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新一代轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)臺(tái)

隨著風(fēng)機(jī)容量增大，搭載的葉片長(zhǎng)度也隨之增長(zhǎng)，新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)將配備長(zhǎng)達(dá) 100 米的巨型轉(zhuǎn)子葉片，而這些葉片對(duì)于丹麥奧爾堡的 Blaest 公司的現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)來(lái)說(shuō)實(shí)在太大了。公司為此建造了新的測(cè)試中心，完全重新設(shè)計(jì)了其控制和測(cè)試裝備：EtherCAT P 和一個(gè)定制的測(cè)量放大器箱現(xiàn)在取代了數(shù)百根線纜，并通過(guò)靠近測(cè)量點(diǎn)的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備提高精度。通過(guò)配備基于 PC 的控制技術(shù)，Blaest 現(xiàn)在已經(jīng)為未來(lái)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(dòng)。公司成立于 2005 年，其前身是丹麥可持續(xù)能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始就一直致力于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)試。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室仍然使用沙袋測(cè)量葉片的承重能力。時(shí)至今日，測(cè)量方法日漸成熟并完全數(shù)字化，機(jī)電自動(dòng)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(gè)月的測(cè)試期間，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片都將以很大的力在不同的方向上擺動(dòng)約 400 萬(wàn)次。

“我們的主要工作就是進(jìn)行葉片疲勞試驗(yàn)，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(cè)試工程師 Nicolai Vangsgaard 解釋道。風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)使用壽命通常約為 20 到 30 年，Blaest 專家會(huì)對(duì)每個(gè)葉片的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)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(jì)載荷方式驗(yàn)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(cè)試步驟。”Nicolai Vangsgaard 說(shuō)道。因此，Blaest 公司現(xiàn)在選用了倍福基于 PC 的控制和測(cè)量技術(shù)。畢竟，測(cè)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(zhǎng)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(cè)中心，新建一棟更大的試驗(yàn)廳，并升級(jí)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(gè)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(cè)量信號(hào)。在傳統(tǒng)的測(cè)試方法中，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都需要一根單獨(dú)的線纜，這樣不僅會(huì)產(chǎn)生巨額成本，而且用來(lái)連接葉片以及控制系統(tǒng)的線纜會(huì)太多，容易纏到一起。

“我們的主要目標(biāo)是擁有一個(gè)更加靈活、通道數(shù)量可以隨著風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度增加和性能的增強(qiáng)而隨時(shí)擴(kuò)展的系統(tǒng)。”測(cè)試工程師解釋道。這是因?yàn)橄乱淮娘L(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度將達(dá)到 100 米，而不是現(xiàn)在常見(jiàn)的 70 至 80 米。這意味著需要更多的傳感器和更多的測(cè)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(shí)，應(yīng)盡可能靠近每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，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(zhǎng)的電纜。由于 Blaest 使用的是公司為每個(gè)客戶自主研發(fā)定制的軟件，因此需要有一個(gè)既開(kāi)放、適應(yīng)性又很強(qiáng)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

根據(jù)用戶具體需求定制開(kāi)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(gè)月時(shí)間開(kāi)發(fā)了一款分布式多通道 EtherCAT P 端子盒，用于評(píng)估測(cè)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(hào)。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(guò) 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(cè)量點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景。“按照客戶需求定制開(kāi)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(cè)量點(diǎn)的模擬量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量測(cè)量值，這在很大程度上降低了電纜干擾和模擬信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)。任何一名檢測(cè)工程師都可以肯定的是：“線纜越短，測(cè)量結(jié)果就越準(zhǔn)確。”此外，EtherCAT P 既可傳輸 EtherCAT 信號(hào)，又能夠供電，減少了需使用的線纜數(shù)量。“這個(gè)方案之所以能成功，是因?yàn)?EtherCAT 能夠處理大型網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)極低的實(shí)時(shí)更新時(shí)間。”J?rgen Berg 補(bǔ)充道。在一次風(fēng)機(jī)測(cè)試期間平均可以記錄 9500 億個(gè)測(cè)量值，相當(dāng)于總共 7 兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。500 個(gè)稱重傳感器的測(cè)量值每隔 4 毫秒就會(huì)流入一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

舊的測(cè)量系統(tǒng)需要為每臺(tái)測(cè)試裝置鋪設(shè)超過(guò) 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(zhǎng)度只有 1 公里，并且可以通過(guò)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(lái)算，每個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)就能節(jié)省 30,000 丹麥克朗（約 4000 歐元）。“倍福的控制系統(tǒng)不僅滿足了我們?cè)跀?shù)字化和智能數(shù)據(jù)采集方面的需求，而且在價(jià)格、可用性以及技術(shù)支持方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，提升了我們的競(jìng)爭(zhēng)力。”Nicolai Vangsgaard 說(shuō)道。

“Blaest 實(shí)際上運(yùn)營(yíng)著世界上最大的 EtherCAT 熱連接系統(tǒng)。”J?rgen Berg 說(shuō)道。每個(gè) EPP 端子盒都有自己的地址，因此可以即時(shí)添加或刪除模塊。根據(jù) Nicolai Vangsgaard 的說(shuō)法，“事實(shí)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(tái)工業(yè) PC、一個(gè) EtherCAT P 接口和一個(gè)安全模塊。“總體來(lái)說(shuō)，它的速度更快，適應(yīng)性更強(qiáng)，同時(shí)成本也更低，測(cè)量更精確。另一大優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性，即我們的測(cè)試中心對(duì)所有風(fēng)機(jī)制造商開(kāi)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。