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倍福 Beckhoff - 倍福科技

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    倍福助力“智慧风能”发展

    小静 2016-10-10 14:10

      在“互联网 +”已成为国 家战略的背景下,如何运用互联网思维促进中制造的质量提升,也将成为业不可忽视发展方向。有风电专家就此指出,融入大数据、云计算等新一代信息技术的风电机组智能化将成行业的重要发展趋势,这也是风电行业在十三五期间布局着力点。 智慧能源 战略,简而言之就是充分利用物联网、云计算大数据机器学习人工智能、智控制传感等技术,积极构建全球源互联网大格局提升产生、能源消费交易等各个环节的效率,挑战和颠覆传统管理应用方式,推进数字能源革命。

      智慧风能是 智慧能源的重 中之组成部分 ,“智慧风 能”已经成为众多能企业布局的“首选策略”,着眼点在于提升风机运行质量,实现电场和源 能企业布局的“首选策略”,着眼点在于提升风机运行质量,实现电场和源 网的智能化集成。风电设备与慧场建为行业发展最新热点。

      “智能风机”,在叶片和内外部加装了传感器雷达 “智能风机”,在叶片和内外部加装了传感器雷达 ,用雷达监测风的 流动 性、强弱,通过传感器收集各项数据汇总到云端计算分析智能控制技术先进的测量技术、数据分析专家系统主动性能控制和基于可靠决策算法等,使得发电效率 提升 。除了智能风机外,我们发现电场的管理其实也有非 常大的提升空间。整个风电全生命周期能源管理才是客户最需要我们将风资源评估、场设计运维产管理电协同优化控制等全生命周期透明化、数字信息,结合物联网云计算大据等先进技术为客户真正构建“智慧风场全生命周期管理平台”。 客户真正构建“智慧风场全生命周期管理平台”。

      1、智能风机对控制系统系统的需求

      1)首先需要性能强大的CPU作为控制器系统的大脑

      Beckhoff 目前推出了新型 CX2000 系列,这些功能强大的 CPU 是风力发 电机组制造商们喜爱的导轨安装式嵌入控器。 CX2000 系列采用的是 Intel Sandy Bridge Sandy Bridge 处理器。除此之外,还有经济型 处理器。除此之外,还有经济型 处理器。除此之外,还有经济型 处理器。除此之外,还有经济型 处理器。除此之外,还有经济型 Sandy Bridge Celeron Sandy Bridge Celeron Sandy Bridge Celeron Sandy Bridge Celeron ®、Intel ® Core™ i7 Core™ i7 处理器可供用户选择。甚至配备了 处理器可供用户选择。甚至配备了 处理器可供用户选择。甚至配备了 1.5 GHz 1.5 GHz 处理器(双核)的 处理器(双核)的 处理器(双核)的 CX2030 CX2030 系列采用的也是无风扇设计,因为没有旋转部件此运行非常稳定。 系列采用的也是无风扇设计,因为没有旋转部件此运行非常稳定。 系列采用的也是无风扇设计,因为没有旋转部件此运行非常稳定。 CX2040 拥有 2.1 GHz Intel ® Core™ i7 处理器 (4核)

      2)高确定性的EtherCAT现场总线系统及超采样模块

      EtherCAT 作为一个高速、实时总线系统进步完善了 Beckhoff 科技自动 化解决方案。 EtherCAT 不仅是成熟的控制现场总线,而且也测量。 只有这种基于以太网且具高度确定性的速现场总线协议才能实诸如状态 只有这种基于以太网且具高度确定性的速现场总线协议才能实诸如状态 只有这种基于以太网且具高度确定性的速现场总线协议才能实诸如状态 只有这种基于以太网且具高度确定性的速现场总线协议才能实诸如状态 只有这种基于以太网且具高度确定性的速现场总线协议才能实诸如状态 监测集成等复杂应用。 EtherCAT 功能原理决定了其有用数据传输率远超过 90% 的全双工高速以太网,且总线周期时间仅为几微秒。

      结合倍福超采样技术将数值直接缓存在EtherCAT从站中,采样率可远远超过实际的总线周期:

      a)数字量输入端子模块 EL1262 能够以高达 1 百万采样点 /秒的速度扫描 信号。 EtherCAT 端子模块 EL3702 能够以 16 比特的分辨率和高达 100 kHz 100 kHz 的 频率采样 ±10 V ±10 V 模拟量信号。 模拟量信号。 EtherCAT 从站中的分布式时钟能够确保整个网 络中的数据采样在时间上保持同步。抖动被显著降低到小于 1 微秒,甚至常 微秒,甚至常 会小于 100 纳秒。

      b) EL3632 也是一种 EtherCAT 超采样端子模块。该适合用于状态监 超采样端子模块。该适合用于状态监 测应用 ,在实际测应用 ,在实际中,振动必须通过加速度传感器或麦克风进行采样。带 中,振动必须通过加速度传感器或麦克风进行采样。带 中,振动必须通过加速度传感器或麦克风进行采样。带 IEPE (压电集成路)接口的传感器可直连到双通道端子模块上,无需前置 (压电集成路)接口的传感器可直连到双通道端子模块上,无需前置 (压电集成路)接口的传感器可直连到双通道端子模块上,无需前置 放大器。基于不同等级的硬件滤波,可以实现 0.05 Hz 0.05 Hz 至 50 kHz 50 kHz 50 kHz 的信号采样 频率。

      c) EL3773 是一款电力监测端子模块, 使用超采样技术原始网数据,采样高达 10kHz, 实时采集电网压流,通过EtherC AT 分布时钟又可以满足采集的同步。实时监测各个节点相位、频率幅值,对电网的波动做出快速调节。使用 TwinCAT 3的功能库,还对电网 40 次以内的谐波, THD 等等进行分析。 EL3773 是一款电力监测端子模块,用于采样原始网数 据而不振动据。电流和压采样高达 10 kHz ,这使得端子模块适合与其它网络同步。

      超采样模块宽度仅为 12 毫米的模块的主要优点在于它具有高度灵活性。EtherCAT 总线系统提供了几乎无限的可扩展性能。这就意味着实际的测量应用程序,例如齿轮箱监测,可以在新系统中实施或在现有系统中进行升级改造。由于控制器的结构非常紧凑,且 TwinCAT 软件接口具有良好的开放性,独立系统将成为主流。该类独立系统目前已在一些陆上风力发电机组中得到应用,用于在CX5020 嵌入式控制器的基础上监测主轴承和齿轮箱。为此,用五个 EL3632 超采样端子模块和一个 EL3413 电力测量端子模块配备了一个终端控制柜。UMTS 调制解调器和紧凑型加热器可以作为附加选项集成。视可用的接口而定,状态监测系统也可集成到现有的控制器中。

      3、智能软件

      1)TwinCAT3

      基于Microsoft Visual Studio的TwinCAT3开发应用软件,为实现智能化的软件控制技术提供有力保证。eXtended Automation Engineering (XAE)把所有的开发工具集成在 VS 2010/2012这个框架中TwinCAT3实时核能够实现多任务多处理器的运行。

      • TwinCAT3 PLC – IEC61131-3 增加面向对象编程

      • 利用 C 和 C++ 来进行自动化编程

      • 在Matlab®/Simulink® 环境编程并通过WORKSHOP产生C代码

      在为 TwinCAT 3 Run-Time 环境创建Matlab®/Simulink®模型时,无需使用Beckhoff的特殊组件或对原始模型进行其它修改。Matlab®及 Simulink®编译器会自动生成 C++ 代码,然后 C++ 代码会被编译到 TwinCAT 3 模型中。通过实例化,用户可以轻松地重新使用模块。例如,用户可以在 TwinCAT 中直接看到设置断点的 Simulink®框图。

      2)倍福基于TwinCAT3平台开发出Tcwind

      Tcwind是倍福开发的提供基本功能的风力发电机组自动化软件,具备设计支持开发、调试和维护功能。能够实时处理和捕捉所有重要数据,每个组件独立或与其他组件组合工作。能够灵活的配置、诊断、监控,在线监测,组态和交互适用于每一个应用程序。实现历史诊断的连续记录和评估及保存,实现数据上传和下载。

      3)TwinCAT 3 状态监测软件库

      最新的TwinCAT 3 状态监测软件库提高了这些选项的利用率。通过快速任务记录原始数据,然后通过慢速任务进行进一步处理。这样可持续记录需测量的数据,然后通过诸如功率谱、峰态、波峰因数及包络谱等算法进行分析。用户无须担心任务间的通信,因为状态监测库会自动对其进行处理。

      4)TwinCAT Scope 还实现了科技自动化软件所有相关信号的可视化

      TwinCAT Scope 由两个组件构成,其中,View 组件用于以图表的形式显示信号;Server 组件用于将数据记录在目标设备中。TwinCAT 3 安装文件通常包括基本版的 Scope。这特别适合用于系统调试。Scope 能够让用户以图形化方式快速概览设备状态。使用不同的光标可以精确读取测量数据,其精度甚至可以达到微秒级范围。如果数值范围较大,可切换至对数显示。Scope 产品实现了许多额外的功能,例如长期记录或集成在.NET 可视化软件中。所有级别的 Scope 产品都可显示EtherCAT 测量端子模块的超采样值。

      图3、使用TwinCAT Scope显示对数信号分析

      5)TwinCAT IoT

      TwinCAT3还可以为快速、有效的实时物联网和工业4.0概念的实现提供完整的解决方案。TwinCAT IoT 支持标准的云通信协议,可以发送推送信息到智能终端。作为传统控制任务的扩展,通过诸如大数据存储、模式识别、或者状态及功率监控等功能有效地提升了我们产品的竞争力。TwinCAT 3 IoT可以很简单地进行配置. 它和嵌入式PC或者IPC一起可以作为一个物联网的控制器,为物联网和以太网服务器提供无缝的连接。升级的软件平台为用户提供了广泛的功能用来实现过程数据的交换,比如标准的通信协议、访问云服务商提供的特殊数据和云服务器。常见的公共云系统如微软的Microsoft Azure™ 或者亚马逊的Web Services™。当然这些服务器也可以部署在本地网络上。

      6)TwinCAT OPC UA

      OPC Unified Architecture (UA)是下一代经典的OPC标准,它描述了全球标准的通信协议,允许基于不同平台的设备之间传输数据实现通信。OPC UA 符合工业4.0和物联网的需求,这正是它成为工业4.0官方的通信协议的原因。

      OPC UA一个最主要的特点是在通信堆栈中标准集成了安全机制。

      TwinCAT OPC UA 运行访问TwinCAT的实时核,也可以和其他UA设备直接进行通信,它包含了客户端和服务器功能更是提高了系统通信的灵活性。

      通过基于PC的控制技术,TwinCAT自动化软件支持OPC通信(服务器和客户端)

      4、智能变桨系统

      智能风机最重要的组成部分应该是变桨系统,智能变桨系统包括:超级电容或电池的性能检测功能、变桨驱动器及电机的性能检测、各部件的温度、供电系统电压、电流检测、滑环性能检测、轮毂振动监测、叶片振动、应变检测、除冰功能,并且实现变桨系统的远程维护功能,故障日志文件记录读取,与主控系统的无线冗余功能。

      叶片是风电机组的主要部件,其结构强度直接影响到风电机组的工作效率和运行可靠性。风电机组叶片的工作环境除了承受变化的空气动力外,还受到本身惯性力以及机舱带来的负荷,很容易发生振动。风电机组的叶片上安装振动加速度传感器。由于风速变化而引起叶片在轴向方向上产生振动,该振动加速度传感器能够对叶片振动的加速度数值进行采集测量,反应叶片振动的运动性质。

      在智能变桨系统控制器中,实时采集各振动数据,在程序中加入对振动数据的实时采集实时滤波计算FFT处理,可以高效的配合主控实现最佳叶尖速比的获取,最大性能的提升风机利用率。

      变桨系统数据采集处理模型

      5、智能变流系统

      BECKHOFF推出基于EtherCAT通讯的变流器IPC控制平台,当然也推广到中高压变频器;EtherCAT满足变流器内部快速实时通讯的要求,可以实现循环时间在50us;EtherCAT具有实时、同步、可靠特点;变流器内部EtherCAT线路冗余。采用与主控系统统一主站通过EtherCAT连接IO模块,以及PIB(功率接口板)IGBT控制板可以高效的实现变流器的实时控制。

      6、智能化的风场网络

      基于Beckhoff技术的实时风场网络控制,整个风场网络的响应时间小于1ms。

      1)电网波动的快速响应

      电网波动的快速采集,低电压穿越和高电压穿越的命令快速下发。

      2) 整个风场网络有功功率的控制

      通过优化算法计算得到每一台风机的有功功率数值,整个网络作为一个整体控制。

      3) 整个风场网络无功功率的控制(电压控制)

      通过优化算法计算得到每一台风机的无功功率(无功电流)数值,整个网络作为一个整体控制。协调整个风场网络的无功功率,确保并网点的电压恒定。

      4) 频率控制

      确保并网点的频率恒定。

      Beckhoff 科技自动化技术将高性能工业 PC 或嵌入式控制器、高确定性的EtherCAT现场总线系统和智能软件完美整合于一体,为将来智慧风能作出应有的贡献。智慧风机的单机运行数据收集、积累、计算,总结各种型号风机的共性缺陷和风资源利用率,为现有风机的技术创新、工程项目后评价工作及未来新建场站风机选型提供强有力的数据支持,确保投资效益最大化。智慧风机通过功率曲线拟合、功率曲线对比、单机横向对比、单机纵向对比、单机监视及报警关联部件、单机性能分析、曲线偏差率排行榜、风机切入切出风速对比、单机绩效榜等功能的实现,基本完成了对风场电站运行指导、运行建议的全覆盖,实现最大程度提高发电量的目的,并寻找到利润增长点。

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