倍福风电库-风机控制解决方案

倍福CX2020 嵌入式控制器确保风电机组的高可用性导语：倍福的CX2020 嵌入式控制器负责采集分布在风力发电机基础结构中的传感器中的数据并将测得的数据传输到云中。

2015 年9 月，在经过两年的施工建设后，荷兰能源公司Eneco 的Luchterduinen 风电场正式投入运行。

监测位于赞德福特和诺德韦克之间北海沿岸23 公里处的风力发电机基础的订单交给了Zensor，它是智能监控解决方案的专家。

在这套监控系统中，一台倍福的CX2020 嵌入式控制器负责采集分布在风力发电机基础结构中的传感器中的数据并将测得的数据传输到云中。

海上风电产业正呈现出蓬勃发展的景象；但同时也必须满足很多具体要求。

必须定期检查和维护风力发电机组，以确保风机可靠运行，特别是因为它们暴露于极端恶劣的天气条件和高腐蚀性环境。

然而，派遣一个技术员去现场维修风机不仅非常耗时而且费用也很高。

另一个问题是，随着时间的推移，风机四周的地面会下沉、逐渐塌陷甚至沉没。

“在一些海上风电场中，风机塔筒的固定通过在海床中打过渡段连接件和单桩结构的方式实现。

”Zensor 公司业务发展经理Yves Van Ingelgem 解释说道。

“过渡段和单桩结构之间的空隙由一种专门为此应用开发的混凝土填充。

然而，由于风的力量可能会导致混凝土从钢结构松开，从而造成风机基础下沉。

风机结构中的其它潜在问题可能还有腐蚀、材料疲劳、螺栓及侧壁延伸以及混凝土出现裂缝。

”高计算能力，超紧凑设计Zensor 是一家布鲁塞尔自由大学衍生公司，主要经营混凝土及钢结构项目的监控系统。

该公司最初将重点放在开发材料疲劳检测专用的传感器上；现在，Zensor 提供无所不包的监控解决方案，除了传感器系统外还包括数据采集和报告。

公司已经在Luchterduinen 风电场的四台风机中安装了约30 个传感器。

它们不仅监测结构本身的各个参数，而且还可以监测基础结构内的环境以及通过风电塔动力学间接指示海床水位。

风电降本增效的倍福方案夏云峰【期刊名称】《风能》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】3页(P18-20)【作者】夏云峰【作者单位】【正文语种】中文2006年以来，倍福始终与中国风电行业风雨同舟，见证了产业的十年辉煌。

这家专注于工业自动化产品研发和生产的外资企业，一直努力通过长期的技术积累和先进的产品组合帮助国内企业提高风电开发的智能化水平，在提升机组性能和降低开发成本这一升一降中，实现业主效益的最大化。

《风能》：关于倍福的业务开展情况，您有没有一些最新信息可以分享？马兴凯：我们早在2006年就已经进入中国风电市场，可以说见证了这个行业十年的发展历程。

截至2016年，超过10家整机厂家采用了倍福基于PC的风电控制系统，并且行业前几大知名厂商均和我们保持着长期良好的业务合作关系，总装机量约4.5万台。

倍福每年都会针对风电行业推出一些解决方案和产品，包括EJ模块、状态监测模块、电力测量模块、TwinCAT 3 Wind Framework 软件架构、极速风电场网络等，以适应不断变化的行业形势。

这些产品在实际运行中表现不俗，不断赢得客户的信赖和认可。

比如，金风科技GW 3S风电机组的智能电控平台采用了基于倍福CM 产品打造的TCMS 系统，对机组关键部位的监测更为充分和及时。

在倍福强大CPU处理能力的支持下，可实现对传动链、机舱、塔筒及叶片的在线监测和分析，为故障预警和精细化控制奠定了基础，使机组的智能化水平跨上新的台阶，显著提升了机组的性能和风电场的开发效益。

在向市场提供高质量产品的同时，我们还搭建了完善的售后服务体系。

除德国总部的风电专家团队外，倍福中国约有20名风电技术工程师，为中国风电业务提供本土技术支持。

同时倍福中国强化对风电客户的现场服务，为几十个风电场的数百位现场服务工程师开展技术培训，有利地保障了风电机组的高效、无故障运行。

《风能》：倍福的产品与市场同类型产品相比，具有哪些优势？在提高风电并网友好性、降低开发成本方面具有哪些价值点？马兴凯：我们为风电机组提供电气控制系统，它不同于传统意义上的可编程逻辑控制器（PLC）。

主控系统倍福PLC及其基本控制原理主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成以下工作：采集数据并处理输入、输出信号；判定逻辑功能；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜及变桨控制系统进行通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信号；与中央监控系统通讯、传递信息。

然后本文主要介绍的内容是信号输入、逻辑判断和信号输出三个内容，分别以视频和文字两种方式介绍。

（拓扑结构见图一）图一01视频内容以变桨电机风扇动作为例，介绍风扇动作前是如何完成数据采集，又是如何逻辑判断，最后是怎样控制风扇动作。

02文字内容注意：以下文字中列举信号采集与输出都是以金风机组的国产Vensys变桨系统为例做的举例说明。

信号输入信号输入分数字量信号和模拟量信号，对应倍福模块符号的首个数字分别为1和3。

2.1、数字量输入：数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。

数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。

输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。

（图二）图二2.11、KL1104：介绍：KL1104数字量输入端子，从现场设备获得二进制控制信号，并以电隔离的信号形式将数据传输到更高层的自动化单元。

KL1104 带有输入滤波。

每个总线端子含4个通道，每个通道都有一个LED 指示其信号状态。

国产Vensys数字量输入2.2、模拟量输入：模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，主要由A/D转换器组成。

（图三）图三2.21、KL3204：介绍：KL3204 模拟量输入端子可直接连接电阻型传感器。

总线端子电路可使用2 线制连接技术连接传感器。

整个温度范围的线性度由一个微处理器来实现。

温度范围可任意选定。

总线端子的标准设置为：PT100 传感器，分辨率为0.1℃。

故障信号显示灯显示传感器故障（例如断线）。

倍福自动化成果展：倍福风电库倍福风电库风电库是由倍福德国风电团队倾力打造的一套完整风机控制应用库，它是德国风电专家Robert先生30年的风电行业应用经验和倍福基于PC控制思想的风电控制系统的结晶。

适用于任何MW级别的风机系统控制，也适用于陆上型和海上型风机控制。

该功能库的所有源代码对用户完全开放，用户可以对库的底层代码进行修改，可以依据实际的风机做相应的修改，也可以在自己的新的机型上使用该功能库。

该库是基于TwinCAT2的IEC61131-3的ST编程语言，采用对面对象的编程思想和模块化的结构设计的一套完整的风电控制解决方案，客户在基于该风电库的基础上可以非常容易的实现风机完整控制，并可以灵活的实现自定义的功能。

完整且开放的风机控制解决方案倍福风电库提供了完整的实现风机控制的各种程序功能块，采用内存表形式存储当前参数，所有参数都是在PLC 初始化时自动生成，在程序的不同控制状态下只需要对当前唯一的参数表进行操作即可完成整个风机的控制。

由于参数表在内存中是唯一的，因此程序的任何控制策略都指向了这唯一的参数表，从而避免了控制操作与参数存储的混乱现象，完美的实现了控制与数据的分割，使得程序结构更加简单、灵活。

生产厂家德国倍福自动化有限公司的-总部位于德国威尔市。

公司在世界各地设有分支机构，加上全球的合作伙伴，公司业务已遍及60多个国家。

倍福始终以基于PC的自动化新技术作为公司的发展理念，所生产的工业电脑、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT控制软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。

近30年来，倍福公司的元件和系统解决方案在世界各地得到了广泛的应用。

自2001年3月德国倍福成立北京代表处以来，公司在中国的业务迅速发展，先后成立了上海代表处和广州代表处，并在宁波、武汉、成都、青岛设立了联络处。

2007年8月上海代表处经转制后正式成立倍福中国公司，并将倍福中国区总部迁至上海。

德国倍福产品的优点德国倍福（BECKHOFF）产品特点总结德国倍福产品是基于PC控制技术的开放式控制系统，产品范围包括工业PC、现场总线组件、驱动技术和自动化软件。

这些产品既可以作为独立的组件使用，也可将它集成到一个完整的控制系统中，适用于各行业领域。

倍福产品同一标杆的产品也就是竞争对手主要是欧美系一线品牌的自动化产品，例如西门子、AB等，下面我们通过对比对倍福的产品各组成部分进行一个特点分析：1、倍福的现场总线产品技术在国内有过很多成功项目，支持IE61131-3标准PLC语言，支持LIGHTBUS、ProfiBUS、InterBUS、CANopen、DeviceNet、ControlNet、Modbus、SERCOS、RS485、RS232和Ethernet TCP/IP、USB，还有ProfiNET、CC-Link和EtherCAT等现场总线，并可以将不同的现场总线协议整合到一个控制器中，可以根据要求选择不同的总线系统，各种总线系统都采用统一的编程语言。

产品组态灵活，功能强大，精确配置I/O点数，充分考虑用户整体方案综合成本，节省大量布线和空间，为用户提供完善满意的售前售后服务和技术支持！2、各种I/O通用于所有的现场总线系统，只是由不同协议的现场总线耦合器来提供不同的现场总线类型，方便产品的长期应用和选择。

各种I/O端子，包括2点、4点、8点数字量信号（5VDC\24VDC\48VDC\120VDC\230VDC\NAMUR\高速计数器等），模拟量（0-10V,±10V,0-20mA,4-20mA热电偶、热电阻、电阻桥、可接示波器和直接与5/1A电流互感器相连，它可通过现场总线系统进行网络分析和供电管理，采集电流、电压、有效功率、视在功率和功率因数cosφ，每秒64000次采样计算有效值，其测量精度可达到全刻度值的0.1%，广泛用于对电网参数有要求的供配电系统中；也可以控制5.5KW以下电机，通过现场总线对电机进行控制，可以采集电机的电流、电压、有效功率、视在功率和功率因数cosφ以及通断次数，并进行相关的保护。

倍福：引领中国风电行业走向智能化曹银平【期刊名称】《自动化博览》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】2页(P18-19)【作者】曹银平【作者单位】【正文语种】中文我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，近年来，德国倍福自动化有限公司（以下简称倍福）持续发力风电行业，为我国风电行业走向智能化提供软硬件技术支持。

2015年中国国际工业博览会（以下简称工博会）期间，记者有幸采访到倍福中国华东大区销售经理兼风电事业部经理马兴凯，和他一同探讨了倍福在风电行业的发展以及未来规划。

倍福始终以基于PC的自动化新技术作为公司的发展理念，其所生产的工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。

马兴凯表示，2015年中国风电市场整体发展形势非常好，从装机量以及装机速度来看都比前些年发展得快，受益于整体市场形势的蓬勃发展，与去年相比，倍福达到了超过20%的业绩增长。

倍福携诸多新产品亮相2015工博会，包括可大幅节省机器制造人工成本的全新紧凑型EJ系列插拔模块，功能强大的36核工业PC等，为倍福在风电行业的持续发展提供支持。

最新的EJ系列插拔式模块减少了具有众多共同部件的大型机器制造装配工作，降低了布线成本。

EtherCAT插拔式模块在电气上基于成熟的EtherCAT I/O系统，而它们的设计让EJ模块能够直接接在电路板上。

可以使用预制电缆线束取代耗时的人工接线，从而最大限度地降低接线错误。

此外，倍福推出了C6670工业服务器，具有12、24或36核处理器的型号，内存从64GB～2048GB不等。

通过众核控制，可以在同一个处理器上执行其它控制功能，不仅可执行PLC和运动控制功能，而且还可以执行状态监测和能源管理功能。

据马兴凯介绍，风电行业作为倍福重点关注行业，近年来在国家政策的鼓励支持下，整体发展稳定，倍福也取得了不错的成绩。

力控风电版监控组态软件FCWP在风力发电中的应用信息分类：发电发布时间：2010-2-8浏览量：748关键词：力控风电版监控组态软件FCWP 风力发电德国Beckhoff 嵌入式PC 风玫瑰图电力规约1、行业背景1.1、现状随着煤碳、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。

风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。

其蕴量巨大，全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用风能约为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

中国风能储量很大，分布面广，仅陆地上的风能储量就约2.53亿千瓦。

我国的风电发展起步较晚，但在国家政策的激励和扶持下也取得了长足的进步，到2010年累计装机容量可达2000万千瓦。

1.2、需求分析风能资源丰富的地区一般都比较偏远，而且环境恶劣，在风电站中，风电机组分布比较分散、监控参数多，这都会给风电系统的控制带来不利影响。

为充分有效地利用风力进行发电，监控与数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系统作为自动化控制的核心具有信息完整等优点，能提高效率，正确掌握系统运行状态，加快决策，有助于快速诊断系统故障状态，对提高风电场运行的可靠性、安全性与经济效益具有不可替代的作用。

作为国产监控组态软件的领军者，北京三维力控科技一直关注风电行业的发展，结合国外著名厂商倍福（BeckHoff）的嵌入式PC控制器CX1020，总结多年来风电行业的应用经验，开发了风电专用版监控组态软件FCWP。

2、系统网络拓扑图整个监控网络可以分为三个层次1）就地监控部分:布置在每台风力发电机塔筒的控制柜内，每台风力发电机的就地控制能够对此台风力发电机的运行状态进行监控,并对其产生的数据进行采集。

2）中央监控部分:一般布置在风电场控制室内。

工作人员能够根据画面的切换随时控制和了解风电场同一型号风力发电机的运行和操作。

基于倍福PLC的风电机组变桨控制设计与研究罗昕;张磊;张琨;秘春号【摘要】为了提高控制精度,加强变桨系统稳定性,以模糊自适应PID控制为核心算法,设计了一套以倍福PLC为主控,三相同步永磁伺服电机为执行机构的风机变桨距系统.并成功于国内某风电企业的双馈变桨距风力机上通过测试,对现场测试结果进行分析得知,此PLC变桨系统可以使风机安全可靠运行,验证了硬软件设计的合理性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2014(044)007【总页数】4页(P54-57)【关键词】电动变桨系统;功率输出最优;伺服驱动;发电机并网【作者】罗昕;张磊;张琨;秘春号【作者单位】河北工业大学控制科学与工程学院,天津 300130;河北工业大学控制科学与工程学院,天津 300130;河北工业大学控制科学与工程学院,天津 300130;河北工业大学控制科学与工程学院,天津 300130【正文语种】中文【中图分类】TP277定桨距失速控制和变桨距控制是目前世界上风电机组投入生产运行的两种功率调节方式，与风电机组定桨距控制相比，变桨距控制的风机在启动和制动性方面优势明显，在提升风机运行可靠性的基础上，确保了风能的高利用系数以及功率输出曲线的优化。

液压变桨系统和电动变桨系统是当今世界风力发电机组变桨距系统的两种适用类型［1］。

电动变桨系统因其结构简单、维护方便和防滑耐用的特点，目前已为大部分风机制造商所广泛采用。

这种以电机作为驱动桨叶执行机构的变桨系统，已发展为风力发电机组变桨技术的发展趋势。

本文实验平台采用电动变桨距控制系统。

1 变桨距系统结构及原理本文实验平台是在变桨双馈风力发电机组的基础上搭建的，其额定功率1.5 MW，系统的控制方式为减速齿轮拖动变桨距，其结构原理图如图1所示。

伺服电机的输出轴连接至减速器的输入轴即主动齿轮4并驱使其转动，主动齿轮和与桨叶输入轴连接的内齿圈3咬合，则桨叶即可在伺服电机驱动下旋转。

图1中，1为支撑外圈，2为位移传感器，3为内齿圈，4为主动齿轮，5为支撑板，6为电气板，7为接近开关，8为传感器放大器，9为伺服电机。

│37 10兆瓦风机全生命周期荷载测试解决方案•德国倍福自动化有限公司丹麦正在为风机组测试技术建立一项新的标准。

丹麦林都海洋可再生能源中心（LORC）能够测试风机机舱在其超过25年的使用寿命期间可能承受的所有风荷载和扭转力矩。

他们采用倍福的自动化技术实现试验台控制。

高加速寿命测试（HALT）随着风机的体积越来越大，造价越来越昂贵，对于在整个使用寿命期间最小化损坏风险的需求也逐步增加。

这就需要在开始批量生产一款新一代风机之前在真正的风机上进行载荷测试。

2017年12月在丹麦蒙克博上线的全球最大的风机组（最大10兆瓦）试验台LORC的使命就是提供最严格的高加速寿命测试（HALT），大型风力模拟器使用机械功能、液压功能和电动功能在6个月内生成风机在其整个25年使用寿命期间所要承受的压力和应力。

这类测试有助于识别设计和结构方面的缺陷，以便在批量生产风机之前能够进行必要的修改。

丹麦工程公司R&D Test Systems是此设施的交钥匙供应商，负责实施整个项目：从设计和开发机械组件一直到编程和调试。

复杂的开发和实施过程需要很多年才能完成。

为了确保调试过程平稳进行，并保证试验台性能稳定可靠，必须对所有功能进行彻底的模拟和测试。

仿真模型和测试结果用于进一步开发软件以及给操作人员进行培训。

倍福TwinCAT 3解决方案1. 拥有真实试验环境条件的试验台在测试中心，根据来自世界各地的风场的风力和天气数据对风机的机械部件进行真实的疲劳测试。

倍福丹麦分公司的总经理Michael Nielsen解释说：“模拟真实环境条件的能力对于风电及其它采用重型解决方案的行业来说越来越重要。

从长远来看，如果制造商们能够知道风机在实际应用中会有怎样的反应，就可以帮助他们节省许多资源。

”2. 倍福TwinCAT 3控制用于 10 兆瓦风机的HALT试验台倍福通过TwinCAT 3软件、功能强大的工业PC和各种 EtherCAT I/O端子模块为所有测试场景的规范和监控提供了基础。

MOOG变桨倍福模块测试扫描步骤1、12#风机出现故障。

PC连接后扫描到控制器，点工具栏第三个红色图标，Open from target，可以把CX9010的组态调出来，点击I/O Devices的EtherCAT(v2.10 only)；可以看到当前的所有I/O和通讯模块。

如下图1：图12、在EtherCAT(v2.10 only)，查看Online的Changes计数，按下图2配置。

图23、点击I/O Devices的EtherCAT(v2.10 only)，再查看Online，看到第2个卡件EL1008，出现CRC校验错误计数1089，Changes 栏计数0/112等等，Lost Frames计数979，123。

表明内部E-BUS出现问题。

一般原因是干扰或者模块内部元器件出现异常，如果是干扰只需要重启PLC，如果是元器件损坏需要作出更换。

如下图3图34、查看EL1008的8个输入口的状态，全部为0，但是查看EL1008模块的LED 灯。

有4个LED灯亮，表明有24VDC高电平进入模块通道，但是检测不到。

如下图4图45、使用倍福TwinCAT System Manager里的扫描功能，扫描EL1008,2008,EL3202等模块。

先把TwinCAT System Manager设定到Config模式，然后按下图5的方法扫描模块。

如果显示模块的Type名字正确EL1008，且Quality为100 of 100，则表示模块正常。

如果不正常，需要重起PLC控制器，然后再重复以上步骤，如果还不正常，表明模块有问题，需要更换。

图56 查看Profibus DP状态：，如下图6所示如果有RepeatCounter计数并且在不断增长，表明有通讯干扰。

图67、查看CX9010故障，如果模块表面的PWR灯不为绿色，为红色或者蓝色则表明模块不正常。

图78、EL6731或者EL6751诊断，如下图8，如果RUN灯不正常（不常亮绿），则表示该模块内部E-BUS通讯故障。

基于倍福工业PC和EtherCAT控制技术的双馈风力发电机组主控制系统原理及检修分析摘要：风力发电机组主控制系统的检修工作是风机运行检修工作的重要组成部分，为保证风机安全、稳定、高效的运行，需要不断加强风力发电机组主控制系统的理论水平和检修能力。

本文以风力发电机组主流的倍福（Beckhoff）基于工业PC 和 EtherCAT 的控制技术为切入点，通过对风力发电机组主控制系统的软件（TwinCAT及主控程序）和硬件（Master PLC、I/O模块、Slave PLC、EtherCAT通信系统、安全链系统等）组成、系统工作原理进行较为深入的分析，同时对风机待机、运行、停机、维护四种状态进行控制策略分析，进而对主控制系统的运行逻辑及原理进行分析，最终归纳总结了主控制系统故障检修分析主要集中在PLC系统、I/O模块、通信回路、各分系统的控制回路等部分，并从检修工作实践中提出了具有针对性的检修策略，对提高检修人员的风机调试检修实际工作中的能力和效率，有着非常深入、实际的帮助和指导。

关键词：风力发电机组；主控制系统；工作原理及运行分析；机组检修分析前言：在国家“30·60”双碳战略目标的时代大背景下，风力发电作为一项重要的新能源技术，每年新增装机量持续大幅提升。

风力发电机组主控制系统的检修工作就成为风电设备运行维护检修工作的重要组成部分。

但是在实际的检修和维护过程中，很多风机检修人员对于主控系统设备的故障分析和处理能力不足，增加了风力发电机组主控制系统检修工作的难度。

因此，本文将从风力发电机的主控制系统的技术原理、系统组成、系统工作原理、系统运行分析着手，进而对主控系统故障进行检修分析和实际检修策略探讨，以期为风力发电机组检修工作人员提供一定的指导和借鉴，保障风力发电机组的安全、稳定、高效的运行。

一、风力发电机组主控制系统组成倍福（Beckhoff）基于工业PC 和 EtherCAT 的控制技术是目前风力发电机组采用最多的的风机主控技术。