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    風(fēng)力發(fā)電正在中國蓬勃發(fā)展，即使在金融危機的大形勢下，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。

    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。

    1　貝加萊風(fēng)電方案

    1.1　豐富的能源行業(yè)經(jīng)驗

    貝加萊在能源行業(yè)擁有豐富的經(jīng)驗，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燃氣電廠（單循環(huán)電廠、復(fù)合循環(huán)電廠），蒸汽渦輪機，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，勵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)機組，沼氣，天然氣等燃氣發(fā)動機與魯能集團合作的國內(nèi)第一個生物發(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€國家都在建設(shè)風(fēng)場，風(fēng)機的安裝地點十分廣泛，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，這對風(fēng)機中的器件提出了很高的要求，作為風(fēng)機運行的大腦——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)機主控系統(tǒng)中采用的X20系統(tǒng)，在產(chǎn)品設(shè)計之初就考慮了這些需求，除了通過標準的CE、C-UL-US、GOST-R等認證外，貝加萊的產(chǎn)品在德國TüV實驗室做了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到:-70℃～100℃，振動極限可達到55g(RMS)。針對海上風(fēng)機X20系統(tǒng)也通過了德國船級社認證（German Lloyd），適用于海上環(huán)境，同時X20系統(tǒng)的MTBF時間可達到50萬個小時，所有硬件都經(jīng)過嚴格的溫度濕度，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，這些指標從硬件方面都已完全滿足了現(xiàn)場提出的高標準要求，X20系統(tǒng)在各行各業(yè)的實際應(yīng)用情況也都證明了這一點。

    與此同時，X20系統(tǒng)也可通過其靈活的擴展性降低客戶成本，總線系統(tǒng)上的硬件實時時鐘，1微秒精確定時的智能 I/Os，完整的遠程訪問，WEB調(diào)試，維護及診斷功能提高客戶的效率，可大大降低維護成本，全面的兼容性及開放性（標準的軟件接口，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。

    包括典型拓撲結(jié)構(gòu)和適用于海上風(fēng)機的CPU總線及電源冗余拓撲結(jié)構(gòu)。

    風(fēng)機典型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
 

圖1 風(fēng)機典型拓撲結(jié)構(gòu)

    緊湊、模塊化、可擴展的 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……符合 GL 2010，滿足安全認證 SIL3/PLe，擁有openSAFETY技術(shù)的先進的安全系統(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總線及電源冗余拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
 

圖2 CPU總線及電源冗余拓撲結(jié)構(gòu)

    貝加萊冗余系統(tǒng)是一套硬件冗余系統(tǒng)，由兩個互為熱備的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時性的EthernetPOWERLINK通訊總線進行連接，傳輸速率可達100Mbit/s，拓撲結(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之間采用光纖進行數(shù)據(jù)同步，傳輸速度可達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標準型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?保證客戶在項目的整個生命周期都只使用一個工具，包括項目開發(fā)、代碼生成、仿真分析、調(diào)試、服務(wù)維護及后續(xù)改造。客戶不僅可以通過Automation Studio進行編程，開閉環(huán)控制，安全鏈實現(xiàn)，人機界面，運動控制，遠程診斷及維護，還可以進行項目管理，內(nèi)嵌的版本控制系統(tǒng)及項目數(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)平臺默認帶有的閉環(huán)控制、濾波、數(shù)據(jù)記錄等標準庫，模塊化設(shè)計亦大大縮短了客戶端的開發(fā)周期及代碼復(fù)用率。開放標準的通訊平臺（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)默認的遠程維護功能（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、機械工程、材料工程等多種學(xué)科和專業(yè)，貝加萊在2007年進入風(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)機建立起真實、準確的仿真模型，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)計人員的編程調(diào)試時間，降低現(xiàn)場調(diào)試費用。

    1.6　軟件平臺

    風(fēng)機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，以下幾點是該軟件包的設(shè)計理念：

    （1）基于標準化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/移除單個部分；

    便于維護；

    便于測試；

    測試過部分代碼的復(fù)用；

    適用與多種機型（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——可以運行時維護。

    （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)機模型的基礎(chǔ)上，我們將風(fēng)機主控軟件按對

    象劃分為以下幾個程序包：

    Brake　　機械剎車操作（雙饋機組）

    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

    一個風(fēng)機主控系統(tǒng)項目的開發(fā)會由多人參與，為了更便于團隊化編程以及項目的調(diào)試和維護，我們將每個程序包又分解為相同框架結(jié)構(gòu)的幾個部分，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)機系統(tǒng)的主控軟件設(shè)計與開發(fā)工作，這一方案的優(yōu)勢在國內(nèi)外幾個合作項目中都得到了很好的體現(xiàn)。

    1.7　組態(tài)程序包

    主要實現(xiàn)以下幾類功能

    （1）風(fēng)機整機和各部件的實時數(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)機各項統(tǒng)計數(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)機控制：停機、開機、復(fù)位、維護 、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的計算機通過IE即可調(diào)用出此界面，實現(xiàn)瘦客戶端的SCADA系統(tǒng)，通過最新的IT技術(shù)實現(xiàn)了遠程維護和管理功能，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，用戶可用于檢測機艙，軸及齒輪箱的振動，方便客戶進行更有效的預(yù)期維護，減少維護成本。靈活開放的接口可連接任何第三方震動分析軟件進行數(shù)據(jù)詳細解析。

     1.9　安全系統(tǒng)（可選）

     風(fēng)機的安全鏈設(shè)計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現(xiàn)，兩種模式均各有特點，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，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實時通信技術(shù)而設(shè)計的，通過將系統(tǒng)中關(guān)鍵的邏輯如強風(fēng)、惡劣天氣，機組的狀態(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POWERLINKControlled Node來運行，只有在Safety邏輯對應(yīng)的I/O動作時才引發(fā)一個安全邏輯的執(zhí)行過程（這些過程依據(jù)引發(fā)安全的源設(shè)計而不同），Safetylogic是獨立于標準控制單元的。

     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)電這樣牽扯到嚴格的機組安全的應(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)電機溫度檢測，安全扭纜檢測，安全變槳角度檢測等功能。1.10　遠程診斷及維護

    （1）遠程維護是系統(tǒng)必需的設(shè)計

    對于風(fēng)力發(fā)電機組而言，遠程監(jiān)控?zé)o疑至關(guān)重要，因為風(fēng)力發(fā)電機組的安裝往往是在海邊、山谷風(fēng)口、沙漠隔壁這樣的遠離市區(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)能夠提供豐富的遠程維護和監(jiān)控手段，將大大降低風(fēng)機的調(diào)試及維護成本，而貝加萊的方案在這方面為客戶提供了多樣的選擇。

    （2）多種遠程維護方案

    遠程診斷與維護提供了維護風(fēng)電場設(shè)備和系統(tǒng)的便捷方案，在B&R系統(tǒng)中，實現(xiàn)遠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的遠程維護

    在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，這是以一個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遠程訪問的能力

    通過Windows自帶的IE瀏覽器即可實現(xiàn)對遠程主機的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運行、當(dāng)前I/O參數(shù)等。此外基于JAVA的單機scada系統(tǒng)也可通過IE來做訪問。

    FTP Server提供了遠程的程序傳輸能力

    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MMS短信形式在最快的時間里發(fā)送到監(jiān)控工程師的手機上，以便及時對現(xiàn)場問題采取措施。

    （3）監(jiān)控范圍

    在B&R的系統(tǒng)中，遠程維護不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實現(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，事實上在風(fēng)力發(fā)電場的每個參數(shù)，一個傳感器的輸入、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)電場提供整場運行的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，包括設(shè)備維護、根源分析等管理級任務(wù)，這個可以由B&R APROL DCS系統(tǒng)來完成，貝加萊不僅提供了整機控制、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：

    （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)機模型及主控流程算法） ；

    （2）專業(yè)的技術(shù)團隊及本地化服務(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、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)，豐富的遠程維護手段；

    （9）支持冗余方案（CPU冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余），硬件模塊已通過GL認證；

    （10）其他行業(yè)的經(jīng)驗積累。

    摘自《自動化博覽》5月刊