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新一代轉(zhuǎn)子葉片試驗臺

隨著風(fēng)機(jī)容量增大，搭載的葉片長度也隨之增長，新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)將配備長達(dá) 100 米的巨型轉(zhuǎn)子葉片，而這些葉片對于丹麥奧爾堡的 Blaest 公司的現(xiàn)有試驗臺來說實在太大了。公司為此建造了新的測試中心，完全重新設(shè)計了其控制和測試裝備：EtherCAT P 和一個定制的測量放大器箱現(xiàn)在取代了數(shù)百根線纜，并通過靠近測量點的數(shù)字化測量設(shè)備提高精度。通過配備基于 PC 的控制技術(shù)，Blaest 現(xiàn)在已經(jīng)為未來的成功發(fā)展做好充分準(zhǔn)備。

Blaest 總部位于丹麥奧爾堡市的利姆峽灣岸邊，碧波蕩漾的海面上，一排排白色的風(fēng)機(jī)高高聳立，巨大的槳葉緩緩轉(zhuǎn)動。公司成立于 2005 年，其前身是丹麥可持續(xù)能源國家實驗室，實驗室從上世紀(jì) 80 年代開始就一直致力于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的測試。當(dāng)時，實驗室仍然使用沙袋測量葉片的承重能力。時至今日，測量方法日漸成熟并完全數(shù)字化，機(jī)電自動加載系統(tǒng)將葉片連接到固定在大廳地板上的牽引工位上。在兩到三個月的測試期間，每個轉(zhuǎn)子葉片都將以很大的力在不同的方向上擺動約 400 萬次。

“我們的主要工作就是進(jìn)行葉片疲勞試驗，以幫助各風(fēng)機(jī)制造商的風(fēng)機(jī)樣機(jī)獲得認(rèn)證。”Blaest 測試工程師 Nicolai Vangsgaard 解釋道。風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計使用壽命通常約為 20 到 30 年，Blaest 專家會對每個葉片的各項性能進(jìn)行檢測，以驗證葉片能否正常服役這么多年。“我們采用模擬葉片承受的設(shè)計載荷方式驗證葉片的疲勞性能，因此要盡可能廣泛地采用數(shù)字化手段和盡可能高的精度完成所有測試步驟。”Nicolai Vangsgaard 說道。因此，Blaest 公司現(xiàn)在選用了倍福基于 PC 的控制和測量技術(shù)。畢竟，測量速度越快，精度越高，數(shù)據(jù)采集以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果就越精確。

更長的轉(zhuǎn)子葉片要求更快的數(shù)據(jù)采集速度

2018 年，公司決定擴(kuò)建其位于奧爾堡基地的檢測中心，新建一棟更大的試驗廳，并升級更新之前使用的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制與數(shù)百個沿著巨大的轉(zhuǎn)子葉片運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集箱之間的通信，并采集傳感器中的測量信號。在傳統(tǒng)的測試方法中，每個測量點都需要一根單獨(dú)的線纜，這樣不僅會產(chǎn)生巨額成本，而且用來連接葉片以及控制系統(tǒng)的線纜會太多，容易纏到一起。

“我們的主要目標(biāo)是擁有一個更加靈活、通道數(shù)量可以隨著風(fēng)機(jī)葉片長度增加和性能的增強(qiáng)而隨時擴(kuò)展的系統(tǒng)。”測試工程師解釋道。這是因為下一代的風(fēng)機(jī)葉片長度將達(dá)到 100 米，而不是現(xiàn)在常見的 70 至 80 米。這意味著需要更多的傳感器和更多的測量通道，因此需要更高的同步性能和精度，才能記錄和處理更多的數(shù)據(jù)。更重要的是，在采集數(shù)據(jù)時，應(yīng)盡可能靠近每個測量點，避免像以前那樣使用需要不斷維護(hù)和更換的數(shù)英里長的電纜。由于 Blaest 使用的是公司為每個客戶自主研發(fā)定制的軟件，因此需要有一個既開放又適應(yīng)性又很強(qiáng)的自動化系統(tǒng)。

根據(jù)用戶具體需求定制開發(fā)

為了最大限度地降低布線的復(fù)雜性，倍福花費(fèi)了六個月時間開發(fā)了一款分布式多通道 EtherCAT P 端子盒，用于評估測量電橋，以采集轉(zhuǎn)子葉片上應(yīng)變式傳感器發(fā)出的信號。此款 I/O 端子盒是 ELM3504 EtherCAT 端子模塊的衍生產(chǎn)品，支持分析全橋、半橋和四分之一橋，分辨率為 24 位，采樣率高達(dá) 10 ksps。參數(shù)可以通過 EtherCAT 使用 CoE 目錄設(shè)置。端子盒配備了 IP20 電阻橋接口，適用于在環(huán)境受保護(hù)的前提下靠近測量點的應(yīng)用場景。“按照客戶需求定制開發(fā)的 EtherCAT P 端子盒 EPP3504-0023 目前已成為我們 EtherCAT P 產(chǎn)品系列中不可缺少的部分。”倍福丹麥分公司銷售工程師 J?rgen Berg 補(bǔ)充道。

EtherCAT P 端子盒將靠近測量點的模擬量傳感器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量測量值，這在很大程度上降低了電纜干擾和模擬信號失真的風(fēng)險。任何一名檢測工程師都可以肯定的是：“線纜越短，測量結(jié)果就越準(zhǔn)確。”此外，EtherCAT P 既可傳輸 EtherCAT 信號，又能夠供電，減少了需使用的線纜數(shù)量。“這個方案之所以能成功，是因為 EtherCAT 能夠處理大型網(wǎng)絡(luò)，同時還能實現(xiàn)極低的實時更新時間。”J?rgen Berg 補(bǔ)充道。在一次風(fēng)機(jī)測試期間平均可以記錄 9500 億個測量值，相當(dāng)于總共 7 兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。500 個稱重傳感器的測量值每隔 4 毫秒就會流入一個數(shù)據(jù)庫。

舊的測量系統(tǒng)需要為每臺測試裝置鋪設(shè)超過 10 公里的線纜。相比之下，目前使用的基于 EtherCAT P 和 EtherCAT P 端子盒的系統(tǒng)線纜長度只有 1 公里，并且可以通過添加稱重傳感器的方式輕松擴(kuò)展。Nicolai Vangsgaard 認(rèn)為，僅從減少的安裝工作量來算，每個測試結(jié)構(gòu)就能節(jié)省 30,000 丹麥克朗（約 4000 歐元或美元）。“倍福的控制系統(tǒng)不僅滿足了我們在數(shù)字化和智能數(shù)據(jù)采集方面的需求，而且在價格、可用性以及技術(shù)支持方面都具有明顯優(yōu)勢，提升了我們的競爭力。”Nicolai Vangsgaard 說道。

“Blaest 實際上運(yùn)營著世界上最大的 EtherCAT 熱連接系統(tǒng)。”J?rgen Berg 說道。每個 EPP 端子盒都有自己的地址，因此可以即時添加或刪除模塊。根據(jù) Nicolai Vangsgaard 的說法，“事實上，一切都已經(jīng)預(yù)先配置好了，因此可以輕松修改這些配置。”Blaest 的控制柜內(nèi)目前只需安裝一臺工業(yè) PC、一個 EtherCAT P 接口和一個安全模塊。“總體來說，它的速度更快，適應(yīng)性更強(qiáng)，同時成本也更低，測量更精確。另一大優(yōu)點是，系統(tǒng)具有良好的開放性，即我們的測試中心對所有風(fēng)機(jī)制造商開放，因此可以根據(jù)幾乎任何需求進(jìn)行調(diào)整。”Nicolai Vangsgaard 強(qiáng)調(diào)道。

數(shù)百個應(yīng)變片用于測量牽引工位（在背景）啟動的 100 米長的轉(zhuǎn)子葉片工作時產(chǎn)生的力和振動。

典型的測量裝置，在一個基礎(chǔ)載體上有多個稱重傳感器放大器。在這里，轉(zhuǎn)子部分的應(yīng)變片集中在一處，通過 EtherCAT P 供電和通信

據(jù) Blaest 測試工程師 Nicolai Vangsgaard 稱：“EtherCAT 熱連接和 EtherCAT P 讓我們的測量裝置能夠快速、靈活地適應(yīng)個性化的應(yīng)用需求。”