EtherCAT P 和基于 PC 的控制技術助力風電行業“乘風而上”
隨著風機容量增大，搭載的葉片長度也隨之增長，新一代風力發電機將配備長達 100 米的巨型轉子葉片，而這些葉片對于丹麥奧爾堡的 Blaest 公司的現有試驗臺來說實在太大了。公司為此建造了新的測試中心，完全重新設計了其控制和測試裝備：EtherCAT P 和一個定制的測量放大器箱現在取代了數百根線纜，并通過靠近測量點的數字化測量設備提高精度。通過配備基于 PC 的控制技術，Blaest 現在已經為未來的成功發展做好充分準備。
典型的測量裝置，在一個基礎載體上有多個稱重傳感器放大器。
在這里，轉子部分的應變片集中在一處，通過 EtherCAT P 供電和通信。
Blaest 總部位于丹麥奧爾堡市的利姆峽灣岸邊，碧波蕩漾的海面上，一排排白色的風機高高聳立，巨大的槳葉緩緩轉動。公司成立于 2005 年，其前身是丹麥可持續能源國家實驗室，實驗室從上世紀 80 年代開始就一直致力于風機轉子葉片的測試。當時，實驗室仍然使用沙袋測量葉片的承重能力。時至今日，測量方法日漸成熟并完全數字化，機電自動加載系統將葉片連接到固定在大廳地板上的牽引工位上。在兩到三個月的測試期間，每個轉子葉片都將以很大的力在不同的方向上擺動約 400 萬次。
“我們的主要工作就是進行葉片疲勞試驗，以幫助各風機制造商的風機樣機獲得認證。”Blaest 測試工程師 Nicolai Vangsgaard 解釋道。風機葉片的設計使用壽命通常約為 20 到 30 年，Blaest 專家會對每個葉片的各項性能進行檢測，以驗證葉片能否正常服役這么多年。“我們采用模擬葉片承受的設計載荷方式驗證葉片的疲勞性能，因此要盡可能廣泛地采用數字化手段和盡可能高的精度完成所有測試步驟。”Nicolai Vangsgaard 說道。因此，Blaest 公司現在選用了倍福基于 PC 的控制和測量技術。畢竟，測量速度越快，精度越高，數據采集以及后續數據分析結果就越精確。
更長的轉子葉片要求更快的數據采集速度
2018 年，公司決定擴建其位于奧爾堡基地的檢測中心，新建一棟更大的試驗廳，并升級更新之前使用的控制系統。系統負責控制與數百個沿著巨大的轉子葉片運行的數據采集箱之間的通信，并采集傳感器中的測量信號。在傳統的測試方法中，每個測量點都需要一根單獨的線纜，這樣不僅會產生巨額成本，而且用來連接葉片以及控制系統的線纜會太多，容易纏到一起。
“我們的主要目標是擁有一個更加靈活、通道數量可以隨著風機葉片長度增加和性能的增強而隨時擴展的系統。”測試工程師解釋道。這是因為下一代的風機葉片長度將達到 100 米，而不是現在常見的 70 至 80 米。這意味著需要更多的傳感器和更多的測量通道，因此需要更高的同步性能和精度，才能記錄和處理更多的數據。更重要的是，在采集數據時，應盡可能靠近每個測量點，避免像以前那樣使用需要不斷維護和更換的數英里長的電纜。由于 Blaest 使用的是公司為每個客戶自主研發定制的軟件，因此需要有一個既開放又適應性又很強的自動化系統。
據 Blaest 測試工程師 Nicolai Vangsgaard 稱：“EtherCAT 熱連接和
EtherCAT P 讓我們的測量裝置能夠快速、靈活地適應個性化的應用需求。”
根據用戶具體需求定制開發
為了最大限度地降低布線的復雜性，倍福花費了六個月時間開發了一款分布式多通道 EtherCAT P 端子盒，用于評估測量電橋，以采集轉子葉片上應變式傳感器發出的信號。此款 I/O 端子盒是 ELM3504 EtherCAT 端子模塊的衍生產品，支持分析全橋、半橋和四分之一橋，分辨率為 24 位，采樣率高達 10 ksps。參數可以通過 EtherCAT 使用 CoE 目錄設置。端子盒配備了 IP20 電阻橋接口，適用于在環境受保護的前提下靠近測量點的應用場景。“按照客戶需求定制開發的 EtherCAT P 端子盒 EPP3504-0023 目前已成為我們 EtherCAT P 產品系列中不可缺少的部分。”倍福丹麥分公司銷售工程師 Jorgen Berg 補充道。
EtherCAT P 端子盒將靠近測量點的模擬量傳感器的信號轉換為數字量測量值，這在很大程度上降低了電纜干擾和模擬信號失真的風險。任何一名檢測工程師都可以肯定的是：“線纜越短，測量結果就越準確。”此外，EtherCAT P 既可傳輸 EtherCAT 信號，又能夠供電，減少了需使用的線纜數量。“這個方案之所以能成功，是因為 EtherCAT 能夠處理大型網絡，同時還能實現極低的實時更新時間。”Jorgen Berg 補充道。在一次風機測試期間平均可以記錄 9500 億個測量值，相當于總共 7 兆字節的數據。500 個稱重傳感器的測量值每隔 4 毫秒就會流入一個數據庫。
舊的測量系統需要為每臺測試裝置鋪設超過 10 公里的線纜。相比之下，目前使用的基于 EtherCAT P 和 EtherCAT P 端子盒的系統線纜長度只有 1 公里，并且可以通過添加稱重傳感器的方式輕松擴展。Nicolai Vangsgaard 認為，僅從減少的安裝工作量來算，每個測試結構就能節省 30,000 丹麥克朗（約 4000 歐元或美元）。“倍福的控制系統不僅滿足了我們在數字化和智能數據采集方面的需求，而且在價格、可用性以及技術支持方面都具有明顯優勢，提升了我們的競爭力。”Nicolai Vangsgaard 說道。
“Blaest 實際上運營著世界上最大的 EtherCAT 熱連接系統。”Jorgen Berg 說道。每個 EPP 端子盒都有自己的地址，因此可以即時添加或刪除模塊。根據 Nicolai Vangsgaard 的說法，“事實上，一切都已經預先配置好了，因此可以輕松修改這些配置。”Blaest 的控制柜內目前只需安裝一臺工業 PC、一個 EtherCAT P 接口和一個安全模塊。“總體來說，它的速度更快，適應性更強，同時成本也更低，測量更精確。另一大優點是，系統具有良好的開放性，即我們的測試中心對所有風機制造商開放，因此可以根據幾乎任何需求進行調整。”Nicolai Vangsgaard 強調道。
