全球85,000多台風機獲益於Beckhoff控制技術

德商Beckhoff倍福自動化透過PC-based控制技術和EtherCAT技術，在全球實施成熟的、經長久時間驗證的風力發電機組控制解決方案。目前在全球已有超過 85,000 台風力發電機使用倍福的技術進行自動化改造，單台風力發電機的容量最大可達 14 兆瓦。倍福控制架構非常適合用於滿足風力發電行業的要求：開放性和可擴展性，控制器設計上的靈活性以及高整合度。從風力發電機運行控制和管理、變槳控制、變流器、齒輪箱和制動器控制，直到風場網路監控等所有過程都通過工業PC上安裝的軟體控制。

安全技術和狀態監測可透過相應的I/O模組無縫整合到端子模組網段中，因此無需使用單獨的CPU。EtherCAT 超高速即時乙太網系統與乙太網完全兼容，具有出色的即時特性。除此之外，EtherCAT 還具有拓撲結構靈活、操作簡單的特點。倍福在全新的TwinCAT 3 Wind Framework中創建了一個軟體工具，它可為風機製造商提供合適的系統編程協助和支援，並能夠將工業 4.0 概念應用到風電產業中。另一個優點是：諸如CANopen、PROFIBUS 和 Ethernet TCP/IP 等下位現場總線可以透過現場總線主站或從站端子模組部署在現場，用於控制子系統。專門為風力發電產業開發的軟體庫和硬體組件進一步完善了倍福的控制解決方案系列。

【應用案例 】金風科技導入倍福PC-based控制技術和EtherCAT技術

大幅提升風力發電機組的可利用率

對於當今的風力發電機組，特別是輸出功率達到兆瓦級的風力發電機組來說，保持高可利用率是重中之重。因此，中國最大的風電整機製造商金風科技研發了一套全新的在線狀態監測系統，該系統的所有功能都採用倍福的PC-based 控制技術和EtherCAT技術。控制平台可以即時通訊，降低維護成本，提高風機的可利用率。

TwinCAT Wind和超採樣技術實現高效的狀態監測

金風科技很早就在其風機中加裝了狀態監測系統，以遠端監測並確定各個系統組件的運行狀態。透過使用合適的傳感器，狀態監測系統（CMS）可以獲取和分析噪聲、振動和溫度數據等，並及時預警各個組件可能出現的故障。機組運行人員或維護人員可透過方便的可視化人機界面得到風場運行期間風機相關部件出現的異常訊息，預測將會出現的故障並及時做出相應的維護處理，從而提高風機可利用率，避免部件嚴重損壞或發生大的故障。尤其是對於交通不便的海上離岸風電機組，在線狀態監測系統是必備選項。

在用戶方面，原有的狀態監測系統是一個黑匣子，軟體在開放程度上受到了製約。另一個缺點是，無法同步收集振動數據與風機的工況數據（例如: 風速、發電機轉速、偏航角度、槳距角等）。此外，隨著裝機量的提升和風機的智能化發展，原有的狀態監測系統對於風機狀態的分析受到了很大限制，因此系統已不能滿足技術和市場的要求。

顯著提升風機可利用率

TwinCAT Wind Framework 軟體為基礎的預測性維護功能使用超高速EtherCAT通訊來監測風力發電機組機艙中的主要部件（此處是直驅風機），例如葉輪葉片、輪轂、變槳系統、發電機轉子、發電機定子、齒輪系統、測風系統以及底板和塔架。

金風科技多年來一直使用開放式自動化技術。從 2014 年起借助於倍福PC-based 的控制技術開始著手研發全新的在線狀態監測系統。目標是保持風力發電機組在全生命週期內的成本競爭優勢，降低風機的故障率，降低維護成本，縮短停機時間，最終提高風機的可利用率。

針對大兆瓦風機，金風的相關研發部門對風機工作狀態進行系統性的全面分析和計算，並得出了明確的結論：為了同步收集發電機軸承上的所有狀態數據，包括高頻的加速度數據，我們在現有的傳動鏈狀態監測系統基礎上開發了最新、最先進的狀態監測系統。新系統不僅能夠收集葉片輪轂振動及應變數據，而且還能夠同步收集風機發電機軸承、風機塔筒振動及應變數據，系統透過風場網路將這些數據傳送給數據庫服務器。

智能風機的即時(Real-time)解決方案

倍福CX5130 嵌入式PC

由金風科技開發以倍福的TwinCAT 3自動化軟體為基礎的在線狀態監測系統可以獨立運行。狀態監測系統使用的控制系統架構和功能組件如下：

• 採用64位操作系統Windows Embedded Standard 7 並搭載 Intel Atom® 多核處理器（時鐘頻率為 1.75 GHz）的 CX5130 嵌入式PC用作狀態監測系統的核心控制器
• 透過具有超採樣功能的XFC EtherCAT狀態監測端子模塊（IEPE）EL3632 收集發電機軸承振動和加速度信號，採樣率高達 50 ksamples/s，各通道的同步精度都 <100 ns。用戶可以根據具體需要對採樣率和超採樣因子進行參數設置
• 透過TwinCAT ADS通訊同時收集風機的所有狀態數據
• 透過控制器中的TwinCAT Wind Framework 同步收集原始數據和工況數據。原始數據及其計算結果由TwinCAT數據庫服務器直接保存在本地的關係型數據庫中
• 利用TwinCAT狀態監測功能庫中的流式算法即時在線分析功率譜和力矩係數等數據。分析結果即時輸出到數據庫中，同時反饋給風機的主控系統，為智能風機提供智能化的診斷數
• 所有信息都可以存儲在本地或遠端數據庫中。金風科技認為，狀態監測服務器可以透過數據庫遠端訪問各風機的原始數據及計算結果，這在傳統的CMS系統中是不可能實現的

倍福軟體的開放性及其控制技術的靈活擴展可以為任何狀態監測系統帶來特別的優勢。這一點非常重要，因為沒有兩台風機的設計是完全相同的，風機專用控制軟體的各項功能必須能夠快速並最佳適應具體的需求。透過模組化可擴展的功能可以快速添加各個軟體功能，可以進一步簡化調試工作，快速實現數據同步收集、即時通訊及故障點數據跟踪。所有這些功能都顯著簡化了數據庫結構搭建及數據存儲。

風力渦輪機的模組化控制系統架構

PC-based控制系統：針對狀態監測的理想平台

金風負責CMS專案的高級工程師黃曉芳總結表示：「基於倍福技術的狀態監測系統便於未來的系統擴展升級，整合於主控系統中的CMS更具成本優勢，是智能風機的理想解決方案。」黃曉芳繼續說道：「CMS可以與風機即時通訊，可以同步收集風機的運行數據和狀態監測結果，提高了數據的可分析性和可用性。由於倍福平台具有極高的性能，可以即時收集、即時存儲和即時分析連續的狀態監測數據。因此，可以對風力發電機組持續進行健康檢查，並對關鍵組件的狀態即時進行預警。」

【應用概覽】

可持續能源生產解決方案 ：

• 風力發電機組的在線狀態監測

為客戶帶來的好處

• 減少維護需求，提高系統可用性
• 連續收集振動和應變數據，包括遠程訪問功能

PC 控制結構

• CX5130：嵌入式PC是控制器產品中可絕佳擴展的系列，可以完美適應各種應用場景
• EL3632：採用超採樣技術實現高精度訊號數據收集
• 包括 Wind Framework、Condition Monitoring 和 Database Server 在內的 TwinCAT 3 軟體：同步即時收集所有數

更多資訊請至:
https://www.beckhoff.com/zh-tw/industries/wind-turbines/