倍福中国区风电技术主管王宁强

功能强大的嵌入式PC控制器是风机控制系统的核心，凭借EtherCAT总线技术的卓越性能，它能够将一个风力发电机组的所有组件，例如变桨、发电机、变流器和制动器的运行管理和控制，以及状态监测和风场网络监控，都整合到同一个平台上。

近几年在风电行业上所取得的成功使得倍福（Beckhoff）在风电行业中占据领先地位。倍福始终以基于PC的自动化新技术作为公司的发展理念。针对风电行业倍福提供的产品包括工业PC、现场总线模块和TwinCAT自动化软件。

优越的性能

新型CX5100系列嵌入式控制器（图1）非常适合用于风力发电机组的中央控制平台。由结构紧凑、坚固的DIN导轨安装的嵌入式控制器可以直接连接I/O系统，它可以配备单核、双核或四核处理器，具有性能优越、成本低廉的特点。CX51xx系列能够处理风力发电机组的所有控制任务，包括可视化、安全性和状态监测。由于TwinCAT 3支持多核技术，这样能够在CX5100上实现计算密集型任务，例如在一个单独的CPU内核上进行状态监测。

Beckhoff集成式自动化软件TwinCAT 3让用户能够自由选择编程语言：除了面向对象的 IEC61131-3标准语言扩展外，C和C++现在也可用作实时应用程序的编程语言。由于它支持 MATLAB/Simulink，因此可以将风电领域通用的仿真工具方便地集成到控制系统中。

Beckhoff为所有通用的输入输出信号和现场总线系统提供全系列现场总线组件。各种总线端子模块和EtherCAT端子模块囊括了与风电相关的各种信号类型和总线系统。

图1  CX5140嵌入式控制器

高可靠性与安全性

风机的最终用户以及风机整机制造商都越来越重视风电机组的安全性和可靠性。Beckhoff通过其出色的产品为风电机组的安全性和可靠性的提升提供了保障。Beckhoff具有创新性的TwinSAFE（图2）系列安全产品，提供了一种集成式系统解决方案，将自动化技术和安全技术完美结合在一起。TwinSAFE将安全功能集成到现有控制架构中，显著降低了风力发电机中因建立更高级别硬连接方式的安全链而产生的硬件成本及人工成本。

EtherCAT所具备的线缆冗余功能，可以提高风机控制系统通信的可靠性。使用CX50x0控制器本身自带的独立网口，无需增加额外硬件即可方便地实现EtherCAT线缆冗余。当通信线路发生故障时，通信数据可以自动切换到冗余通信回路。整个过程会在一个程序循环周期内完成，从而实现无缝切换，不会对控制程序的运行产生任何影响。

XFC（eXtreme Fast Control）极速控制技术代表着Beckhoff速度极快且时间确定性极高的一种控制技术。采用XFC技术后，利用其时间戳技术可获得<100ns的时间分辨率，另外XFC的超采样技术可以使传感器信号可以在不到10μs的采样时间内被读入控制系统。当风机发生故障时，控制系统可以在最短的时间内检测出故障（比如电网电压跌落），并且在最短的时间内做出正确的响应，从而避免更加严重事故的发生。

图2  TwinSAFE安全解决方案_EL6900_EK1100

智能化运行

风机智能化是未来技术发展的趋势，Beckhoff作为一个倡导自动化新技术的自动化厂商，对于智能化有着深刻的理解。Hans Beckhoff曾将Beckhoff的控制系统比做人类的大脑和神经，由此我们可以领略Beckhoff对于智能化的思路和方向。高性能的PC控制器相当于人类的大脑，EtherCAT通信相当于人类的神经网络，种类齐全的I/O模块则连接着多种传感器和执行机构，它相当与人类的五官和四肢。另外，控制整个系统运行的软件也起着至关重要的作用，它相当于人类的知识和思维。

显然，要实现风电机组的智能化也应该从上面几个方面来考虑。目前Beckhoff已经推出了具备多核CPU的高性能嵌入式控制器：CX51XX和CX20XX，能够实现计算密集型任务。EtherCAT支持灵活的拓扑结构，一个主站可以支持65535个从站，而且具有极快的通信速度和极高的时间确定性，使通信不再成为高性能CPU性能发挥的瓶颈。更为重要的是Beckhoff拥有强大的风机技术专家团队，风电技术专家集合几十年风电应用经验，开发了基于TwinCAT的风电软件库，其集成了风电的运行控制逻辑和优化的控制管理理念。

广泛用于复杂的风场环境

Beckhoff的产品已广泛应用于各种复杂的风场环境，不论是在陆地、高原、低温和湿热的地区，还是在海上风场。比如位于阿根廷的安第斯山脉海拔4300m的Dwind D8.2风机，德国第一个海上风场Alpha Ventus运行的Areva M5000风机，国内如东潮间带的41台金风2.5MW机组，以及另外一个知名制造商的4MW机组。针对这些恶劣环境，Beckhoff可以提供运行温度在-25～+60℃的宽温型控制器和I/O产品，以及防护等级为IP67的总线端子盒产品。

监控与预警

Beckhoff基于PC和EtherCAT的控制技术的特点是支持多种硬件和软件接口。开放性是 Beckhoff系统方案的基础，有了这样良好的开放性后，就可以方便地集成如可视化、安全技术、测量技术等功能及第三方软件，实现远程监控。此外，Beckhoff技术支持各种工业通信标准，如IEC 61400-25、Ethernet TCP/IP或OPC。

基于PC的控制系统将风力发电机状态监测功能无缝集成在现有的自动化系统中：用于振动测量的高精度EtherCAT端子模块EL3632或用于应变计分析的EL3356-0010可以很轻松地添加到现有的I/O系统中。采样到的原始数据可用于上位软件解决方案。用户的CMS软件可以通过开放的接口（如OPC）集成到控制系统中，便于分析和预警。这不仅可以帮助用户提高扩展灵活性，显著降低系统成本，而且还可以提升诊断功能。

风机状态监测系统是大型风电机组和海上风电机组中必不可少的组成部分，然而完整的风机状态监测应该不仅是机械振动的监测，还应该包括电力系统和电气系统的监测等。Beckhoff已经推出了用于振动监测的EL3632模块和用于电力监测的EL3773模块，而且具有强大自诊断功能的I/O模块正在研发中。

风电场的集群控制是保障电网的安全运行、实现风场总功率的优化以及提高风电场整体电能质量的有效手段。Beckhoff的EtherCAT实时风场控制网络在风场网络通信的超高速响应方面设立了新标准。基于EtherCAT的系统可以测量并网点电流和电压瞬时值，并且采样速率可达到10KHz。如果出现电压跌落，系统能够在1ms之内调整网络中的所有风力发电机组给定值。所有测量值以及控制给定值的同步时间误差＜1μs，基于以上技术对电流、电压和频率进行控制可以提供最佳的电网支持。