风电控制系统开发平台利器

作者：贝加莱工业自动化

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 今天，风力发电技术的市场正在迅猛增长，而对于控制器的需求也具有极大的潜力，然而，控制系统硬件及应用软件包均来自欧洲制造商的授权，而国内目前尚未有成熟的可用于大型风力发电机组的控制器设计，而风力发电与普通的机械设备在控制器的设计上有非常大的不同，其控制算法复杂，需要强大的处理能力和算法设计能力，另一方面，它需要更可靠的设计，而如何去实现这些复杂的要求，B&R，作为自动化领域技术的倡导者提供了一个卓越的整机控制的完整系统平台。 平台之利——风电机组控制全流程平台 所谓“工欲善其事，必先利其器”，要开发自主知识产权的控制系统，开发平台的选择至关重要，提供持续的创新设计和高度的集成能力，是一个必不可少的评估条件，这涉及到了实时的硬件性能需求，算法设计能力，建模和仿真分析，Safety技术、Motion、总线技术、传感器技术，风电场SCADA系统，作为全球自动化技术领导者的B&R，提供了风力发电机组控制系统设计所需的这一切软硬件平台。 （1）整机控制 风力发电机组的控制分为三个单元，在塔基的主控单元，机舱里的逻辑控制单元以及安装在HUB里的变桨伺服系统，分别介绍如下： ● C算法设计的PCC：不仅仅是满足实时性的要求，PCC内嵌入了Automation Runtime的实时操作系统，它是一个多任务的定性系统设计，满足了风力发电对于控制的实时性平台要求，并且，C高级语言的支持使得它具备了应对风力发电所需的复杂算法设计能力，算法设计的复杂性由传统的强于Logic的PLC来实现不可想象。 ● Safety技术：风力发电机组在恶劣环境（如风速超速）、紧急停车等状态下需要启动Safety运行来对保护机组、叶片等机械件的安全。满足SIL 3的Safety技术在这里并非仅仅指的是Safety Logic，Safety Motion和Powerlink Safety也提供了针对运动控制和通信总线的安全设计，使得Iogic、Motion和总线进行整体的安全集成，这是一个目前为止最为完整和彻底的整机安全方案。 ● 支持滑环的POWERLINK：由于变桨伺服系统的安装是位于HUB里的，那么必然造成电缆的扭曲和绞绕，那么高速的总线也可以被滑环进行数据的可靠传输，POWERLINK提供了高速的伺服之间的同步叶片调整，和在升速、降速和运行中的桨距稳定调整，它能够实现高速的运动任务。 ● 移动式面板：移动式面板使得这个机器也可以只需要一个面板，安装在机器各个点上的信号接入使得Mobile Panel可以被用来进行不同单元程序和参数的调整，它不仅仅是为了美观，而是一个移动式的显示终端，用于节省成本，使得多个HMI被一个代替。 （2）变桨控制系统 为了获得“最大叶尖速比”充分使用风能资源，另一方面在安全逻辑的要求下，伺服系统也需要将叶片调整到最小迎风面来获得一个对机组的安全保障。 ● 灵活的实现：CANopen及 Profibus DP（Slave）的支持能力使得变桨系统可以连接到第三方主控，也可以在B&R的主控中直接控制，这提供了一个灵活的方案来满足客户不同的需求。 ● SPT使得变桨并不需要专用的运动控制处理器来实现，ACOPOSmulti驱动技术提供了一个非常有竞争力的设计，Smart Process Technology使得这个变桨系统无需PLC即可独立运行，每个ACOPOSmulti单元都设计成一个独立控制单元一样，通过总线的连接其多个单元之间可以实现同步，而SPT则可以处理运动过程的任务，实现光滑而可靠的速度曲线来对系统进行调整。 ● 直流供电及低温电池：ACOPOSmulti伺服驱动系统是一个基于共直流母线技术（Common DC Bus Technology）设计的驱动系统，它的直流母线可以由外部的直流电源来供电运行，这使得在外部无电力的情况下或者机组切出情况下恢复机组叶片的位置成为可能，为了满足风力发电对于苛刻的环境需求，B&R为其设计了Supply Box安装于每个ACOPOSmulti的驱动单元，这项技术极富竞争力，即使在极其寒冷的区域，ACOPOSmulti也能提供有效的直流供电来完成其设计任务。 （3） 革命性的软件设计平台——嵌入SIMULINK工具包 风力发电系统的设计是一种基于建模（Modeling Based）的控制器设计技术，Mathworks的Matlab/Simulink提供了这一设计需求的模型设计和仿真分析的平台，B&R在2008年与Mathworks建立了战略合作，在B&R Automation Stduio一体化开发平台上集成了Matlab Simulink的工具包，Stateflow和Stateflow coder是一个基于事件建模的工具和代码生成器，而Real-time workshop Embedded coder则提供了为SIMULINK建模进行仿真分析的工具。 ● 无风险和低成本的软件设计：是否需要设计好系统然后再去测试控制器的设计是否满足风电机组的各种可能工况的要求？显然，这不是一个经济的方案，因为，即使是普通的印刷机这样的设备进行调试，也要针对不同纸张在不同速度下的测试，往往意味着一卷卷的纸张被消耗在测试过程中，而风电机组？如果这个机器尚未运送到风场的厂内测试没有风力条件怎么办？因为客户并不要求你装好机组到风场去测试，因为，他们买的是一台可以良好运行的机器而不是一个正在不断进行测试的机器，这是问题的所在，而更重要的是，一个控制器的设计用于机组存在巨大的潜在风险-对于风力发电机组而言，风险是实实在在的存在，而不是可能，如何去无风险的并且低成本的设计？ ● 设计理念（Hardware in the Loop）：Hardware in the loop是一种回路硬件测试方法，在航空航天、汽车、医药、建筑领域里验证为可行的方案，它能够大大的降低成本，通过回路硬件测试方法，可以在控制器上进行建模，并模拟各种动作，例如：风力发电机组的启动、运行、紧急停车、安全逻辑、当机，通过外部传感器的模拟电流、功率、相位等的变化来进行变桨系统的运动控制和机组的速度调整等等。 你完全可以构建一个控制器核心，然后外围接入实际的物理硬件，如温度传感器、振动传感器以及电压测量模块等，你可以通过外部传感器的参数的变化来观测所设计的控制软件是否获得实际的输出，这样，你将能够不断发现问题并对控制器的算法和参数进行调整。 ● 设计流程：首先是在Automation Studio里嵌入的SIMULINK或Stateflow,单元进行机组的模型建立，它可以模拟机组的各种传感器和执行机构的物理模型，每个物理的组件都可以被模拟，然后，设计的控制器进行仿真分析，在外部条件变化，例如：转子的速度反馈，功率、相位的反馈都将被输入到控制器，进行控制器的PID调节参数的调整以便获得期望的工作效果，Real-time Workshop Embedded Coder和Stateflow Coder也被嵌入到Automation Studio中用于代码的自动生成，这些编译的代码将被下载到控制器中被运行，对结果进行反馈，根据反馈对控制器的参数进行优化设计，所有这些最终可以被编译为C代码下载到控制器中，经过如此设计的机组控制软件将被下载到实际的现场进行运行测试，在如此设计基础上的控制器将大大的降低现场测试的环节所需要的时间和成本。 Stateflow通过开发有限状态机和流程图设计环境来扩展SIMULINK的功能，它采用自然、刻度和易于理解的图形方式来表达复杂的逻辑，结合Matlab/SIMULINK，能够为风力发电这种典型的包含了控制、优先级管理、工作模式切换的应用提供一个非常高效的仿真分析平台。 Real-Time Workshop Embedded Coder，在Automation Studio里嵌入了Real-Time Workshop® Embedded Coder 工具包，它能够为Stateflow模型生成C代码。其生成的代码同专业手写代码一样清楚、高效，并且能够满足以结构紧凑，运行快速为首要需求的嵌入式系统、目标快速原型板、批量生产中使用的微处理器和实时模拟器。这些是风力发电机组控制的典型需求，同时，Real-Time Workshop® Embedded Coder支持对原有应用程序，函数及数据的集成，这也使得之前的工作得到了保存而不至于时间的浪费 远程维护是必需的设计 风电场由于要借助于自然风的发电需求，而这些场所一般都会在野外，例如：达坂城就有国内最大的风力发电场，也是世界最大的，这些地方距离城市非常的遥远，对于出口到国外的整机，远程诊断与维护极其重要，从设备制造角度的远程维护应用需求而言，没有一个行业像风电这样如此迫切需求。 远程维护会为系统增加很多成本吗？因为带有以太网口的控制器在传统的PLC里需要增加额外成本的，而B&R的PCC则是基于Intel兼容芯片的，这使得PCC可以轻松集成一个以太网口来实现与上位机的连接，而且，在Automation Studio里VNC Server、FTP Server、Web Server是一个软件组件而已，它只需要通过配置管理器进行配置即可，成本？可能是0，也可能是一个Modem的成本。 （1）VNC Server的远程维护，VNC Server和Web Server只需配置即可，这是一个软件功能块形式存在的，无需增加任何成本，并且，VNC Server的监控软件是免费的可获得的，不仅提供完全现场监控级的权限，也能够提供参数修改和设置的能力，这使得远程对机器的操作成为可能，看上去，就像是一台在本地的机器一样，这很有诱惑力，在几乎不增加成本的情况下，可以实现一台机器的控制如此简单。 （2）Web Server是另一种实现方法，同样，不增加什么成本即可实现，通过设置本地IP赋予现场每个风机的控制器，将需要监控的参数下载到本地，通过Windows自带的IE浏览器即可实现对远程主机的数据监控，包括CPU运行、当前I/O参数等。 （3） FTP Server提供了远程的程序传输能力，通过FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后经由Internet远程下载到控制器中。 其它的方式也包括通过短信的方式、邮件的方式来实现远程维护与诊断。 平台利器的意义在于能够为客户提供一个长期有效，持续创新的平台，它具备了所有可能用到不同厂商提供的产品的集合，B&R提供的是一个非常适合国内设备制造商开发自主系统的平台。

文章内容仅供参考 (投稿) (9/29/2010)