jī)艙的所有力因數(shù)和扭矩因數(shù)，新的 HALT 試驗(yàn)臺(tái)需要采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)。建造這樣一個(gè)長(zhǎng) 31 米，寬 8 米，高 13 米的設(shè)施，需要使用 310 噸鋼和 107 根混凝土柱（必須埋在地下 16 米深處）。試驗(yàn)臺(tái)重達(dá) 4000 噸，采用液壓彎曲系統(tǒng)，可以對(duì)被測(cè)風(fēng)機(jī)施加高達(dá) 25 MNm 的彎矩。它通過液壓缸產(chǎn)生這些力，一套扭矩為 14.5 Mnm 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生施加在轉(zhuǎn)子上的風(fēng)力。
當(dāng)風(fēng)切、強(qiáng)風(fēng)或者風(fēng)擾對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的彎矩和推力。試驗(yàn)臺(tái)通過一個(gè)六自由度結(jié)構(gòu)中的液壓缸重新產(chǎn)生這些力。然而，由于沒有風(fēng)電塔筒和轉(zhuǎn)子，系統(tǒng)必須盡可能精確地模擬這些真實(shí)條件，因此仿真模型必須實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)艙和轉(zhuǎn)子之間的交互，并將相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給液壓缸。系統(tǒng)能夠模擬各種運(yùn)行條件，如機(jī)艙在起暴風(fēng)時(shí)或在電網(wǎng)故障和急停后的行為。
秒級(jí)范圍內(nèi)的模擬毫
在測(cè)試運(yùn)行期間，傳感器必須能夠在最短時(shí)間內(nèi)采集、處理和傳輸大數(shù)據(jù)量，因此在調(diào)試前，必須在 MATLAB®/Simulink® 中建模所有試驗(yàn)臺(tái)組件和測(cè)試對(duì)象。R&D Test Systems 公司軟件經(jīng)理 Allan Mogensen 說(shuō)道：“因?yàn)檐浖仨毮軌虮M快響應(yīng)各種測(cè)試場(chǎng)景，所以我們希望盡可能縮短循環(huán)時(shí)間。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)倍福的 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件讓我們能夠?qū)崿F(xiàn) 1 毫秒的循環(huán)時(shí)間，于是我們選擇了倍福系統(tǒng)。”
TwinCAT 3 中的 MATLAB®/Simulink® 軟件界面是另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，Allan Mogensen 補(bǔ)充道：“為了確保具有出色的性能和很強(qiáng)的可操作性，我們通過創(chuàng)建試驗(yàn)平臺(tái)所有物理組件的 MATLAB®/Simulink® 模型以及 LORC 客戶實(shí)際想要的測(cè)試對(duì)象的方式模擬計(jì)算機(jī)上的所有功能。MATLAB® 模型模擬可用作真實(shí)物理機(jī)械系統(tǒng)后期真實(shí)測(cè)試的基準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成威脅。這讓我們能夠比原計(jì)劃更快地完成目標(biāo)。”
Allan Mogensen 總結(jié)說(shuō)道：“這座試驗(yàn)臺(tái)是丹麥及丹麥風(fēng)電行業(yè)的“燈塔工程”，我們交付了一個(gè)能夠更快、更高效地測(cè)試風(fēng)機(jī)的 HALT 設(shè)施。是否具有足夠的計(jì)算能力對(duì)我們實(shí)施此項(xiàng)目有著重要影響。倍福的硬件和軟件可以理想地滿足這些要求。”Tricon Electric 公司的銷售工程師 Morten Hauge 同意 Allan 的觀點(diǎn)：“為這么大一個(gè)項(xiàng)目提供如此先進(jìn)的解決方案是一件有趣而又富有挑戰(zhàn)的工作。倍福的硬件具有執(zhí)行此類艱巨任務(wù)所需的智能水平。”
倍福的硬件組件安裝在由 Tricon Electric 提供的六個(gè)控制柜中，通過功能強(qiáng)大的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)相互通信