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風力發電機組中的自動化程度正在不斷地提升。除了主控系統外，在線監測和風場網絡也發揮著越來越重要的作用。許多傳統控制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系統，該系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制架構中。

Beckhoff科技自動化技術將高性能工業PC或嵌入式控制器、高確定性的EtherCAT現場總線系統和智能軟件完美整合于一體，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。風力發電機組制造商們想要使用相同的系統完成控制任務、監控、電網同步和系統間通信，需要的是應用在控制器上的復雜狀態監測算法，為此使用多核 CPU的優勢就顯而易見了。目前，Beckhoff推出了新型CX2000系列，這些功能強大的CPU是風力發電機組制造商們所喜愛的導軌安裝式、嵌入式控制器。CX2000系列采用的是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,配備了1.5GHz處理器（雙核）的CX2030系列采用了無風扇設計，因為沒有旋轉部件，因此運行非常穩定。

必須使用合適的軟件才能充分發揮這些控制器的性能優勢。這就是為什么要使用 Beckhoff TwinCAT 3控制軟件的原因。TwinCAT 3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。

TwinCAT 3狀態監測庫

最新的TwinCAT 3狀態監測軟件庫提高了選項利用率。通過快速任務記錄原始數據，然后通過慢速任務進行下一步處理，這樣可持續記錄需測量的數據，最后通過諸如功率譜（圖1）、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（圖2）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，結果會被復制給變量或借助其他算法進行下一步處理。這樣，用戶便可以配置他們自己的測量和分析。

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。通過這種方式，很多問題在試運行前就可以檢測到并進行相應修正。在為TwinCAT 3 Run-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他修改。Matlab及Simulink編譯器會自動生成C++代碼，然后C++代碼會被編譯到TwinCAT 3模型中。通過實例化，用戶可以輕松地重新使用模塊。例如，用戶可以在TwinCAT中直接看到設置斷點的Simulink框圖。

除了TwinCAT 3的狀態監測系統和Matlab/Simulink集成包之外，TwinCAT Scope（圖3）還實現了科技自動化軟件所有相關信號的可視化。TwinCAT Scope由兩個組件構成，其中的View組件用于以圖表的形式顯示信號，Server組件用于將數據記錄在目標設備中。TwinCAT 3安裝文件通常包括基本版的Scope，這特別適合用于系統調試。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范圍。如果數值范圍較大，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。

EntherCAT的高精度測量技術

EtherCAT作為一個高速、實時總線系統進一步完善了Beckhoff科技自動化解決方案。EtherCAT不僅是成熟的控制現場總線，而且也是測量現場總線。只有這種基于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復雜應用。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。連同前面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100萬采樣點/s的速度掃描信號。EtherCAT端子模塊EL3702能夠以16bit的分辨率和高達100kHz的頻率采樣±10V模擬量信號。EtherCAT從站中的分布式時鐘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于1μs，甚至常常會小于100ns。

寬廣的采樣范圍

EL3632是一種EtherCAT超采樣端子模塊。該端子模塊適合用于狀態監測應用，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。基于不同等級的硬件濾波，可以實現0.05Hz~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，而不是原始振動數據。電流和電壓采樣高達10kHz，通過EtherCAT分布時鐘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TwinCAT 3的功能庫，還能對電網40次以內的諧波、THD等進行分析。這款寬度僅為12mm的模塊的主要優點在于它具有高度靈活性。EtherCAT總線系統提供了幾乎無限的可擴展性能。這就意味著實際的測量應用程序，例如齒輪箱監測，可以在新系統中實施或在現有系統中進行升級改造。由于控制器的結構非常緊湊，且TwinCAT軟件接口具有良好的開放性，獨立系統將成為主流。該類獨立系統目前已在一些陸上風力發電機組中得到應用，用于在CX5020嵌入式控制器的基礎上監測主軸承和齒輪箱。為此，用5個EL3632超采樣端子模塊和1個EL3413電力測量端子模塊配備了1個終端控制柜。UMTS調制解調器和緊湊型加熱器可以作為附加選項集成。視可用的接口而定，狀態監測系統也可集成到現有的控制器中。

科技自動化將工程研究成果整合到風力發電機組的自動化系統中，這是傳統控制器無法實現的。Beckhoff的PC控制技術理念為集成大量的標準控制之外的高級功能預留了足夠的空間。高性能CPU、高速I/O端子模塊、EtherCAT通信和TwinCAT自動化軟件為實現此目的提供了堅實的技術基礎，同樣這些高速雙向通信網絡、先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法，也是未來智能電網的必要技術因素。