EtherCAT 測量端子模塊在風電場監測中的應用

　　高速、高精度的數據傳輸是實現風電場的同步的關鍵

　　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。根據英國的電網數據顯示，一月份某一天風電場的發電量達到了 19,835 兆瓦，足以滿足英格蘭一半以上的供電需求，充分證明了風力發電的巨大潛力。加大可再生能源的投資力度對全球實現 2050 年“凈零排放”目標至關重要。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提供監測解決方案，整個解決方案，尤其是在整個設計過程中，使用了大量倍?；?PC 的控制產品和 EtherCAT 測量端子模塊。

　　據 Pulse 稱，英國在海上電力領域處于世界領先地位，其裝機容量超過其他任何國家。但由于海上風電場風力發電機組運行環境惡劣，因此需要持續監測整個風力發電機組的運行狀態。通過持續監測風機、葉片和基礎結構承載性能，例如，這可以為計劃內維護和設計驗證決策提供數據支撐，避免意外停工或發生故障進行昂貴的修理。

　　測量端子模塊適用于惡劣環境

　　風機的環境負荷和運行負荷會影響動態負載的結構的所有部分。塔基部分的作用是支持風輪發電機(WTG)的載荷，提供穩定性并吸收額外的載荷。塔基的結構健康被認為是自塔頂往下的結構中對風電機組的性能和支持至關重要的部分。海上風機結構的結構健康監測(SHM)系統可以監測風機基礎的腐蝕與動態疲勞應力。腐蝕監測雖然是一個重要的測量參數，但其性質決定了它對時間的要求并不高。相比之下，疲勞狀態和模態特性監測是風力發電機組結構最重要的 SHM 技術之一。

　　Pulse Structural Monitoring 為全球可再生能源行業客戶提供配備倍福技術的基礎 SHM 系統。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構中進行帶時間戳的數據采集。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，也可以集成到工業環境中。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構高度的結構整體性，確保風力發電機組的運行效率，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據。

　　在溫度數據采集方面，Pulse 使用的是倍福標準的模擬量輸入 RTD EtherCAT 端子模塊 EL3202，它提供的數據可以運行補償算法。Pulse 在其風力發電機組基礎上使用 EtherCAT 及其分布式時鐘功能，表明他們致力于實現高精度監測，并由此實現同步數據。這種同步是分析整體結構重要數據的關鍵，能夠以精確時序從沿著結構長邊、塔頂以及單樁基礎布署的高精度加速計、應變計和溫度傳感器中采集數據。

　　同步數據通信

　　在通信方面，Pulse 采用了倍福的 EtherCAT 現場總線，并布署了通過一根電纜實現供電和通信的 EtherCAT P 技術。EtherCAT P 和 EtherCAT/Ethernet 供電(ENP)有助于規避向塔頂的傳感器和分布式 I/O 供電困難的普遍問題。EtherCAT P 和 ENP 系統可以通過一根電纜實現供電和通信，并在整個結構中采用菊花鏈拓撲結構連接現場總線。Pulse 甚至還加入 EtherCAT 技術協會，開發他們自己的海底數據管理平臺和基于 EtherCAT 的 INTEGRIpod-NX2 運動監測產品。

　　“我們這個行業最重要的財富是數據?！盤ulse Structural Monitoring 公司解決方案架構師 Stephen Harford 解釋道?！癊therCAT 的速度已經很快了，這對于同步和獲取我們所需的數據至關重要。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品質?！?/p>

　　Stephen Harford 也很重視合作伙伴關系：“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。因此我們很希望能與倍福能在其它項目上繼續合作?！?/p>

　　基于 TwinCAT 實現數據管理

　　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據。選擇 CX2062 是因為它可以靈活地擴大內存、添加接口和擴展數據處理能力，可以運行 TwinCAT runtime 軟件和 Pulse 公司開發的數據管理和處理應用程序。倍福提供了一個開放的免費版 DLL，因而能夠通過 ADS 訪問 TwinCAT 系統內的所有實時數據。Pulse 既能夠使用這個開放式平臺分析數據，又能通過該平臺將數據直接發送到上位 Scada 系統中，為進一步了解風機的健康狀況提供數據支撐。

　　倍福英國分公司產品經理 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域的積累工作經驗，向 Pulse 提供我們在這個領域的專業知識。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?！?/p>

　　控制柜內配備 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)