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案例頻道 風(fēng)力發(fā)電正在中國蓬勃發(fā)展，即使在金融危機(jī)的大形勢下，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)仍然不斷的加大投資。近年，風(fēng)力發(fā)電仍然保持著強(qiáng)勁的增長勢頭，Vestas、Gemsa、GE以及國內(nèi)的金風(fēng)科技等廠商，其訂單交付已經(jīng)到幾年后。
國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)起步較晚，目前的控制系統(tǒng)均是由歐洲專用控制方案提供商提供的專用系統(tǒng)，價(jià)格高昂且交貨周期較長。開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)必須要提上日程，一方面，由于缺乏差異化而使得未來競爭中的透明度過高，造成企業(yè)陷入激烈的價(jià)格競爭；另一方面，尋找合適的平臺開發(fā)自主的風(fēng)電控制系統(tǒng)將使制造商在未來激烈競爭中占得先機(jī)。
然而，風(fēng)電控制系統(tǒng)必須滿足風(fēng)電行業(yè)特殊的需求和苛刻的指標(biāo)要求，這一切都對風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)平臺提出了要求，而B&R的控制系統(tǒng)，在軟、硬件上均提供了適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)需求的設(shè)計(jì)。
1 貝加萊風(fēng)電方案
1.1 豐富的能源行業(yè)經(jīng)驗(yàn)
貝加萊在能源行業(yè)擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，在不同領(lǐng)域與多家知名公司都保持很好的合作伙伴關(guān)系。如與ALSTOM燃?xì)怆姀S（單循環(huán)電廠、復(fù)合循環(huán)電廠），蒸汽渦輪機(jī)，水利發(fā)電廠，自動電壓調(diào)節(jié)器，碳捕獲和存儲 (CCS)，地?zé)岚l(fā)電廠，與CONVERTEAM水電（調(diào)速異步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁單元變流器以及抽水蓄能啟動變頻器），風(fēng)電及太陽能發(fā)電的變流器，船舶推進(jìn)的變流器，與國家電網(wǎng)合作的電網(wǎng)監(jiān)控站，與ANDRITZ水電全程方案，GEJanbacher的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，沼氣，天然氣等燃?xì)獍l(fā)動機(jī)與魯能集團(tuán)合作的國內(nèi)第一個(gè)生物發(fā)電廠等。
豐富的能源行業(yè)應(yīng)用案例使得貝加萊能夠迅速及準(zhǔn)確地抓獲風(fēng)電行業(yè)的需求。
1.2 魯邦性的控制系統(tǒng)
當(dāng)今，基于全球?qū)η鍧嵞茉吹闹匾暎鱾€(gè)國家都在建設(shè)風(fēng)場，風(fēng)機(jī)的安裝地點(diǎn)十分廣泛，北半球、南半球、陸地、海洋，只要有合適風(fēng)資源的場所就可安裝風(fēng)機(jī)，這對風(fēng)機(jī)中的器件提出了很高的要求，作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行的大腦——控制系統(tǒng)來說，同樣不例外：寬溫、抗震、防腐蝕、電磁兼容性好等幾方面成為了最基本的要求。
貝加萊在風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)中采用的X20系統(tǒng)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就考慮了這些需求，除了通過標(biāo)準(zhǔn)的CE、C-UL-US、GOST-R等認(rèn)證外，貝加萊的產(chǎn)品在德國TüV實(shí)驗(yàn)室做了HALT（高加速壽命）測試，測試結(jié)果表明，X20系統(tǒng)的操作極限溫度可達(dá)到:-70℃～100℃，振動極限可達(dá)到55g(RMS)。針對海上風(fēng)機(jī)X20系統(tǒng)也通過了德國船級社認(rèn)證（German Lloyd），適用于海上環(huán)境，同時(shí)X20系統(tǒng)的MTBF時(shí)間可達(dá)到50萬個(gè)小時(shí)，所有硬件都經(jīng)過嚴(yán)格的溫度濕度，振動沖擊，EMC及耐久性測試，100%聚焦光學(xué)檢測, 100%電路測試，100%功能測試，這些指標(biāo)從硬件方面都已完全滿足了現(xiàn)場提出的高標(biāo)準(zhǔn)要求，X20系統(tǒng)在各行各業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況也都證明了這一點(diǎn)。
與此同時(shí)，X20系統(tǒng)也可通過其靈活的擴(kuò)展性降低客戶成本，總線系統(tǒng)上的硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘，1微秒精確定時(shí)的智能 I/Os，完整的遠(yuǎn)程訪問，WEB調(diào)試，維護(hù)及診斷功能提高客戶的效率，可大大降低維護(hù)成本，全面的兼容性及開放性（標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，完全支持所有的總線）保證投資安全。
1.3 創(chuàng)新的解決方案
穩(wěn)健可靠的硬件（主控、先進(jìn)的安全系統(tǒng)、狀態(tài)檢測、電網(wǎng)檢測、變槳系統(tǒng)）以及架構(gòu)開放的行業(yè)定制的軟件(主控、變槳扭矩控制算法、組態(tài)包)共同構(gòu)建成貝加萊風(fēng)電創(chuàng)新的解決方案。
包括典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適用于海上風(fēng)機(jī)的CPU總線及電源冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
風(fēng)機(jī)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖1 風(fēng)機(jī)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
緊湊、模塊化、可擴(kuò)展的 CPU 及 I/O，支持所有現(xiàn)場總線,支持各類模塊 DI、DO、AI、AO、AT、I/O 連接，光纖，電網(wǎng)監(jiān)控，應(yīng)變計(jì)……符合 GL 2010，滿足安全認(rèn)證 SIL3/PLe，擁有openSAFETY技術(shù)的先進(jìn)的安全系統(tǒng)，振動傳感器模塊，風(fēng)輪過速安全模塊等共同組成了貝加萊風(fēng)電控制硬件方案。
CPU總線及電源冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。
圖2 CPU總線及電源冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
貝加萊冗余系統(tǒng)是一套硬件冗余系統(tǒng)，由兩個(gè)互為熱備的PLC以及I/O站組成。冗余PLC與I/O站之間的連線稱為I/O總線（或者現(xiàn)場總線），采用具有高可靠性和實(shí)時(shí)性的EthernetPOWERLINK通訊總線進(jìn)行連接，傳輸速率可達(dá)100Mbit/s，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可支持星形、樹形、總線型或者環(huán)型，并可根據(jù)需要連接成雙網(wǎng)冗余或者環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。冗余PLC之間采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，傳輸速度可達(dá)1000Mbit/s。
在貝加萊硬件冗余系統(tǒng)中，幾乎所有貝加萊產(chǎn)品都可以作為冗余系統(tǒng)的I/O站，這些產(chǎn)品包括X20模塊、X20標(biāo)準(zhǔn)型CPU、X67模塊、HMI以及Safety產(chǎn)品。不僅如此，由第三方開發(fā)的能夠支持POWERLINK通訊協(xié)議的設(shè)備也可作為冗余系統(tǒng)的I/O站使用。
1.4 智能工程
貝加萊All in one的開發(fā)軟件Automation Studio?保證客戶在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期都只使用一個(gè)工具，包括項(xiàng)目開發(fā)、代碼生成、仿真分析、調(diào)試、服務(wù)維護(hù)及后續(xù)改造。客戶不僅可以通過Automation Studio進(jìn)行編程，開閉環(huán)控制，安全鏈實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面，運(yùn)動控制，遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)，還可以進(jìn)行項(xiàng)目管理，內(nèi)嵌的版本控制系統(tǒng)及項(xiàng)目數(shù)據(jù)（電氣圖紙、說明文檔等）管理，可以很好地管理程序及方便工程師接手。此外，靈活的編程方式也可滿足不同客戶的需求，支持IEC61131-3、ANSI C 和 C++各語言無縫集成和融合，并可通過第三方接口如Matlab/Simulink建模后自動生成系統(tǒng)可執(zhí)行的C語言代碼。開發(fā)平臺默認(rèn)帶有的閉環(huán)控制、濾波、數(shù)據(jù)記錄等標(biāo)準(zhǔn)庫，模塊化設(shè)計(jì)亦大大縮短了客戶端的開發(fā)周期及代碼復(fù)用率。開放標(biāo)準(zhǔn)的通訊平臺（用戶層完整的UDP/IP 和 TCP/IP、OPC、OPC-UA 服務(wù)器、SQL 數(shù)據(jù)庫連接客戶端、WEB-服務(wù)器，用于交互存儲數(shù)據(jù)的FTP 服務(wù)器，連接到Windows 驅(qū)動CIFS 客戶端、VNC-技術(shù)）及系統(tǒng)默認(rèn)的遠(yuǎn)程維護(hù)功能（SDM）提供客戶兼容性及便利。
1.5 專家知識
風(fēng)能利用是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到了氣象學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)、電力電子、機(jī)械工程、材料工程等多種學(xué)科和專業(yè)，貝加萊在2007年進(jìn)入風(fēng)電領(lǐng)域之初，就和ISET建立起了合作關(guān)系，通過ISET的支持，貝加萊可以很快地對某一風(fēng)機(jī)建立起真實(shí)、準(zhǔn)確的仿真模型，并且通過MATLAB/Simulink接口，直接導(dǎo)入Automation Studio，在開發(fā)階段就可完成大部分的參數(shù)診定、程序測試等工作，并且通過這個(gè)模型可以自動生成變槳、扭矩控制算法。這將大大減少工程設(shè)計(jì)人員的編程調(diào)試時(shí)間，降低現(xiàn)場調(diào)試費(fèi)用。
1.6 軟件平臺
風(fēng)機(jī)主控軟件包是由貝加萊公司資深算法工程師、軟件工程師組成的研發(fā)小組，歷時(shí)2年所完成的一套軟件包，目前已有部分國內(nèi)外客戶在使用該軟件包，獲得了較好的使用反饋，以下幾點(diǎn)是該軟件包的設(shè)計(jì)理念：
（1）基于標(biāo)準(zhǔn)化IEC61131-3語言開發(fā)：結(jié)構(gòu)文本（Structuredtext）。
（2）軟件結(jié)構(gòu)由一些小部分組成并接口清晰（模塊化結(jié)構(gòu)）:
便于添加/修改/移除單個(gè)部分；
便于維護(hù)；
便于測試；
測試過部分代碼的復(fù)用；
適用與多種機(jī)型（雙饋、直驅(qū)）。
（3）軟件修改和下載無需重啟。
（4）集成完整的 I/O 診斷——可以運(yùn)行時(shí)維護(hù)。
（5）高度參數(shù)化——參數(shù)修改不會引起跳變 。
在深入分析了風(fēng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，我們將風(fēng)機(jī)主控軟件按對
象劃分為以下幾個(gè)程序包：
Brake 機(jī)械剎車操作（雙饋機(jī)組）
Cabinet 電控柜相關(guān)硬件: 燈, 按鈕, 電控柜風(fēng)扇…
Communication 與組態(tài)終段，風(fēng)場的通訊
Cooling 齒輪箱，發(fā)電機(jī)等冷卻水和風(fēng)扇控制…
DataLogger 生成并存儲長期數(shù)據(jù)
Environment 振動, 機(jī)艙和塔底溫度…
Gearbox 溫度檢測, 耐久度…
Grid 箱變和電網(wǎng) (電壓, 電流, 頻率…)
Hydraulic 處理液壓系統(tǒng)
Lubrication 主軸承，齒輪箱，偏航等輪滑
Pitch 變槳系統(tǒng)操作
Power 變換器及發(fā)電機(jī)操作
Rotor 風(fēng)輪速度檢測
System 主流程，手動控制，變槳/扭矩控制器
偏航控制器
Ups UPS 管理
Weather 風(fēng)速風(fēng)向，室外溫度 …
Yaw 偏航操作
一個(gè)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)會由多人參與，為了更便于團(tuán)隊(duì)化編程以及項(xiàng)目的調(diào)試和維護(hù)，我們將每個(gè)程序包又分解為相同框架結(jié)構(gòu)的幾個(gè)部分，利用這樣的模塊化結(jié)構(gòu)，再加上貝加萊產(chǎn)品的定性分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)以及集成AS開發(fā)平臺，可以快速的完成一套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的主控軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，這一方案的優(yōu)勢在國內(nèi)外幾個(gè)合作項(xiàng)目中都得到了很好的體現(xiàn)。
1.7 組態(tài)程序包
主要實(shí)現(xiàn)以下幾類功能
（1）風(fēng)機(jī)整機(jī)和各部件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息：狀態(tài)信息 、溫度信息、轉(zhuǎn)速信息、電氣信息、環(huán)境信息；
（2）風(fēng)機(jī)各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息：10分鐘平均數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)；
（3）風(fēng)機(jī)控制：停機(jī)、開機(jī)、復(fù)位、維護(hù) 、參數(shù)設(shè)定；有功功率調(diào)節(jié)；無功功率調(diào)節(jié)。
基于web技術(shù)的開放式單機(jī)SCADA系統(tǒng)，除了主控柜上的HMI可以顯示和操作此界面外，任何一臺可以連接到主控PLC的計(jì)算機(jī)通過IE即可調(diào)用出此界面，實(shí)現(xiàn)瘦客戶端的SCADA系統(tǒng)，通過最新的IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)和管理功能，其主界面如圖3所示。
圖3 主界面圖
1.8 CMS系統(tǒng)（可選）
X20系統(tǒng)中還將有一系列是專門針對狀態(tài)檢測模塊，特殊的振動模塊及智能的模塊數(shù)據(jù)處理，用戶可用于檢測機(jī)艙，軸及齒輪箱的振動，方便客戶進(jìn)行更有效的預(yù)期維護(hù)，減少維護(hù)成本。靈活開放的接口可連接任何第三方震動分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)詳細(xì)解析。
1.9 安全系統(tǒng)（可選）
風(fēng)機(jī)的安全鏈設(shè)計(jì)中可通過安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來實(shí)現(xiàn)，兩種模式均各有特點(diǎn)，但集成式的安全系統(tǒng)無疑是未來的趨勢。
B&R safety技術(shù)是目前運(yùn)行最高效率的安全系統(tǒng)，并且有完整的產(chǎn)品線如Safetylogic 、Safety I/O、Safety Motion、PowerlinkSafety，滿足SIL 3級別的設(shè)計(jì)，安全邏輯的掃描周期為1ms，是目前刷新最快的Safety Logic產(chǎn)品，B&R SafetyLogic是基于POWERLINK實(shí)時(shí)通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的，通過將系統(tǒng)中關(guān)鍵的邏輯如強(qiáng)風(fēng)、惡劣天氣，機(jī)組的狀態(tài)變化如葉輪過速、扭纜、電源失效、制動和操作人員的緊急按鈕動作等通過黃色的X20 SafetyI/O輸入到系統(tǒng)中，而Safetylogic控制器作為一個(gè)POWERLINKControlled Node來運(yùn)行，只有在Safety邏輯對應(yīng)的I/O動作時(shí)才引發(fā)一個(gè)安全邏輯的執(zhí)行過程（這些過程依據(jù)引發(fā)安全的源設(shè)計(jì)而不同），Safetylogic是獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)控制單元的。
貝加萊的方案可采用集成的安全系統(tǒng)，所有安全模塊可安裝在系統(tǒng)的任何一處。同時(shí)B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety庫應(yīng)用，支持20種開放的PLCopenSafety功能塊，對于風(fēng)力發(fā)電這樣牽扯到嚴(yán)格的機(jī)組安全的應(yīng)用而言，它不僅高效、完整并且開放，易于構(gòu)建安全邏輯。
針對GL 2010保護(hù)功能的要求，貝加萊除普通安全輸入輸出SDI，SDO模塊外，還提供一系列經(jīng)過認(rèn)證的特殊安全模塊，如防止風(fēng)輪過速的安全技術(shù)模塊，可直接連接風(fēng)速風(fēng)向儀表的安全模擬量模塊等一系列安全模塊，此外還具備安全功率測量，安全發(fā)電機(jī)溫度檢測，安全扭纜檢測，安全變槳角度檢測等功能。1.10 遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)
（1）遠(yuǎn)程維護(hù)是系統(tǒng)必需的設(shè)計(jì)
對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o疑至關(guān)重要，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝往往是在海邊、山谷風(fēng)口、沙漠隔壁這樣的遠(yuǎn)離市區(qū)的地方，只有這些地方才能提供較大的風(fēng)力資源。如果一套系統(tǒng)能夠提供豐富的遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控手段，將大大降低風(fēng)機(jī)的調(diào)試及維護(hù)成本，而貝加萊的方案在這方面為客戶提供了多樣的選擇。
（2）多種遠(yuǎn)程維護(hù)方案
遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)提供了維護(hù)風(fēng)電場設(shè)備和系統(tǒng)的便捷方案，在B&R系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程方案靈活并且能夠不增加或付出很少的成本即可。
基于VNC Server的遠(yuǎn)程維護(hù)
在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，這是以一個(gè)軟件功能塊形式存在的，無需增加任何成本，并且VNC Server的監(jiān)控軟件是可免費(fèi)獲得的，不僅完全提供現(xiàn)場監(jiān)控級的權(quán)限，也能夠提供參數(shù)修改和設(shè)置的能力。
Web Server則提供了基于Internet遠(yuǎn)程訪問的能力
通過Windows自帶的IE瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程主機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運(yùn)行、當(dāng)前I/O參數(shù)等。此外基于JAVA的單機(jī)scada系統(tǒng)也可通過IE來做訪問。
FTP Server提供了遠(yuǎn)程的程序傳輸能力
通過FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后經(jīng)由Internet遠(yuǎn)程下載到控制器中。
SNMP則提供了電子郵件發(fā)送數(shù)據(jù)的可能
E-mail可以傳送如現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等到監(jiān)控端的電子信箱中。
GSM支持則使得關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以通過手機(jī)MMS短信形式在最快的時(shí)間里發(fā)送到監(jiān)控工程師的手機(jī)上，以便及時(shí)對現(xiàn)場問題采取措施。
（3）監(jiān)控范圍
在B&R的系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程維護(hù)不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實(shí)現(xiàn)，而且也包含了：
針對各種參數(shù)的監(jiān)控
不僅僅是電流、電壓，事實(shí)上在風(fēng)力發(fā)電場的每個(gè)參數(shù)，一個(gè)傳感器的輸入、I/O模塊、CPU，甚至軟件中的中間變量都可以被遠(yuǎn)程監(jiān)控到。
面向整場的管理級服務(wù)
通過靈活的軟件平臺，B&R也能為風(fēng)力發(fā)電場提供整場運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，包括設(shè)備維護(hù)、根源分析等管理級任務(wù)，這個(gè)可以由B&R APROL DCS系統(tǒng)來完成，貝加萊不僅提供了整機(jī)控制、監(jiān)控，也提供面向整場的管理級服務(wù)。
2 結(jié)語
有別于市場的風(fēng)電控制系統(tǒng)供應(yīng)商，貝加萊公司推出的風(fēng)電行業(yè)整體解決方案
具有以下顯著特點(diǎn)：
（1）自主掌握的風(fēng)電主控源代碼，Know-how（基于歐洲專業(yè)的風(fēng)機(jī)模型及主控流程算法） ；
（2）專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)及本地化服務(wù)（包括軟件開發(fā)、技術(shù)支持及后續(xù)調(diào)試） ；
（3）風(fēng)電全方案
主控；
基于Powerlink的變流器方案；
變槳算法；
狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；
安全系統(tǒng)（滿足GL2010）等；
（4）靈活的合作模式，積極的合作態(tài)度 ；
（5）極富競爭力的綜合成本控制 （硬件、軟件、維護(hù)、升級、培訓(xùn)等） ；
（6）模塊化的軟件結(jié)構(gòu)（WTC Package） ；
（7）集成的開發(fā)環(huán)境（Automation Studio、All in one、safety）；
（8）開放、完整的系統(tǒng)架構(gòu)，豐富的遠(yuǎn)程維護(hù)手段；
（9）支持冗余方案（CPU冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余），硬件模塊已通過GL認(rèn)證；
（10）其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)積累。
摘自《自動化博覽》5月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號