2017-05-02 20:38:22

  風力發電機組中的自動化程度正在不斷地提升。除了主控係統外,在線監測和風場網絡也發揮著越來越重要的作用。許多傳統控製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係統,該係統以一套科學方法為基礎,將所需的測量設備集成到標準控製架構中。

  Beckhoff科技自動化技術將高性能工業PC或嵌入式控製器、高確定性的EtherCAT現場總線係統和智能軟件完美整合於一體。這些組件也是在對風力發電機組進行自動化改造所不可或缺的。風力發電機組製造商們想要使用相同的係統完成控製任務、監控、電網同步和係統間通信。隻要想到在控製器上處理的複雜狀態監測算法,使用多核CPU的優勢就顯而易見了。Beckhoff目前推出了新型CX2000 係列,這些功能強大的CPU是風力發電機組製造商們喜愛的導軌安裝式嵌入式控製器。CX2000係列采用的是Intel Sandy Bridge處理器。除此之外,還有經濟型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係列采用的也是無風扇設計,因為沒有旋轉部件,因此運行也非常穩定。

  因此必須使用合適的軟件來充分發揮這些控製器的性能優勢。這就是為什麼要使用Beckhoff TwinCAT3控製軟件的原因。TwinCAT3的實時環境使得任意數量的PLC、安全PLC和C++任務都能在同一個或不同的CPU內核上執行。

  1.TwinCAT3狀態監測庫

  最新的TwinCAT3狀態監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據,然後通過慢速任務進行進一步處理。這樣可持續記錄需測量的數據,然後通過諸如功率譜、峰態、波峰因數及包絡譜等算法進行分析。用戶無須擔心任務間的通信,因為狀態監測庫會自動對其進行處理。軟件庫中各個功能塊產生的結果會被記錄到全局轉移托盤(一種內存表)中。在全局轉移托盤中,結果會被複製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。

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  圖1、調用winCAT3中的功率譜功能塊 圖2、TwinCAT狀態監測庫提供不同的功能塊用於信號分析

  特別在風電行業、智能電網、微電網等領域,必須對這類開發產品進行大量的測試和仿真,因為一旦投入運行,在現場進行修改和升級就會相當耗時,且成本也較高。若要節省時間和開發成本,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並進行相應修正。在為TwinCAT3Run-Time環境創建Matlab?/Simulink?模型時,無需使用 Beckhoff的特殊組件或對原始模型進行其它修改。Matlab?及Simulink?編譯器會自動生成C++代碼,然後C++代碼會被編譯到 TwinCAT3模型中。通過實例化,用戶可以輕鬆地重新使用模塊。例如,用戶可以在TwinCAT中直接看到設置斷點的Simulink?框圖。

  除了TwinCAT3、狀態監測係統和Matlab?/Simulink?集成包之外,TwinCATScope還實現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組件用於以圖表的形式顯示信號;Server組件用於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.這特別適合用於係統調試。Scope能夠讓用戶以圖形化方式快速概覽設備狀態。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範圍。如果數值範圍較大,可切換至對數顯示。 Scope產品實現了許多額外的功能,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、實時總線係統進一步完善了Beckhoff科技自動化解決方案。 EtherCAT不僅是成熟的控製現場總線,而且也是測量現場總線。隻有這種基於以太網且具有高度確定性的高速現場總線協議才能實現諸如狀態監測集成等複雜應用。EtherCAT功能原理決定了其有用數據傳輸率遠遠超過90%的全雙工高速以太網,且總線周期時間僅為幾微秒。連同前麵提到的超采樣功能及將數值直接緩存在EtherCAT從站中,采樣率可遠遠超過實際的總線周期:例如,數字量輸入端子模塊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從站中的分布式時鍾能夠確保整個網絡中的數據采樣在時間上保持同步。抖動被顯著降低到小於1微秒,甚至常常會小於100納秒。

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  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。該端子模塊適合用於狀態監測應用,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。基於不同等級的硬件濾波,可以實現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,使用超采樣技術采樣原始電網數據,采樣高達10kHz,實時采集電網電壓電流,通過EtherCAT分布時鍾又可以滿足采集的同步。實時監測各個節點相位、頻率、幅值,對電網的波動做出快速調節。使用TwinCAT3的功能庫,還能對電網40次以內的諧波,THD等等進行分析。

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