高速、高精度的數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)風電場的同步的關(guān)鍵

　　英國推出“2030 年全民風電”計劃，即到 2030 年用海上風電為全英所有家庭供電。根據(jù)英國的電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，一月份某一天風電場的發(fā)電量達到了 19,835 兆瓦，足以滿足英格蘭一半以上的供電需求，充分證明了風力發(fā)電的巨大潛力。加大可再生能源的投資力度對全球?qū)崿F(xiàn) 2050 年“凈零排放”目標至關(guān)重要。Acteon 集團旗下的 Pulse Structural Monitoring 公司受委托為新風電場中所選的風機基礎(chǔ)提供監(jiān)測解決方案，整個解決方案，尤其是在整個設(shè)計過程中，使用了大量倍福基于 PC 的控制產(chǎn)品和 EtherCAT 測量端子模塊。

　　據(jù) Pulse 稱，英國在海上電力領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，其裝機容量超過其他任何國家。但由于海上風電場風力發(fā)電機組運行環(huán)境惡劣，因此需要持續(xù)監(jiān)測整個風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)。通過持續(xù)監(jiān)測風機、葉片和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載性能，例如，這可以為計劃內(nèi)維護和設(shè)計驗證決策提供數(shù)據(jù)支撐，避免意外停工或發(fā)生故障進行昂貴的修理。

　　測量端子模塊適用于惡劣環(huán)境

　　風機的環(huán)境負荷和運行負荷會影響動態(tài)負載的結(jié)構(gòu)的所有部分。塔基部分的作用是支持風輪發(fā)電機(WTG)的載荷，提供穩(wěn)定性并吸收額外的載荷。塔基的結(jié)構(gòu)健康被認為是自塔頂往下的結(jié)構(gòu)中對風電機組的性能和支持至關(guān)重要的部分。海上風機結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)系統(tǒng)可以監(jiān)測風機基礎(chǔ)的腐蝕與動態(tài)疲勞應(yīng)力。腐蝕監(jiān)測雖然是一個重要的測量參數(shù)，但其性質(zhì)決定了它對時間的要求并不高。相比之下，疲勞狀態(tài)和模態(tài)特性監(jiān)測是風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)最重要的 SHM 技術(shù)之一。

　　Pulse Structural Monitoring 為全球可再生能源行業(yè)客戶提供配備倍福技術(shù)的基礎(chǔ) SHM 系統(tǒng)。Pulse 使用倍福的各種 I/O 端子模塊集成傳感器，因而能夠確保在整個結(jié)構(gòu)中進行帶時間戳的數(shù)據(jù)采集。例如，Pulse 采用的 ELM370x 模塊是一款 EtherCAT 模擬量輸入測量端子模塊。這些 ELM 模塊具有較高的靈敏度和測量能力，通常用于實驗室，也可以集成到工業(yè)環(huán)境中。此款端子模塊可以測量 30 多種不同的電氣信號，是一款異常靈活的測量模塊，適用于各種傳感器。若要精確確定整個結(jié)構(gòu)高度的結(jié)構(gòu)整體性，確保風力發(fā)電機組的運行效率，需要在塔筒自身的四個層面上都布置測量點。這意味著需要分布式布署 I/O，使其可以靠近加速計和全橋應(yīng)變計的安裝位置。在塔頂部分，每一層都需要兩個 ELM3704 模塊采集不同的信號，一個 用于通信的 EK1100 EtherCAT 耦合器和一個用于供電的 PS1011 電源。它們都是全封閉的，并在規(guī)定的高度上通過磁力吸附在塔壁上，以獲取整個塔筒的精確數(shù)據(jù)。

　　在溫度數(shù)據(jù)采集方面，Pulse 使用的是倍福標準的模擬量輸入 RTD EtherCAT 端子模塊 EL3202，它提供的數(shù)據(jù)可以運行補償算法。Pulse 在其風力發(fā)電機組基礎(chǔ)上使用 EtherCAT 及其分布式時鐘功能，表明他們致力于實現(xiàn)高精度監(jiān)測，并由此實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)。這種同步是分析整體結(jié)構(gòu)重要數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，能夠以精確時序從沿著結(jié)構(gòu)長邊、塔頂以及單樁基礎(chǔ)布署的高精度加速計、應(yīng)變計和溫度傳感器中采集數(shù)據(jù)。

　　同步數(shù)據(jù)通信

　　在通信方面，Pulse 采用了倍福的 EtherCAT 現(xiàn)場總線，并布署了通過一根電纜實現(xiàn)供電和通信的 EtherCAT P 技術(shù)。EtherCAT P 和 EtherCAT/Ethernet 供電(ENP)有助于規(guī)避向塔頂?shù)膫鞲衅骱头植际?I/O 供電困難的普遍問題。EtherCAT P 和 ENP 系統(tǒng)可以通過一根電纜實現(xiàn)供電和通信，并在整個結(jié)構(gòu)中采用菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)連接現(xiàn)場總線。Pulse 甚至還加入 EtherCAT 技術(shù)協(xié)會，開發(fā)他們自己的海底數(shù)據(jù)管理平臺和基于 EtherCAT 的 INTEGRIpod-NX2 運動監(jiān)測產(chǎn)品。

　　“我們這個行業(yè)最重要的財富是數(shù)據(jù)。”Pulse Structural Monitoring 公司解決方案架構(gòu)師 Stephen Harford 解釋道。“EtherCAT 的速度已經(jīng)很快了，這對于同步和獲取我們所需的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。并且 EtherCAT 在每個層級都有分布式時鐘，讓我們能夠采取進一步的處理措施并保持完全同步。有了倍福，我們就能夠始終保證技術(shù)品質(zhì)。”

　　Stephen Harford 也很重視合作伙伴關(guān)系：“倍福還盡一切努力幫助我們控制緊張的風電場項目進度。他們在每個階段都積極為我們提供技術(shù)支持，當我們因時間緊張無法按時完成項目進度時，他們就會馬上派人過來給我們培訓(xùn)。因此我們很希望能與倍福能在其它項目上繼續(xù)合作。”

　　基于 TwinCAT 實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理

　　一臺安裝有 TwinCAT PLC(TC1200)和 Windows 10 IoT 的倍福 CX2062 嵌入式控制器負責集中采集傳感器中的所有數(shù)據(jù)。選擇 CX2062 是因為它可以靈活地擴大內(nèi)存、添加接口和擴展數(shù)據(jù)處理能力，可以運行 TwinCAT runtime 軟件和 Pulse 公司開發(fā)的數(shù)據(jù)管理和處理應(yīng)用程序。倍福提供了一個開放的免費版 DLL，因而能夠通過 ADS 訪問 TwinCAT 系統(tǒng)內(nèi)的所有實時數(shù)據(jù)。Pulse 既能夠使用這個開放式平臺分析數(shù)據(jù)，又能通過該平臺將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到上位 Scada 系統(tǒng)中，為進一步了解風機的健康狀況提供數(shù)據(jù)支撐。

　　倍福英國分公司產(chǎn)品經(jīng)理 Beth Ragdale 解釋道：“這個項目最棒的部分在于，我們可以利用我們以前在可再生能源領(lǐng)域的積累工作經(jīng)驗，向 Pulse 提供我們在這個領(lǐng)域的專業(yè)知識。我們還提供了從標準 I/O 端子模塊到高精度測量模塊的所有產(chǎn)品，并通過將供電和通信整合于一體的單電纜解決方案幫助 Pulse 簡化了安裝工作。因此我們對雙方未來的合作感到非常興奮。”

　　控制柜內(nèi)配備 CX2000 嵌入式控制器和直接插接的 ELM 系列測量端子模塊(圖片中心)、CU8130 UPS(左上)以及 PS2000 電源(右上)