应用案例 | EtherCAT 测量端子模块在风场监测中的应用

　英国推出“2030 年全民风电”计划，即到 2030 年用海上风电为全英所有家庭供电。根据英国的电网数据显示，一月份某一天风电场的发电量达到了 19,835 兆瓦，足以满足英格兰一半以上的供电需求，充分证明了风力发电的巨大潜力。加大可再生能源的投资力度对全球实现 2050 年“净零排放”目标至关重要。Acteon 集团旗下的 Pulse Structural Monitoring 公司受委托为新风场中所选的风机塔基提供监测解决方案，整个解决方案，尤其是在整个设计过程中，使用了大量倍福基于 PC 的控制产品和 EtherCAT 测量端子模块。

　　高速、高精度的数据传输

　　是实现风场同步的关键

　　据 Pulse 称，英国在海上电力领域处于世界领先地位，其装机容量超过其他任何国家。但由于海上风电场风力发电机组运行环境恶劣，因此需要持续监测整个风力发电机组的运行状态。通过持续监测风机、叶片和基础结构承载性能，例如，这可以为计划内维护和设计验证决策提供数据支撑，避免意外停工或发生故障进行昂贵的修理。

　　测量端子模块适用于恶劣环境

　　风机的环境负荷和运行负荷会影响动态负载的结构的所有部分。塔基的作用是支持风轮发电机（WTG）的载荷，提供稳定性并吸收额外的载荷。塔基的结构健康被认为是自塔顶往下的结构中对风电机组的性能和支持至关重要的部分。海上风电机组结构的结构健康监测（SHM）系统可以监测风机基础的腐蚀与动态疲劳应力。腐蚀监测虽然是一个重要的测量参数，但其性质决定了它对时间的要求并不高。相反，疲劳状态和模态特性监测是风力发电机组结构最重要的 SHM 技术之一。

　　Pulse Structural Monitoring 为全球可再生能源行业客户提供配备倍福技术的基础 SHM 系统。Pulse 使用倍福的各种 I/O 端子模块集成传感器，因而能够确保在整个结构中进行带时间戳的数据采集。例如，Pulse 采用的 ELM370x 模块是一款 EtherCAT 模拟量输入测量端子模块。这些 ELM 模块具有较高的灵敏度和测量能力，通常用于实验室，也可以集成到工业环境中。此款端子模块可以测量 30 多种不同的电气信号，是一款异常灵活的测量模块，适用于各种传感器。若要精确确定整个结构高度的结构整体性，确保风力发电机组的运行效率，需要在塔筒自身的四个层面上都布置测量点。这意味着需要分布式布署 I/O，可以靠近加速计和全桥应变计的安装位置。在塔顶部分，每一层都需要两个 ELM3704 模块采集不同的信号，一个 EK1100 EtherCAT 耦合器用于通信和一个电源 PS1011 用于供电。它们都是全封闭的，并在规定的高度上通过磁力吸附在塔壁上，以获取整个塔筒的精确数据。

　　在温度数据采集方面，Pulse 使用的是倍福标准的模拟量输入 RTD EtherCAT 端子模块 EL3202，它提供的数据可以运行补偿算法。Pulse 在其风力发电机组基础上使用 EtherCAT 及其分布式时钟功能，表明他们致力于实现高精度监测，并由此实现同步数据。这种同步是分析整体结构重要数据的关键，能够以精确时序从沿着结构长边、塔顶以及单桩基础布署的高精度加速计、应变计和温度传感器中采集数据。

　　用于塔筒上面四层的分布式数据采集系统，由 2 个 ELM3704 EtherCAT 端子模块、1 个 EK1100 EtherCAT 耦合器和 1 个 PS1011 电源组成

　　同步数据通信

　　在通信方面，Pulse 采用了倍福的 EtherCAT 现场总线，并布署了通过一根电缆实现供电和通信的 EtherCAT P 技术。EtherCAT P和EtherCAT/Ethernet 供电（ENP）有助于规避向塔顶的传感器和分布式 I/O 供电困难的普遍问题。EtherCAT P 和 ENP 系统可以通过一根电缆实现供电和通信，并在整个结构中采用菊花链拓扑结构连接现场总线。Pulse 甚至还加入 EtherCAT 技术协会，开发他们自己的海底数据管理平台和基于 EtherCAT 的 INTEGRIpod-NX2 运动监测产品。

　　“我们这个行业最重要的财富是数据。”Pulse Structural Monitoring 公司解决方案架构师 Stephen Harford 解释道。“EtherCAT 的速度已经很快了，这对于同步和获取我们所需的数据至关重要。并且 EtherCAT 在每个层级都有分布式时钟，让我们能够采取进一步的处理措施并保持完全同步。有了倍福，我们就能够始终保证技术品质。”

　　Stephen Harford 也很重视合作伙伴关系：“倍福还尽一切努力帮助我们控制紧张的风场项目进度。他们在每个阶段都积极为我们提供技术支持，当我们因时间紧张无法按时完成项目进度时，他们就会马上派人过来给我们培训。因此我们很希望能与倍福能在其它项目上继续合作。”

　　由 Pulse 实施的监测系统基本结构

　　基于 TwinCAT 实现数据管理

　　一台安装有 TwinCAT PLC（TC1200）和 Windows 10 IoT 的倍福 CX2062 嵌入式控制器负责集中采集传感器中的所有数据。选择 CX2062 是因为它可以灵活地扩大内存、添加接口和扩展数据处理能力，可以运行 TwinCAT runtime 软件和 Pulse 公司开发的数据管理和处理应用程序。倍福提供了一个开放的免费版 DLL，因而能够通过 ADS 访问 TwinCAT 系统内的所有实时数据。Pulse 既能够使用这个开放式平台分析数据，又能通过该平台将数据直接发送到上位 Scada 系统中，为进一步了解风机的健康状况提供数据支撑。

　　倍福英国分公司产品经理 Beth Ragdale 解释道：“这个项目最棒的部分在于，我们可以利用我们以前在可再生能源领域的积累工作经验，向 Pulse 提供我们在这个领域的专业知识。我们还提供了从标准 I/O 端子模块到高精度测量模块的所有产品，并通过将供电和通信整合于一体的单电缆解决方案帮助 Pulse 简化了安装工作。因此我们对双方未来的合作感到非常兴奋。”

3500-15  半高模块