倍福基于工业-40-的智能风机控制平台

倍福基于工业4.0的智能风机控制平台2工业4.0及能源互联网持续成为工业和能源领域关注的焦点，在我国也已上升到国家战略高度。在这个趋势之下，智能风机和智慧风场也逐渐成为风力发电未来的发展方向。智能风机一般包括以下几个方面：感知能力—能够感知外部世界、获取外部信息的能力。倍福I/O产品可满足智能风机对信号采集的不断增长的需求。—400种I/O端子模块—特殊功能模块，如电力测量端子模块/显示端子模块，现场总线接口模块—XFC模块，如振动监测端子模块，电力监测端子模块—灵活的扩展方式记忆和思维能力—能够存储感知到的外部信息，同时能够利用已有的知识对信息进行分析、计算、比较、判断、联想、决策。TwinCAT3软件可无缝集成到VisualStudio®开发环境中，大量成熟先进的软件工具可用于数据存储、计算及分析。�—集成于VisualStudio®�—可使用C/C++作为实时应用程序的编程语言�—可链接至Matlab®/Simulink®�—支持多核CPU和64位操作系统自学习、自适应和决策能力—具备学习积累知识能力，适应环境变化，自主优化控制策略和运行方式。倍福基于PC的控制技术及性能强大的嵌入式控制器使得过去只能在高性能的计算机智能风机及智慧风场上进行智能算法可用于风机控制。—CX控制器可配备一个、两个或四个处理器内核—可实现计算密集型任务智慧风场则涉及从风资源评估、风电场规划、微观选址、风场能量管理、远程诊断和维护等风场的全生命周期管理。从控制角度看，倍福的产品和技术可以为实现智慧风场提供如下几个方面的支持：风场级的电压和功率控制—EtherCAT极速风场控制网络—整个风场1ms的响应时间—测量值以及给定值的同步时间差小于1µs远程诊断和维护—集成式CMS—EL3632用于传动链监测—EL3356用于叶片及螺栓监测—EL3773用于电网监测风场管理—开放的网络通讯构架—支持IEC61400-25，实现风场通讯的标准化—支持OPCUA，实现MES/ERP的数据传输工业4.0技术—TwinCAT3WindFramework—风机主控制器集成本地数据库，风场及企业级数据可统一管理—模块化软件框架3大数据在实时系统中为系统运营商和制造商进行所有相关数据的预处理、可用性分析和整理–数据整合和数据存储–数据分析和数据挖掘–电力和状态监测工程开发环境装机整个生命周期中全面的集成式工程环境–IEC61131-3编程语言，C/C++，MATLAB®/Simulink®–面向对象，模块化–工程工具之间的数据交换–自动完成工程设计通讯垂直安全和水平通讯–支持所有相关的总线系统（EtherCAT，Ethernet，PROFIBUS等）–全面的消息/链接功能（ADS，OPCUA，现场诊断等）云大数据运营商制造商4尽管人工智能技术的发展从未间断，但迄今为止，还没有任何智能设备能够超越人脑的智慧。在不久的将来，人类借助多核技术和超强的CPU计算能力将慢慢靠近这一梦想。只要拥有足够的CPU处理能力，人工智能控制算法（如神经网络技术、模糊控制）就可应用于工业控制领域。倍福基于PC的控制技术理念将性能强大的CPU用于工业控制。新型CX5130嵌入式控制器非常适合用于风力发电机组的中央控制平台。CX51x0和以前产品相比具有明显的优势，它可以配备单核、双核或四核处理器，具有性能优越、成本低等特具备多核CPU的控制器点。CX5130能够处理风力发电机组的所有控制任务，包括可视化、安全性和状态监测。由于TwinCAT3支持多核技术，这样能够在CX5130上实现计算密集型任务，例如在一个单独的CPU内核上进行状态监测。CX20x0嵌入式控制器则是更高性能的嵌入式控制器：它采用了Intel®Core™多核处理器，可以配备单核、双核或四核处理器。随着它们性能上的大幅提升，这一系列的嵌入式控制器的性能已经可以与较大的控制柜式安装的工业PC相媲美。5丰富的IO模块环境感知能力是实现智能风机的重要部分。智能风机中传感器的数量成倍增加，种类更加多样，而且性能要求也更高。除了传统的温度、风速、转速、压力传感器之外，还增加了振动、电力、应变计等更丰富的传感器，从而可实现风机自身状态及外部环境的全面监测。EtherCAT是一种基于以太网的高速现场总线，它可为对时间有严格要求的应用提供最佳实时性能，而无需在中央处理器内配备专用硬件。采用XFC技术（极速控制技术），利用时间戳技术可获得小于100ns的时间分辨率，传感器信号可以在不到10µs的采样时间内被扫描读入系统。由于EtherCAT的技术优势以及开放性，传感器厂商也可提供集成EtherCAT接口的传感器，比如旋转编码器、力传感器、视觉传感器、光纤传感器、RFID等。IO-Link端子模块EL6224直接在E-bus上集成底层IO-Link设备。带IO-Link接口的设备能与EL6224进行数字化通信，从而与控制器交换过程数据、配置信息和诊断数据。与传统的数字开关信号或模拟量信号相比，通过IO-Link连接可提高系统的信息化、智能化水平，更符合“工业4.0”的需求。另外，为了采集更多的信息，涉及的系统多种多样，将来可能会使用多种现场总线接口。传统控制系统中现场总线接口必须集成在工业PC或者控制器本体上，限制了使用的灵活性。EtherCAT的以太网带宽和以太网帧的数据长度使得现场总线接口可以使用总线接口端子模块灵活地集成在E-bus上。6TwinCAT3软件可无缝集成到VisualStudio®开发环境中，这为自动化专业的应用提供了大量可用的先进软件工具，可显著扩大标准自动化领域的潜力。除了基于面向对象的IEC61131-3标准语言扩展外，在TwinCAT3中也可以使用IT领域中广泛采用的C和C++编程语言。Matlab®/Simulink®的无缝集成则能够轻松地将自动化与科学领域联系起来。TwinCAT3软件的自动化接口能够自动生成程序和系统配置。视自动化程度不同，可以减少或避免手动处理控制项目及相关故障。项目自动生成功能不仅提升了软件工程质量，同时也缩短了编程时间，降低了编程成本。这项功能对于系统配置复杂的风机主控系统来说十分重要，同时也可以提高软件编程的自动化、智能化水平。另外，借助于VisualStudio®强大的开发环境和TeamFoundationServer代码管理工具，还可对整个项目进行管理和维护，同时可以实现团队成员之间的协作。TwinCAT3软件多核处理器以其高性能、低功耗优势正逐步取代传统的单处理器成为市场的主流，TwinCAT3对多核CPU的支持，让PC控制性能如虎添翼，可有效提高系统资源的利用率。7EtherCAT极速风场控制网络随着可再生能源所占的比例逐渐增加，风能和太阳能等间歇性能源对电网产生了一定的影响。智慧风场首先应该满足对有功无功、电压、频率调控能力、暂态支撑能力等电网兼容性方面的要求。风场网络通讯速度以及风力发电机组自动化现场总线的通讯速度对风场电压或无功功率控制的动态特性可产生显著影响。倍福基于EtherCAT的极速风场控制网络解决方案可实现小于1ms的响应时间，为风场高速实时通讯设立了新标准。基于EtherCAT的系统可以测量并网点电流和电压瞬时值，并且采样速率可达到10KHz。如果出现电压跌落，系统能够在1ms之内调整网络中所有风力发电机组的给定值。所有测量值以及控制给定值的同步时间误差小于1微秒，基于上述技术对电流、电压和频率进行控制可以提供最佳的电网支持。使用这项技术甚至还可以实现风场内的各风机变流器的IGBT同步，这将使得整个风场的变流器在特定的情形下可以像一个变流器一样协同工作。另外，若EtherCAT风场控制网络使用的是环状拓扑结构，还可实现风场控制网络的缆线冗余。高性能的EtherCAT技术使得通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应。因此，风场控制器也必须采用高性能的工业PC才能更好地发挥EtherCAT的高性能。倍福紧凑型控制柜式工业PCC6930非常适合用于在基于EtherCAT的控制系统中作为中央控制器。它配备了两个标准以太网端口和一个可选的以太网口，性能卓越，可用来实现EtherCAT控制任务和网络通讯。CANopenEthernetTCP/IPPROFIBUSEL3773EL3413CU1521EtherCAT风力发电机组控制电网监测（可选）（可选）（可选）控制室EtherCAT光纤（100BASE-FX），最长2000米（多模光纤）或20,000米（单模光纤）89智慧风场除了满足风场控制要求，对风场的数字化和信息化也提出了更高的要求。倍福控制系统除了支持所有常见的现场总线系统，如EtherCAT、PROFIBUS和CANOpen，还支持ADS、EAP、OPCUA，IEC61400-25等通讯协议，可实现工业4.0所要求的横向和纵向通讯整合所需的通讯要求。工业4.0和物联网不仅需要数字工厂内部各层级之间无缝持续的通讯，同时需要通过基于云服务和其他网络技术进行外部通讯。EtherCAT是实时工业以太网现场总线，特别适用于机器和设备的控制，同时EtherCAT自动化协议（EAP）适用于主站间精简的数据交换，而OPCUA作为扩展通信和集成安全性设计的平台，能够将加密数据传输至MES/ERP系统和云中。ETG和OPC基金会通过共同定义两种技术间的开放接口满足工业4.0和物联网的通讯需求。开放的通讯架构OPCUA是目前已经使用的OPC工业标准的补充，提供了一些重要的特性，包括如平台独立性、扩展性、高可靠性和连接互联网的能力。OPCUA不再依靠DCOM，而是基于面向服务的架构（SOA），使用更加简便。因此它成为德国工业4.0、美国工业互联网以及工业控制PLCopen的重要基础性技术标准。IEC61400-25是国际电工委员会开发的标准系列，是一个在风场中应用的标准通信解决方案。使用IEC61400-25可以将监测和控制方案独立于具体的厂家及产品，可以采用统一的系统来储存、分析和呈现风场相关信息。TwinCAT通过PLC功能库支持IEC61400-25通讯协议，从而实现风场通讯的标准化。10风力发电机组中的智能化程度正在不断提升。除了主控系统外，在线监测也发挥着越来越重要的作用。通过分析轴承或电机振动数据，在故障出现之前检测磨损和损坏情况，可避免出现意外的故障停工或延长维护周期。集成于主控系统的状态监测系统则可以提供更全面的机组诊断。倍福已开发了专用的状态监测端子模块：比如EL3632用于传动链振动监测，EL3356用于叶片及螺栓监测，EL3773用于电力监测等。这些新增的端子模块都可以很方便的集成到现有的主控系统中去。集成于主控系统的状态监测系统可以直接获取风电机组内部的所有信息，包括变桨、偏航、液压、润滑等，因此集成式状态监测系统能够滤除有关偏航或变桨、辅助系统启动等产生的噪声，减少系统的误报警。TwinCATConditionMonitoring软件功能库还提供了模块化的数学算法系统，用于分析测量值。用户可根据具体的应用程序选择适用的算法，并在其TwinCATPLC程序中执行。根据计算的结果，用户可以确定设备的工作状态，例如滚动轴承的状态或何时需要更换，从而提高了系统的可用性。集成式CMS工具箱：软件+硬件ChinaRoadshow20131/3/20166BeckhoffCMToolbox-SoftwareBeckhoff状态监测系统解决方案-风场布局图1/3/20165NewAutomationTechnology11倍福风电技术最新的亮点—TwinCAT3WindFramework，在风力发电机组的工程设计方面设立了一个重要里程碑。TwinCAT3WindFramework将工业4.0技术与倍福成熟的风电行业知识完美结合于一体。风机控制的所有重要功能都集成到一个软件包中：从运行管理和状态机功能，到事件管理和数据库连接，再到仿真。倍福基于TwinCAT3平台开发的风电主控软件框架将数据库直接集成到风机主控系统中。风机运行数据及状态监测数据都可以连续记录并直