平臺(tái)之利——風(fēng)電機(jī)組控制全流程平臺(tái)

　　今天，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的市場(chǎng)正在迅猛增長(zhǎng)，而對(duì)于控制器的需求也具有極大的潛力，然而，控制系統(tǒng)硬件及應(yīng)用軟件包均來自歐洲制造商的授權(quán)，而國(guó)內(nèi)目前尚未有成熟的可用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器設(shè)計(jì)，而風(fēng)力發(fā)電與普通的機(jī)械設(shè)備在控制器的設(shè)計(jì)上有非常大的不同，其控制算法復(fù)雜，需要強(qiáng)大的處理能力和算法設(shè)計(jì)能力，另一方面，它需要更可靠的設(shè)計(jì)，而如何去實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的要求，B&R，作為自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)的倡導(dǎo)者提供了一個(gè)卓越的整機(jī)控制的完整系統(tǒng)平臺(tái)。

　　平臺(tái)之利——風(fēng)電機(jī)組控制全流程平臺(tái)

　　所謂“工欲善其事，必先利其器”，要開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要，提供持續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和高度的集成能力，是一個(gè)必不可少的評(píng)估條件，這涉及到了實(shí)時(shí)的硬件性能需求，算法設(shè)計(jì)能力，建模和仿真分析，Safety技術(shù)、Motion、總線技術(shù)、傳感器技術(shù)，風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)。作為全球自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者的B&R，提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的這一切軟硬件平臺(tái)。

　?。?）整機(jī)控制

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制分為三個(gè)單元，在塔基的主控單元，機(jī)艙里的邏輯控制單元以及安裝在HUB里的變槳伺服系統(tǒng)，分別介紹如下

　　● C算法設(shè)計(jì)的PCC不僅僅是滿足實(shí)時(shí)性的要求，PCC內(nèi)嵌入了Automation Runtime

　　的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它是一個(gè)多任務(wù)的定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足了風(fēng)力發(fā)電對(duì)于控制的實(shí)時(shí)性平臺(tái)要求，并且，C高級(jí)語言的支持使得它具備了應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電所需的復(fù)雜算法設(shè)計(jì)能力，算法設(shè)計(jì)的復(fù)雜性由傳統(tǒng)的強(qiáng)于Logic的PLC來實(shí)現(xiàn)不可想象。

　　● Safety技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在惡劣環(huán)境（如風(fēng)速超速）、緊急停車等狀態(tài)下需要啟動(dòng)

　　Safety運(yùn)行來對(duì)保護(hù)機(jī)組、葉片等機(jī)械件的安全。滿足SIL 3的Safety技術(shù)在這里并非僅僅指的是Safety Logic，Safety Motion和Powerlink Safety也提供了針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和通信總線的安全設(shè)計(jì)，使得Iogic、Motion和總線進(jìn)行整體的安全集成，這是一個(gè)目前為止最為完整和徹底的整機(jī)安全方案。

　　● 支持滑環(huán)的POWERlink由于變槳伺服系統(tǒng)的安裝是位于HUB里的，那么必然造成

　　電纜的扭曲和絞繞，那么高速的總線也可以被滑環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸，POWERlink提供了高速的伺服之間的同步葉片調(diào)整，和在升速、降速和運(yùn)行中的槳距穩(wěn)定調(diào)整，它能夠?qū)崿F(xiàn)高速的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。

　　● 移動(dòng)式面板移動(dòng)式面板使得這個(gè)機(jī)器也可以只需要一個(gè)面板，安裝在機(jī)器各個(gè)點(diǎn)上的

　　信號(hào)接入使得Mobile Panel可以被用來進(jìn)行不同單元程序和參數(shù)的調(diào)整，它不僅僅是為了美觀，而是一個(gè)移動(dòng)式的顯示終端，用于節(jié)省成本，使得多個(gè)HMI被一個(gè)代替。

　?。?）變槳控制系統(tǒng)

　　為了獲得“最大葉尖速比”充分使用風(fēng)能資源，另一方面在安全邏輯的要求下，伺服系統(tǒng)也需要將葉片調(diào)整到最小迎風(fēng)面來獲得一個(gè)對(duì)機(jī)組的安全保障。

　　● 靈活的實(shí)現(xiàn)CANopen及 Profibus DP（Slave）的支持能力使得變槳系統(tǒng)可以連接到

　　第三方主控，也可以在B&R的主控中直接控制，這提供了一個(gè)靈活的方案來滿足客戶不同的需求。

　　● SPT使得變槳并不需要專用的運(yùn)動(dòng)控制處理器來實(shí)現(xiàn)，ACOPOSmulti驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了

　　一個(gè)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)，Smart Process Technology使得這個(gè)變槳系統(tǒng)無需PLC即可獨(dú)立運(yùn)行，每個(gè)ACOPOSmulti單元都設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立控制單元一樣，通過總線的連接其多個(gè)單元之間可以實(shí)現(xiàn)同步，而SPT則可以處理運(yùn)動(dòng)過程的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)光滑而可靠的速度曲線來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

　　● 直流供電及低溫電池ACOPOSmulti伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)基于共直流母線技術(shù)

　?。–ommon DC Bus Technology）設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的直流母線可以由外部的直流電源來供電運(yùn)行，這使得在外部無電力的情況下或者機(jī)組切出情況下恢復(fù)機(jī)組葉片的位置成為可能，為了滿足風(fēng)力發(fā)電對(duì)于苛刻的環(huán)境需求，B&R為其設(shè)計(jì)了Supply Box安裝于每個(gè)ACOPOSmulti的驅(qū)動(dòng)單元，這項(xiàng)技術(shù)極富競(jìng)爭(zhēng)力，即使在極其寒冷的區(qū)域，ACOPOSmulti也能提供有效的直流供電來完成其設(shè)計(jì)任務(wù)。

　?。?） 革命性的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)——嵌入SIMUlink工具包

　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種基于建模（Modeling based）的控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，Mathworks的Matlab/Simulink提供了這一設(shè)計(jì)需求的模型設(shè)計(jì)和仿真分析的平臺(tái)，B&R在2008年與Mathworks建立了戰(zhàn)略合作，在B&R Automation Stduio一體化開發(fā)平臺(tái)上集成了Matlab Simulink的工具包，Stateflow和Stateflow coder是一個(gè)基于事件建模的工具和代碼生成器，而Real-time workshop Embedded coder則提供了為SIMUlink建模進(jìn)行仿真分析的工具。

　　● 無風(fēng)險(xiǎn)和低成本的軟件設(shè)計(jì)是否需要設(shè)計(jì)好系統(tǒng)然后再去測(cè)試控制器的設(shè)計(jì)是否滿足

　　風(fēng)電機(jī)組的各種可能工況的要求？顯然，這不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的方案，因?yàn)?，即使是普通的印刷機(jī)這樣的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，也要針對(duì)不同紙張?jiān)诓煌俣认碌臏y(cè)試，往往意味著一卷卷的紙張被消耗在測(cè)試過程中，而風(fēng)電機(jī)組？如果這個(gè)機(jī)器尚未運(yùn)送到風(fēng)場(chǎng)的廠內(nèi)測(cè)試沒有風(fēng)力條件怎么辦？因?yàn)榭蛻舨⒉灰竽阊b好機(jī)組到風(fēng)場(chǎng)去測(cè)試，因?yàn)?，他們買的是一臺(tái)可以良好運(yùn)行的機(jī)器而不是一個(gè)正在不斷進(jìn)行測(cè)試的機(jī)器，這是問題的所在，而更重要的是，一個(gè)控制器的設(shè)計(jì)用于機(jī)組存在巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)-對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，風(fēng)險(xiǎn)是實(shí)實(shí)在在的存在，而不是可能，如何去無風(fēng)險(xiǎn)的并且低成本的設(shè)計(jì)？

　　● 設(shè)計(jì)理念（Hardware in the Loop）Hardware in the loop是一種回路硬件測(cè)試方法，

　　在航空航天、汽車、醫(yī)藥、建筑領(lǐng)域里驗(yàn)證為可行的方案，它能夠大大的降低成本，通過回路硬件測(cè)試方法，可以在控制器上進(jìn)行建模，并模擬各種動(dòng)作，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、運(yùn)行、緊急停車、安全邏輯、當(dāng)機(jī)，通過外部傳感器的模擬電流、功率、相位等的變化來進(jìn)行變槳系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)組的速度調(diào)整等等。

　　你完全可以構(gòu)建一個(gè)控制器核心，然后外圍接入實(shí)際的物理硬件，如溫度傳感器、振動(dòng)傳感器以及電壓測(cè)量模塊等，你可以通過外部傳感器的參數(shù)的變化來觀測(cè)所設(shè)計(jì)的控制軟件是否獲得實(shí)際的輸出，這樣，你將能夠不斷發(fā)現(xiàn)問題并對(duì)控制器的算法和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

　　● 設(shè)計(jì)流程首先是在Automation Studio里嵌入的SIMUlink或Stateflow,單元進(jìn)行機(jī)

　　組的模型建立，它可以模擬機(jī)組的各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理模型，每個(gè)物理的組件都可以被模擬，然后，設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行仿真分析，在外部條件變化，例如轉(zhuǎn)子的速度反饋，功率、相位的反饋都將被輸入到控制器，進(jìn)行控制器的PID調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整以便獲得期望的工作效果，Real-time Workshop Embedded Coder和Stateflow Coder也被嵌入到Automation Studio中用于代碼的自動(dòng)生成，這些編譯的代碼將被下載到控制器中被運(yùn)行，對(duì)結(jié)果進(jìn)行反饋，根據(jù)反饋對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所有這些最終可以被編譯為C代碼下載到控制器中，經(jīng)過如此設(shè)計(jì)的機(jī)組控制軟件將被下載到實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，在如此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的控制器將大大的降低現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的環(huán)節(jié)所需要的時(shí)間和成本。

　　Stateflow通過開發(fā)有限狀態(tài)機(jī)和流程圖設(shè)計(jì)環(huán)境來擴(kuò)展SIMUlink的功能，它采用自然、刻度和易于理解的圖形方式來表達(dá)復(fù)雜的邏輯，結(jié)合Matlab/SIMUlink，能夠?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電這種典型的包含了控制、優(yōu)先級(jí)管理、工作模式切換的應(yīng)用提供一個(gè)非常高效的仿真分析平臺(tái)。

　　Real-Time Workshop Embedded Coder，在Automation Studio里嵌入了Real-Time Workshop? Embedded Coder 工具包，它能夠?yàn)镾tateflow模型生成C代碼。其生成的代碼同專業(yè)手寫代碼一樣清楚、高效，并且能夠滿足以結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行快速為首要需求的嵌入式系統(tǒng)、目標(biāo)快速原型板、批量生產(chǎn)中使用的微處理器和實(shí)時(shí)模擬器。這些是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的典型需求，同時(shí)，Real-Time Workshop? Embedded Coder支持對(duì)原有應(yīng)用程序，函數(shù)及數(shù)據(jù)的集成，這也使得之前的工作得到了保存而不至于時(shí)間的浪費(fèi)

　　遠(yuǎn)程維護(hù)是必需的設(shè)計(jì)

　　風(fēng)電場(chǎng)由于要借助于自然風(fēng)的發(fā)電需求，而這些場(chǎng)所一般都會(huì)在野外，例如達(dá)坂城就有國(guó)內(nèi)最大的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，也是世界最大的，這些地方距離城市非常的遙遠(yuǎn)，對(duì)于出口到國(guó)外的整機(jī)，遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)極其重要，從設(shè)備制造角度的遠(yuǎn)程維護(hù)應(yīng)用需求而言，沒有一個(gè)行業(yè)像風(fēng)電這樣如此迫切需求。

　　遠(yuǎn)程維護(hù)會(huì)為系統(tǒng)增加很多成本嗎？因?yàn)閹в幸蕴W(wǎng)口的控制器在傳統(tǒng)的PLC里需要增加額外成本的，而B&R的PCC則是基于Intel兼容芯片的，這使得PCC可以輕松集成一個(gè)以太網(wǎng)口來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，而且，在Automation Studio里VNC Server、FTP Server、Web Server是一個(gè)軟件組件而已，它只需要通過配置管理器進(jìn)行配置即可，成本？可能是0，也可能是一個(gè)Modem的成本。

　?。?）VNC Server的遠(yuǎn)程維護(hù)，VNC Server和Web Server只需配置即可，這是一個(gè)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)控軟件是免費(fèi)的可獲得的，不僅提供完全現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)的權(quán)限，也能夠提供參數(shù)修改和設(shè)置的能力，這使得遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器的操作成為可能，看上去，就像是一臺(tái)在本地的機(jī)器一樣，這很有誘惑力，在幾乎不增加成本的情況下，可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器的控制如此簡(jiǎn)單。

　?。?）Web Server是另一種實(shí)現(xiàn)方法，同樣，不增加什么成本即可實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置本地IP賦予現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)風(fēng)機(jī)的控制器，將需要監(jiān)控的參數(shù)下載到本地，通過Windows自帶的IE瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程主機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運(yùn)行、當(dāng)前I/O參數(shù)等。

　?。?） FTP Server提供了遠(yuǎn)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(yuǎn)程下載到控制器中。

　　其它的方式也包括通過短信的方式、郵件的方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷。

　　平臺(tái)利器的意義在于能夠?yàn)榭蛻籼峁┮粋€(gè)長(zhǎng)期有效，持續(xù)創(chuàng)新的平臺(tái)，它具備了所有可能用到不同廠商提供的產(chǎn)品的集合，B&R提供的是一個(gè)非常適合國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商開發(fā)自主系統(tǒng)的平臺(tái)。