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高性能、开放式的智能风电控制平台 王宁强/风电技术部经理

上传日期:2016-11-18  播放次数:756
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   2016年11月3日,在“2016中国风电电气装备技术高峰论坛”上,德国倍福自动化有限公司风电技术部经理王宁强作了《高性能、开放式的智能风电控制平台》的主旨演讲,主要介绍了在智能风机方面对控制平台的具体要求,并讲解了倍福风电控制平台的主要内容。  
  以下是演讲的主要内容(现场笔录)  
  我这里要讲智能风电控制平台主要包含几个方面:一是风电软件的控制框架;二是风电中的大数据处理;三是风电机组内部的包括风电场级的通讯;四是风电机组工程设计的一些软件。  
  首先大家谈到智能风机,首先智能是一个什么概念?到目前为止智能制造还没有一个明确的或者统一的一个概念,只是有一些通用性的描述,它是指个体对客观事务进行合理分析、判断及有目的地行动和有效地处理周围环境的综合能力,这包括自动获取和应用知识的能力、思维推理能力、问题求解能力等等。我们目前有一个研究领域就是人工智能,它实际上是一个计算机和控制综合的这么一个领域,它的研究方向主要包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理等等,这个地方的智能和我们的智能风机有什么关系?咱们风机是一个更广的范围。  
  目前从智能风机的范围有一个需求,一是智能风机的算法,包括风机自我学习、自我优化,另外就是智能感知,这个感知包括一些传动链振动监测、叶片监测、激光测量。目前风机控制从单机控制发展到整个机场协同控制,包括尾流控制,功率调节等等。还有大部件健康管理,基于状态监测进行预防性维护。还有网络通讯、大数据存储分析,还有风机除了本身的运行控制之外,还要有一些扩展性的功能,另外就是满足风机的个性化,个性化实际上就是基于它的标准化、模块化的方式进行实现,另外还有数字化风机、数字化风场等等。这些都是智能风机的需求。这个智能风机的需求对于控制平台有什么要求?我大概把这些需求分析了一下,分为两个部分,一方面是要求控制平台具有高性能。比如说智能控制算法,这个地方要做一些智能的感知,或者是预测,或者是智能的算法,它的程序的运行速度,处理能力是有一个很高的要求。  
  第二个就是状态监测,状态监测这一块需要你有很高的采样频率,对于上来的这些数据也要有一个很快的响应和处理的能力。另外就是我们很多地方谈到大数据,大数据就是首先要经过一个采集、存储、统计、分析的过程,这些也是需要整个控制平台具备兼容大数据的能力,就是从高性能方面。  
  开放性方面比如说个性化,风机不是说所有的风机都是一模一样的,它需要在标准化和模块化的基础上可以进行个性化的定制,扩展性的就是说你的除了风机之外,风机本身功能之外还要做一些检测,或者载荷监测,这些功能也可以扩展到风机里面来。另外就是网络,这是从维护的角度,要便于浏览包括短信邮件提醒,从风场协同控制,包括尾流控制,甚至是LVRT。  
  基于这两个方面,我可能介绍一下倍福在本身控制平台的特点,倍福主推的是PC控制技术,从发展之初就一直是和信息领域的技术发展相结合的,从最开始的自动化领域我们都是一些专用的控制器,信息领域里面我们使用的是计算机,这两个写相结合就产生了PC控制技术。原来都是一些标准的操作系统,结合操作系统我们有一个运行在温度层面的实时盒,从通讯角度来讲从原来的技术有了工业英特尔网,基于局域互联的独立控制技术走到了物联网、云、大数据,到了基于工业4.0控制架构。对于风电控制来说,我们的平台也是基于刚才讲的技术,基于它的PC控制的控制器,英特尔网通讯,包括状态监测,还有包括安全等等技术。  
  刚才说的是硬件系统框架,实际上在硬件系统框架背后我们还有一个软件框架来支撑这个系统。这个系统包括两个方面,一个就是说程序的运行,运行部分都是一个模块化的方式,包括风轮、发电机,它都是模块化的东西,对于用户的好处就是说它可以很方便的去来自定义自己的风机系统,比如说电价系统有多个厂家或者有不同的技术,我们可以自由的来进行拼接,然后进行切换。另外在开发环境下,我们会已经做好了软件模块,包括像状态、参数、命令等等功能已经做好了,它之间也都是标准的模块化,可以根据实际需求进行自由的搭配,并不是说所有的模块都要实现。在最上层就是和云端或者大数据的连接,这个接口我们都已经集成在这个框架里面了。  
  从高性能这一个角度,我们可能就要牵涉到下面几个方面,一是CPU,二是大数据处理能力,三是高速实时通讯。我们新出的CH-2000系列,是在Corei7双鹤处理器,内存2GB,还有Cfate卡,当然技术发展非常快,不限于这一款产品,在未来的发展中,大家可以看这个关系图,纳米数是越来越低,CPU核数越来越多,在2020年128核的技术都会出现,这一个会很快的应用到我们的工业控制里面来。  
  这些数据有了存储的介质之后还有一些软件技术的支撑,来让它做一些大量的存储,在我们TcWind框架里面有一个模块,把所有的数据实时的采集到模块里面来,然后通过这个模块以非实时的方式和我们传递非实时数据库进行通讯,这样我们可以对运行数据库做到20毫秒的连续采集量,对于状态监测可以做到200微秒的采样,这些所说的采样都是连续性的实时的最终存储到我们的数据库里面来,但是对于更高速的采样要求,就可以借助本地强大的CPU能力和本地的数据存储能力,在本地进行处理,这个速度就可以更快,可以做到50个微秒。对于本地的存储,除了刚才讲的4G-32G的卡之外,我们还有SATA 6G硬盘选项,可以扩展空间。  
  本机存储的数据和风场级的数据库之间可以通过数据库与数据库这种合并的方式来实现,而不需要过去我们文件的存储、转移进行数据的合并,相当于风机本地的运行数据直接就可以集成到风场的数据库里面,风场的数据库又可以很方便的集成到企业或者是厂家的中央数据库里面,它们之间都直接走数据库的这种沟通方式。另外对于大数据存储完之后可能需要一个分析的环节,我们也有一个新的产品叫TwinCAT Analytics,这是是基于云平台对数据进行在线分析,包括模式识别、设备优化等等。它的框架是这样子,左边的这个相当于我们的一个设备,在这个设备上面可以通过有的组件Logger这个功能会实时把周期这个数据上传到本地云或者功能云端。这是一个分析平台,我可以实时的从云端把数据取下来,在本地做分析包括做数据的显示。另外我们在云端还有一个数据的存储模块,但是这个存储模块它的接口是开放的,可以很方便的把第三方的数据接进来。  
  另外在I/O级别,我们要获取数据最直接的方式是通过底层的I/O这一块,有一个XFC技术,可以实现而最快不到10微秒的数据采样。基于这个数据我们有一些产品,比如智能监测,可以做到50k赫兹的采样频率,包括我们的3773还有3783,3783它的采样时间是50微秒。另外在风场通讯环节我们也需要一个高性能的网络,倍福可以让整个风场的控制响应时间在1个毫秒之内,而且这个网络同事可以传输快速的实时命令,也可以传输非实时的数据。  
  刚才讲的是高性能这一块,对于开放性这一块我觉得也是非常重要,开放性的它主要就是几个方面,一是模块化,二是个性化,三是可扩充,四是互操作。这四个方面基本上涵盖了开放性的几个方向。结合具体来讲一个是软件的模型,硬件的接口,自动化编程、标准的通讯协议,loT的连接。  
  这个软件开发环境就是TwinCAT3,它本身可以把这些常用的工具集成到TwinCAT3里面来,整个它的软件模型思路首先是模块化,模块化包括两个方面,一个就是运行时的忙快化,就是所有的模块都是在后台独立一个模块运行的,另外我们参考了在IT行业用的比较广泛的COM技术,我们对它进行了一些适合于实时运行的一些改进,把它叫做TcCOM,它实际上背后的原理和一些概念是和COM是一样的,只是我们对它做了一些新的定义。

  
  我们在这个TcCOM Module里面所有的模型都要遵循这样的标准,红色这一部分就是说每个模块必须实现的,蓝色的部分就是根据模块功能的复杂程度是可选去实现的,必须实现的这部分就可以保证模块和模块之间最基本的通讯。它就可以采用这种方式就是说首先可以很方便的来搭建个性化的系统,减少工程师的工作量。  
  这是其中的一个子系统,这里面包括几个部分从输入到输出,第一步就是实际的硬件输入,中间InputUpdate实际上是对信号做一个预处理,就是说工程量的变化包括现场的设置,通过Inbox这一块我们把实际的输入量和仿真量进行一个切换,切换完就是这里面就是实时的数据,输出也是一样的,输出值会在这里做一个切换,你这个输出值是输出到仿真平台还是输出到实际外围环境,在OutputUpdate进行切换。我们所有的子系统都是采用相同的架构来实现的。  
  这是软件的模型,另外我讲一下硬件的开放性,我们的解决方案里面基本上所有的通讯都是基于EtherCAT,这个标准也是中国的国家标准,目前ETG会员已超过3000家,他所提供的产品也是各式各样的,涵概面非常广,除了I/O,还有传感器,这些传感器本身都是已经具备了EtherCAT的接口,不像我们原来都是要连信号才能进去,这些传感器进来的直接都是信号,它一个是抗老化程度比较好,另外是一个数字化的信息。另外EtherCAT由于它本身的快速性和开放性,它可以集成很多种通讯总线,比如说我们常用的,它都可以在I/O层面上很方便的扩展,不管是什么样的系统都可以把它集成到你的控制系统里面来。  
  从扩展功能上来讲,这地方比较典型的,比如我们手机,手机原来只能打电话,现在随着手机的处理器越来越强大,内制传感器越来越丰富,现在可以代替很多种外围的设备,包括Mp3、导航仪、计算器,风机这块实际上也有扩展的能力,就是我们有3413这个模块,只要把这个模块插到风机里面,实际上它就可以代替电能表,可以直接获取到现场的有工、无工、湿载(音)等等。  
  刚才提到这个模块,它是可以直接做一些电网的监测和保护,它本身可以做到50微秒的采样时间,层压范围也非常广,这些采集的是原始数据,进入到控制器里面可以根据自己的需要计算它的有效值,它就可以带动电脑监测。  
  另外从状态监测这里面也提到了3632模块,通过我们的CMS的软件库,就可以完成原始数据的处理,相当于就可以把CMS的功能集成到风机主控平台里面去。  
  除了刚才讲的CMS的智能监测以外,现在也开始关注塔架、叶片的检测,我们也有一些合作伙伴,他们是专业做监测方面的公司,他们把他们的专业知识做成了能够在倍福的平台上做一个模块化的程序,也就是TcCOM的组件,只要把这个组件加入到这个主控平台里面来,相当于这个系统就可以直接放到风机主控里面来了。另外包括塔架也是一样的,只要把它做成TcCOM组件加入到这个组件里面来,就可以进行塔架的检测。  
  另外提到自动化接口,这一块实际上是一个对于提高我们编程的自动化,或者是智能化水平来说是一个很有帮助的工具,通过这个接口可以把过去大量由工程师手动来完成的一些编程或者是配置,都可以由一个软件自动化来去完成,包括你的风机的变量连接,包括一些标准程序的功能块复制,都可以来实现。  
  最后一个就是loT这一块,刚才讲到了基于云的大数据处理,事实上现在我们有一个loT的产品家族,这个家族里面软硬件都包括,我们的软件支持的就是MQTT、AMQP、OPCUA,这些协议,通过这些协议很方便的把控制器连接到云端。当然对于风电场比较特殊,可能不希望风机直接连接到外网上面,可以支持使用内部用云,或者内部信息转发器,使用这个功能可以在一个风场内部进行类似于云端的数据的共享和防范,但是这种方式它会有很多好处,这地方就不展开了,包括安全性、便利性、效率等等。  
  除了刚才讲的软件方案之外,我们也会有一些硬件的方案,也就是说我们有一款硬件产品EK9160,它本身内部是集成了loT的协议,也就是说像我们原来传统的耦合器方式,把数据传到总线上,现在可以通过这个耦合器把数据直接放到云端。比如说耦合器后面挂一些测量温度等等采集这些信息,通过这个耦合器的接口把信息商船到云端,这个不需要用户的编程,只需要用户的配置就可以完成了。也就是说我们可以把其他底层的设备通过云耦合器直接映射到云端。这是倍福的整个对于工业4.0产品的一个架构。这是软件层面的,然后再到上层通过ADS,或者云端的方式再传到云端数据库,这是我们的一个对于4.0这一块的一个产品架构。时间有限我就介绍到这里,谢谢大家!
 
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