用于风力发电的TwinCAT3状态监测系统

　　风力发电机组中的自动化程度正在不断地提升。除了主控系统外，在线监测和风场网络也发挥着越来越重要的作用。许多传统控制器的供应商遇到了无法逾越的性能瓶颈。其解决办法就是自动化系统，该系统以一套科学方法为基础，将所需的测量设备集成到标准控制架构中。

　　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。这些组件也是在对风力发电机组进行自动化改造所不可或缺的。风力发电机组制造商们想要使用相同的系统完成控制任务、监控、电网同步和系统间通信。只要想到在控制器上处理的复杂状态监测算法，使用多核CPU的优势就显而易见了。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式控制器。CX2000系列采用的是Intel Sandy Bridge处理器。除此之外，还有经济型Sandy Bridge Celeron?、Intel?Core? i7处理器可供用户选择。甚至配备了1.5GHz处理器(双核)的CX2030系列采用的也是无风扇设计，因为没有旋转部件，因此运行也非常稳定。

　　因此必须使用合适的软件来充分发挥这些控制器的性能优势。这就是为什么要使用Beckhoff TwinCAT3控制软件的原因。TwinCAT3的实时环境使得任意数量的PLC、安全PLC和C++任务都能在同一个或不同的CPU内核上执行。

　　1.TwinCAT3状态监测库

　　最新的TwinCAT3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。软件库中各个功能块产生的结果会被记录到全局转移托盘(一种内存表)中。在全局转移托盘中，结果会被复制给变量或借助其它算法进行进一步处理。这样，用户便可以配置他们自己的测量和分析链。

　　图1、调用winCAT3中的功率谱功能块 图2、TwinCAT状态监测库提供不同的功能块用于信号分析

　　特别在风电行业、智能电网、微电网等领域，必须对这类开发产品进行大量的测试和仿真，因为一旦投入运行，在现场进行修改和升级就会相当耗时，且成本也较高。若要节省时间和开发成本，可以使用Matlab?/Simulink?对源代码进行实时仿真。这样，很多问题在试运行前就可以检测到并进行相应修正。在为TwinCAT3Run-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TwinCAT3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。

　　除了TwinCAT3、状态监测系统和Matlab?/Simulink?集成包之外，TwinCATScope还实现了科技自动化软件所有相关信号的可视化。TwinCATScope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。TwinCAT3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。

　　2.EtherCAT:高精度测量技术

　　EtherCAT作为一个高速、实时总线系统进一步完善了Beckhoff科技自动化解决方案。EtherCAT不仅是成熟的控制现场总线，而且也是测量现场总线。只有这种基于以太网且具有高度确定性的高速现场总线协议才能实现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。连同前面提到的超采样功能及将数值直接缓存在EtherCAT从站中，采样率可远远超过实际的总线周期：例如，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100kHz的频率采样±10V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。抖动被显着降低到小于1微秒，甚至常常会小于100纳秒。

　　图3、使用TwinCATScope显示对数信号分析

　　EL3632也是一种EtherCAT超采样端子模块。该端子模块适合用于状态监测应用，在实际应用中，振动必须通过加速度传感器或麦克风进行采样。带IEPE(压电集成电路)接口的压电传感器可直接连接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0.05Hz至50kHz的信号采样频率。EL3632的操作原理与EL3773的操作原理相同。EL3773是一款电力监测端子模块，使用超采样技术采样原始电网数据，采样高达10kHz,实时采集电网电压电流，通过EtherCAT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TwinCAT3的功能库，还能对电网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，用于采样原始电网数据，而不是原始振动数据。电流和电压采样高达10kHz,这使得端子模块适合与其它网络同步。

　　这款宽度仅为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。

　　总结

　　科技自动化将工程研究成果整合到风力发电机组的自动化系统中，这是传统控制器无法实现的。Beckhoff的PC控制技术理念为集成大量的标准控制之外的高级功能预留了足够的空间。高性能CPU、高速I/O端子模块、EtherCAT通信和TwinCAT自动化软件为实现此目的提供了坚实的技术基础，同样这些高速双向通讯网络、先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法，也是未来智能电网的必要技术因素。