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(zhù)強勁的增長(cháng)勢頭，Vestas、Gemsa、GE以及國內的金風(fēng)科技等廠(chǎng)商，其訂單交付已經(jīng)到幾年后。

    國內的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)起步較晚，目前的控制系統均是由歐洲專(zhuān)用控制方案提供商提供的專(zhuān)用系統，價(jià)格高昂且交貨周期較長(cháng)。開(kāi)發(fā)自主知識產(chǎn)權的控制系統必須要提上日程，一方面，由于缺乏差異化而使得未來(lái)競爭中的透明度過(guò)高，造成企業(yè)陷入激烈的價(jià)格競爭；另一方面，尋找合適的平臺開(kāi)發(fā)自主的風(fēng)電控制系統將使制造商在未來(lái)激烈競爭中占得先機。

    然而，風(fēng)電控制系統必須滿(mǎn)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)電的控制系統平臺提出了要求，而B(niǎo)&R的控制系統，在軟、硬件上均提供了適應于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)需求的設計。

    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(chǎng)（單循環(huán)電廠(chǎng)、復合循環(huán)電廠(chǎng)），蒸汽渦輪機，水利發(fā)電廠(chǎng)，自動(dòng)電壓調節器，碳捕獲和存儲 (CCS)，地熱發(fā)電廠(chǎng)，與CONVERTEAM水電（調速異步發(fā)電機，勵磁單元變流器以及抽水蓄能啟動(dòng)變頻器），風(fēng)電及太陽(yáng)能發(fā)電的變流器，船舶推進(jìn)的變流器，與國家電網(wǎng)合作的電網(wǎng)監控站，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(dòng)機與魯能集團合作的國內第一個(gè)生物發(fā)電廠(chǎng)等。

    豐富的能源行業(yè)應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

    當今，基于全球對清潔能源的重視，各個(gè)國家都在建設風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)機的安裝地點(diǎn)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(chǎng)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——控制系統來(lái)說(shuō)，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)機主控系統中采用的X20系統，在產(chǎn)品設計之初就考慮了這些需求，除了通過(guò)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(shí)驗室做了HALT（高加速壽命）測試，測試結果表明，X20系統的操作極限溫度可達到:-70℃～100℃，振動(dòng)極限可達到55g(RMS)。針對海上風(fēng)機X20系統也通過(guò)了德國船級社認證（German Lloyd），適用于海上環(huán)境，同時(shí)X20系統的MTBF時(shí)間可達到50萬(wàn)個(gè)小時(shí)，所有硬件都經(jīng)過(guò)嚴格的溫度濕度，振動(dòng)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(mǎn)足了現場(chǎng)提出的高標準要求，X20系統在各行各業(yè)的實(shí)際應用情況也都證明了這一點(diǎn)。

    與此同時(shí)，X20系統也可通過(guò)其靈活的擴展性降低客戶(hù)成本，總線(xiàn)系統上的硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘，1微秒精確定時(shí)的智能 I/Os，完整的遠程訪(fǎng)問(wèn)，WEB調試，維護及診斷功能提高客戶(hù)的效率，可大大降低維護成本，全面的兼容性及開(kāi)放性（標準的軟件接口，完全支持所有的總線(xiàn)）保證投資安全。

    1.3　創(chuàng )新的解決方案

    穩健可靠的硬件（主控、先進(jìn)的安全系統、狀態(tài)檢測、電網(wǎng)檢測、變槳系統）以及架構開(kāi)放的行業(yè)定制的軟件(主控、變槳扭矩控制算法、組態(tài)包)共同構建成貝加萊風(fēng)電創(chuàng )新的解決方案。

    包括典型拓撲結構和適用于海上風(fēng)機的CPU總線(xiàn)及電源冗余拓撲結構。

    風(fēng)機典型拓撲結構，如圖1所示。
 

圖1 風(fēng)機典型拓撲結構

    緊湊、模塊化、可擴展的 CPU 及 I/O，支持所有現場(chǎng)總線(xiàn),支持各類(lèi)模塊 DI、DO、AI、AO、AT、I/O 連接，光纖，電網(wǎng)監控，應變計……符合 GL 2010，滿(mǎn)足安全認證 SIL3/PLe，擁有openSAFETY技術(shù)的先進(jìn)的安全系統，振動(dòng)傳感器模塊，風(fēng)輪過(guò)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(xiàn)及電源冗余拓撲結構，如圖2所示。
 

圖2 CPU總線(xiàn)及電源冗余拓撲結構

    貝加萊冗余系統是一套硬件冗余系統，由兩個(gè)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(xiàn)稱(chēng)為I/O總線(xiàn)（或者現場(chǎng)總線(xiàn)），采用具有高可靠性和實(shí)時(shí)性的EthernetPOWERLINK通訊總線(xiàn)進(jìn)行連接，傳輸速率可達100Mbit/s，拓撲結構可支持星形、樹(shù)形、總線(xiàn)型或者環(huán)型，并可根據需要連接成雙網(wǎng)冗余或者環(huán)網(wǎng)冗余結構。冗余PLC之間采用光纖進(jìn)行數據同步，傳輸速度可達1000Mbit/s。

    在貝加萊硬件冗余系統中，幾乎所有貝加萊產(chǎn)品都可以作為冗余系統的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(kāi)發(fā)的能夠支持POWERLINK通訊協(xié)議的設備也可作為冗余系統的I/O站使用。

    1.4　智能工程

    貝加萊All in one的開(kāi)發(fā)軟件Automation Studio?保證客戶(hù)在項目的整個(gè)生命周期都只使用一個(gè)工具，包括項目開(kāi)發(fā)、代碼生成、仿真分析、調試、服務(wù)維護及后續改造?？蛻?hù)不僅可以通過(guò)Automation Studio進(jìn)行編程，開(kāi)閉環(huán)控制，安全鏈實(shí)現，人機界面，運動(dòng)控制，遠程診斷及維護，還可以進(jìn)行項目管理，內嵌的版本控制系統及項目數據（電氣圖紙、說(shuō)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(mǎn)足不同客戶(hù)的需求，支持IEC61131-3、ANSI C 和 C++各語(yǔ)言無(wú)縫集成和融合，并可通過(guò)第三方接口如Matlab/Simulink建模后自動(dòng)生成系統可執行的C語(yǔ)言代碼。開(kāi)發(fā)平臺默認帶有的閉環(huán)控制、濾波、數據記錄等標準庫，模塊化設計亦大大縮短了客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)周期及代碼復用率。開(kāi)放標準的通訊平臺（用戶(hù)層完整的UDP/IP 和 TCP/IP、OPC、OPC-UA 服務(wù)器、SQL 數據庫連接客戶(hù)端、WEB-服務(wù)器，用于交互存儲數據的FTP 服務(wù)器，連接到Windows 驅動(dòng)CIFS 客戶(hù)端、VNC-技術(shù)）及系統默認的遠程維護功能（SDM）提供客戶(hù)兼容性及便利。

    1.5　專(zhuān)家知識

    風(fēng)能利用是一個(gè)系統工程，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(zhuān)業(yè)，貝加萊在2007年進(jìn)入風(fēng)電領(lǐng)域之初，就和ISET建立起了合作關(guān)系，通過(guò)ISET的支持，貝加萊可以很快地對某一風(fēng)機建立起真實(shí)、準確的仿真模型，并且通過(guò)MATLAB/Simulink接口，直接導入Automation Studio，在開(kāi)發(fā)階段就可完成大部分的參數診定、程序測試等工作，并且通過(guò)這個(gè)模型可以自動(dòng)生成變槳、扭矩控制算法。這將大大減少工程設計人員的編程調試時(shí)間，降低現場(chǎng)調試費用。

    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(shí)2年所完成的一套軟件包，目前已有部分國內外客戶(hù)在使用該軟件包，獲得了較好的使用反饋，以下幾點(diǎn)是該軟件包的設計理念：

    （1）基于標準化IEC61131-3語(yǔ)言開(kāi)發(fā)：結構文本（Structuredtext）。

    （2）軟件結構由一些小部分組成并接口清晰（模塊化結構）:

    便于添加/修改/移除單個(gè)部分；

    便于維護；

    便于測試；

    測試過(guò)部分代碼的復用；

    適用與多種機型（雙饋、直驅?zhuān)?br />
    （3）軟件修改和下載無(wú)需重啟。

    （4）集成完整的 I/O 診斷——可以運行時(shí)維護。

    （5）高度參數化——參數修改不會(huì )引起跳變 。

    在深入分析了風(fēng)機模型的基礎上，我們將風(fēng)機主控軟件按對

    象劃分為以下幾個(gè)程序包：

    Brake　　機械剎車(chē)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(chǎng)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(cháng)期數據

    Environment　　振動(dòng), 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

    Lubrication　　主軸承，齒輪箱，偏航等輪滑
 
    Pitch　　變槳系統操作

    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(dòng)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(gè)風(fēng)機主控系統項目的開(kāi)發(fā)會(huì )由多人參與，為了更便于團隊化編程以及項目的調試和維護，我們將每個(gè)程序包又分解為相同框架結構的幾個(gè)部分，利用這樣的模塊化結構，再加上貝加萊產(chǎn)品的定性分時(shí)多任務(wù)系統以及集成AS開(kāi)發(fā)平臺，可以快速的完成一套風(fēng)機系統的主控軟件設計與開(kāi)發(fā)工作，這一方案的優(yōu)勢在國內外幾個(gè)合作項目中都得到了很好的體現。

    1.7　組態(tài)程序包

    主要實(shí)現以下幾類(lèi)功能

    （1）風(fēng)機整機和各部件的實(shí)時(shí)數據信息：狀態(tài)信息 、溫度信息、轉速信息、電氣信息、環(huán)境信息；

    （2）風(fēng)機各項統計數據信息：10分鐘平均數據、事件數據、分析數據；

    （3）風(fēng)機控制：停機、開(kāi)機、復位、維護 、參數設定；有功功率調節；無(wú)功功率調節。

    基于web技術(shù)的開(kāi)放式單機SCADA系統，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(guò)IE即可調用出此界面，實(shí)現瘦客戶(hù)端的SCADA系統，通過(guò)最新的IT技術(shù)實(shí)現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（可選）

     X20系統中還將有一系列是專(zhuān)門(mén)針對狀態(tài)檢測模塊，特殊的振動(dòng)模塊及智能的模塊數據處理，用戶(hù)可用于檢測機艙，軸及齒輪箱的振動(dòng)，方便客戶(hù)進(jìn)行更有效的預期維護，減少維護成本。靈活開(kāi)放的接口可連接任何第三方震動(dòng)分析軟件進(jìn)行數據詳細解析。

     1.9　安全系統（可選）

     風(fēng)機的安全鏈設計中可通過(guò)安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來(lái)實(shí)現，兩種模式均各有特點(diǎn)，但集成式的安全系統無(wú)疑是未來(lái)的趨勢。

     B&R safety技術(shù)是目前運行最高效率的安全系統，并且有完整的產(chǎn)品線(xiàn)如Safetylogic 、Safety I/O、Safety Motion、PowerlinkSafety，滿(mǎn)足SIL 3級別的設計，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(shí)時(shí)通信技術(shù)而設計的，通過(guò)將系統中關(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(guò)速、扭纜、電源失效、制動(dòng)和操作人員的緊急按鈕動(dòng)作等通過(guò)黃色的X20 SafetyI/O輸入到系統中，而Safetylogic控制器作為一個(gè)POWERLINKControlled Node來(lái)運行，只有在Safety邏輯對應的I/O動(dòng)作時(shí)才引發(fā)一個(gè)安全邏輯的執行過(guò)程（這些過(guò)程依據引發(fā)安全的源設計而不同），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，所有安全模塊可安裝在系統的任何一處。同時(shí)B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety庫應用，支持20種開(kāi)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用而言，它不僅高效、完整并且開(kāi)放，易于構建安全邏輯。

    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(guò)認證的特殊安全模塊，如防止風(fēng)輪過(guò)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）遠程維護是系統必需的設計

    對于風(fēng)力發(fā)電機組而言，遠程監控無(wú)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。如果一套系統能夠提供豐富的遠程維護和監控手段，將大大降低風(fēng)機的調試及維護成本，而貝加萊的方案在這方面為客戶(hù)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(chǎng)設備和系統的便捷方案，在B&R系統中，實(shí)現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(gè)軟件功能塊形式存在的，無(wú)需增加任何成本，并且VNC Server的監控軟件是可免費獲得的，不僅完全提供現場(chǎng)監控級的權限，也能夠提供參數修改和設置的能力。

    Web Server則提供了基于Internet遠程訪(fǎng)問(wèn)的能力

    通過(guò)Windows自帶的IE瀏覽器即可實(shí)現對遠程主機的數據監控，包括CPU運行、當前I/O參數等。此外基于JAVA的單機scada系統也可通過(guò)IE來(lái)做訪(fǎng)問(wèn)。

    FTP Server提供了遠程的程序傳輸能力

    通過(guò)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)送數據的可能

    E-mail可以傳送如現場(chǎng)數據、報警信息等到監控端的電子信箱中。

    GSM支持則使得關(guān)鍵數據可以通過(guò)手機MMS短信形式在最快的時(shí)間里發(fā)送到監控工程師的手機上，以便及時(shí)對現場(chǎng)問(wèn)題采取措施。

    （3）監控范圍

    在B&R的系統中，遠程維護不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實(shí)現，而且也包含了：

    針對各種參數的監控

    不僅僅是電流、電壓，事實(shí)上在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的每個(gè)參數，一個(gè)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控到。

    面向整場(chǎng)的管理級服務(wù)

    通過(guò)靈活的軟件平臺，B&R也能為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)提供整場(chǎng)運行的數據分析基礎，包括設備維護、根源分析等管理級任務(wù)，這個(gè)可以由B&R APROL DCS系統來(lái)完成，貝加萊不僅提供了整機控制、監控，也提供面向整場(chǎng)的管理級服務(wù)。

    2　結語(yǔ)

    有別于市場(chǎng)的風(fēng)電控制系統供應商，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(zhù)特點(diǎn)：

    （1）自主掌握的風(fēng)電主控源代碼，Know-how（基于歐洲專(zhuān)業(yè)的風(fēng)機模型及主控流程算法） ；

    （2）專(zhuān)業(yè)的技術(shù)團隊及本地化服務(wù)（包括軟件開(kāi)發(fā)、技術(shù)支持及后續調試） ；

    （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)監測系統；

    安全系統（滿(mǎn)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、培訓等） ；

    （6）模塊化的軟件結構（WTC Package） ；

    （7）集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境（Automation Studio、All in one、safety）；

    （8）開(kāi)放、完整的系統架構，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(guò)GL認證；

    （10）其他行業(yè)的經(jīng)驗積累。

    摘自《自動(dòng)化博覽》5月刊