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倍福中國(guó)風(fēng)電技術(shù)工程師 李小寧

“工業(yè)4.0”時(shí)代，智能化是制造業(yè)發(fā)展的方向，自動(dòng)化軟件作為信息化和工業(yè)化相融合的重要支撐，將在未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展中起著不可替代的作用。德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司（以下簡(jiǎn)稱倍福）始終以基于PC的自動(dòng)化新技術(shù)作為發(fā)展理念，將創(chuàng)新精神融入軟硬件的全系列產(chǎn)品，為客戶提供開放式的自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。

據(jù)倍福中國(guó)風(fēng)電技術(shù)工程師李小寧介紹，德國(guó)倍福的自動(dòng)化軟件是在倍福硬件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，如今已是倍福重要的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。其軟件業(yè)務(wù)依據(jù)行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)分類，每個(gè)行業(yè)都有一套完整的基于倍福TwinCAT軟件平臺(tái)衍生的行業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，具體行業(yè)具體分析，以求為行業(yè)用戶提供全方位的自動(dòng)化軟件服務(wù)。

目前倍福的自動(dòng)化軟件主要應(yīng)用在金屬加工、注塑機(jī)械、機(jī)器人、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)，其產(chǎn)品得到了市場(chǎng)的肯定，用戶的青睞。基于TwinCAT 3平臺(tái)開發(fā)的風(fēng)電主控軟件框架TwinCAT WindFramework是一套完整的風(fēng)電主控系統(tǒng)軟件解決方案，它有如下多方面的特色優(yōu)勢(shì)：

（1）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，重新構(gòu)架主控軟件系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)可以完全獨(dú)立，將子系統(tǒng)間的耦合降到最低，不僅可以提高軟件開發(fā)效率，還會(huì)降低軟件的維護(hù)成本；

（2）軟件系統(tǒng)基于倍福多核硬件平臺(tái)，可以靈活地自定義各個(gè)子系統(tǒng)到指定內(nèi)核運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行性能；

（3）軟件框架可以運(yùn)行在x86或x64操作系統(tǒng)中，具有靈活的用戶接口，這為開發(fā)和使用人員提供了極大的便利；

（4）基于該框架用戶可以靈活選用C/C++、Matlab、PLC等編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)主控程序，在TwinCAT 3強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行代碼調(diào)試和故障診斷等操作；

（5）采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用戶定義的所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)和云計(jì)算提供了完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和靈活的調(diào)用接口。該軟件一經(jīng)推出便受到廣大客戶的推崇，目前已經(jīng)在大兆瓦級(jí)的風(fēng)機(jī)上得到成功應(yīng)用。

產(chǎn)品與服務(wù)一直如影相隨，倍福會(huì)為自己的客戶提供哪些自動(dòng)化軟件服務(wù)？李小寧告訴記者：“倍福為客戶提供售前方案、售中技術(shù)培訓(xùn)、售后技術(shù)支持和維護(hù)等全方位的技術(shù)支持和服務(wù)，協(xié)助客戶快速解決使用Beckhoff產(chǎn)品和系統(tǒng)時(shí)遇到的各種技術(shù)問題。為及時(shí)滿足客戶需求，提高公司服務(wù)品質(zhì)，公司成立了專業(yè)的技術(shù)支持和售后服務(wù)團(tuán)隊(duì)，為客戶提供產(chǎn)品全生命周期的技術(shù)支持和售后服務(wù)。”

李小寧分析，在“工業(yè)4.0”的大環(huán)境下，自動(dòng)化軟件成為行業(yè)焦點(diǎn)，引領(lǐng)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展。倍福基于PC的實(shí)時(shí)控制理念、軟件業(yè)務(wù)未來(lái)的發(fā)展方向與“工業(yè)4.0”完全契合，相信未來(lái)倍福的自動(dòng)化軟件將極具發(fā)展前景。

成功案例分享

Beckhoff TwinCAT3 軟件在5MW風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)中的應(yīng)用

全新模塊化 TwinCAT Wind Framework為靈活的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供巨大幫助

1　背景介紹

德國(guó)Aerodyn Energiesysteme公司主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)和葉片開發(fā)，其產(chǎn)品基于模塊化aeroMaster技術(shù)，能夠滿足高發(fā)電量和高運(yùn)行安全的要求。其與中國(guó)系統(tǒng)制造商運(yùn)達(dá)合作的5MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)是首套采用TwinCAT 3軟件并使用TwinCAT WindFramework的aeroMaster系統(tǒng)。

與中國(guó)系統(tǒng)制造商運(yùn)達(dá)合作的5MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)是首套采用TwinCAT 3軟件并使用TwinCAT Wind Framework的aeroMaster系統(tǒng)

2　應(yīng)用情況

在5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)中，Aerodyn采用了最新的控制和軟件技術(shù)，包括倍福的全面基于PC的控制解決方案和全新的模塊化TwinCAT Wind Framework。TwinCAT Wind Framework采用了最新的軟件工程界面和面向大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，使當(dāng)前的工業(yè)4.0概念擴(kuò)展到風(fēng)電行業(yè)中。例如，模塊化軟件支持直接將傳感器數(shù)據(jù)提供給運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)庫(kù)，并且能夠輕松與風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制和管理系統(tǒng)匹配，以滿足未來(lái)需求。

5MW風(fēng)機(jī)需要大量的控制技術(shù)，電氣部分包括三個(gè)控制柜：

塔基控制柜包含運(yùn)行控制系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)、基于TwinSAFE的安全系統(tǒng)，以及與風(fēng)場(chǎng)中央控制室進(jìn)行通訊的風(fēng)場(chǎng)通訊系統(tǒng)，該通訊系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一個(gè)EtherCAT從站，這為新的應(yīng)用拓展做好了準(zhǔn)備。

機(jī)艙控制柜管理所有機(jī)艙和輪轂傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及變槳控制和驅(qū)動(dòng)器。

變流器柜也安裝在機(jī)艙中，里面安裝了風(fēng)扇和變頻器，以及方位角控制器。

塔基控制柜內(nèi)安裝了整個(gè)控制系統(tǒng)的核心——一臺(tái)采用 Intel?Core?i7 技術(shù)的Beckhoff CX2030嵌入式控制器，它可以完全獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一切控制，并且不能被遠(yuǎn)程訪問。可以被遠(yuǎn)程訪問的是一臺(tái)Beckhoff工業(yè)PC-C6930，它采用了Intel? Core?i5處理器，并配備了256GB固態(tài)硬盤。為了提供一個(gè)遠(yuǎn)程維護(hù)接入點(diǎn)，使用一臺(tái)Beckhoff CP2915 15英寸控制面板實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和可視化功能。伴隨大容量固態(tài)硬盤的是一套功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)此，Aerodyn公司總經(jīng)理Markus Rees說(shuō)道：“由于大量的數(shù)據(jù)記錄對(duì)于樣機(jī)來(lái)說(shuō)非常重要，因此必須采集比正常運(yùn)行中需求數(shù)據(jù)量多很多的數(shù)據(jù)。機(jī)艙控制柜中用于可視化目的的工業(yè)PC和控制面板僅用于該樣機(jī)，常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)將不會(huì)使用。”

基于PC的控制解決方案的靈活性帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)，從Beckhoff寬泛的I/O模塊產(chǎn)品線受益頗多，408個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，通過(guò)218 個(gè)EtherCAT數(shù)字量I/O模塊、9個(gè)CAN 主站模塊、2個(gè)RS485模塊、31個(gè)IO-Link端子模塊、5個(gè)編碼器模塊和2個(gè)電力測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)。此外，33個(gè)TwinSAFE端子模塊用于人員和設(shè)備安全系統(tǒng)控制，其功能包括緊急關(guān)機(jī)、超速保護(hù)、振動(dòng)保護(hù)和位置限定等。實(shí)踐證明，TwinSAFE是非常適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全解決方案，因?yàn)橥ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT實(shí)現(xiàn)的TwinSAFE通訊系統(tǒng)可以長(zhǎng)距離處理通訊任務(wù)，比如使用光纖電纜。由于所有安全數(shù)據(jù)都可以在控制器中自動(dòng)提供，無(wú)需任何額外的硬件，所以系統(tǒng)集成也很容易。

EtherCAT已經(jīng)在風(fēng)電應(yīng)用中證明了它的價(jià)值，這不僅是因?yàn)樗梢暂p松完成塔基和機(jī)艙間長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸（這個(gè)距離通常要超過(guò)100米），更重要的是線路冗余和可以幫助輕松實(shí)現(xiàn)故障排除的深度診斷功能。所有這些功能的結(jié)合為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件提供了高性能的通訊能力。甚至風(fēng)場(chǎng)通訊也可無(wú)縫接入，這在不久前安裝樣機(jī)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

3　效果分析

Aerodyn公司的aeroMaster 5.0是首臺(tái)采用TwinCAT 3軟件TwinCAT Wind Framework的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)通常是模塊化形式，包括變槳系統(tǒng)、變流器、不同廠商的發(fā)電機(jī)等。借助封裝入模塊的Beckhoff控制技術(shù)和風(fēng)電專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，以及面向風(fēng)電應(yīng)用的專業(yè)模板，TwinCAT 3 Wind Framework與硬件模塊可以實(shí)現(xiàn)完美的結(jié)合。TcWind模塊包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)化控制所需的豐富功能，所有數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)訪問，并可以進(jìn)行長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。應(yīng)用模板提供了一個(gè)能夠快速和高效實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的模塊化架構(gòu)。

Aerodyn充分利用了TwinCAT 3的優(yōu)勢(shì)，為了確定極端和常規(guī)運(yùn)行時(shí)的載荷，可以將控制器中風(fēng)機(jī)仿真算法輕松地從源代碼封裝入C++模塊。此外在集成工程界面VisualStudio?和源代碼管理工具Subversion的幫助下，德國(guó)與中國(guó)的工程師的協(xié)作也變得更加容易。

TwinCAT 3軟件在運(yùn)達(dá)5MW風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)中的應(yīng)用，是倍福在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用的一大亮點(diǎn)，該主控系統(tǒng)采用了完整的倍福風(fēng)電解決方案，將是未來(lái)海上風(fēng)電的發(fā)展方向。

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年11月刊