基于Beckhoff　CX9020嵌入式控制器的全新一代風機變槳系統的自主開發

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案例分享

基于BeckhoffCX9020嵌入式控制器的全新一代風機變槳系統的自主開發

東方電氣風電有限公司李博

圖1　TwinCAT Wind

東方電氣風電有限公司（DEW）是國內唯一擁有雙饋型和直驅型兩種類型風機的公司，是綠色能源風景線的主創力量，作為全球領先的風電技術和服務供應商，已為國內外企業和消費者提供了各型雙饋和直驅風電機組超過7000臺，運行狀況良好。東方風電在提供風機整機設備的同時，擁有完全自主知識產權的風機電控系統。其中，借助Beckhoff基于PC的先進控制技術在風機變槳系統的完全自主開發及成功應用，得以在國內外風電控制系統領域脫穎而出。

變槳系統是風力發電機組的核心控制系統之一，其主要功能一方面是根據風速的大小來調節風力發電機組槳葉的槳角，改變氣流對槳葉的攻角，使風力發電機組的輸出功率能夠根據風速的大小進行自動調節，保證風力發電機組的輸出功率最高，并且輸出在額定功率以內；另一方面是在風力發電機組發生嚴重故障等極端情況下能夠完成緊急收槳，保證風機安全。因此，變槳系統的安全可靠直接關系整臺風電機組的安全可靠，變槳系統必須滿足高冗余性、低故障、高負荷能力等要求，尤其是當風力發電機組運行在極端環境條件下。

東方風電是一家完全自主進行變槳系統開發的風機供應商，這立足于公司超過7000臺風電機組的運行經驗，以及借鑒和總結了國內外大功率風電機組變槳系統的需求和發展趨勢。關于電動變槳系統中直流變槳和交流變槳系統的優缺點：交流變槳系統一般采用交流伺服驅動器和交流伺服電機，交流伺服電機結構簡單、可靠耐用、成本低、維護方便，正好克服了直流電機結構復雜、制造成本和維護成本高的缺點。所以，東方風電自主開發型變槳系統最終選用交流變槳方案。

東方風電自主開發型交流變槳系統架構如圖1所示。系統主要包括三個軸控柜、三個后備電源柜、三個變槳電機及槳葉冗余角度編碼器、限位開關等相關附件。交流變槳系統的核心是由一個主控制單元和三個執行單元組成：主控制單元的核心部件選用的是德國Beckhoff公司的全新一代CX9020高性價比嵌入式控制器以及E-bus系列相關通訊和I/O模塊；三個執行單元的核心部件選用的是行業主流的風電專用伺服驅動器和交流伺服電機。同時，東方風電自主開發型變槳系統采用擁有國家發明專利的變槳系統冗余安全鏈設計，從根本上保證變槳系統的安全可靠。

圖2　東方電氣交流變槳系統架構

倍福新一代的CX9020嵌入式控制器結構極為緊湊，代表著先進的PC控制技術。CX9020是一款適合DIN導軌安裝的高性價比控制器，由先進的組件構成：ARM Cortex? A8 CPU和設計極為緊湊但存儲容量很大的MicroSD卡，工作溫度范圍為-25℃～+60℃之間，可以滿足極其嚴苛的環境要求，全新的外殼設計能夠更好的應對電磁干擾，尤其適合風力發電機組變槳系統極端氣溫條件的運行要求。

圖3　倍福C×9020嵌入式控制器

倍福CX9020控制器已廣泛被東方風電變槳系統所采用，一方面用于實現葉片變槳距的控制和調節，另一方面用于實現對整個變槳系統實時狀態的監控與故障碼管理。I/O模塊方面采用了倍福的E-bus系列EtherCAT端子模塊。相對于傳統的K-bus總線端子模塊，E-bus系列端子模塊提供了更快速的響應、更便利的診斷及更加靈活的通訊接口。

使用CANopen從站模塊EL6751-0010實現變槳系統與風機主控系統之間的通訊連接；使用CANopen主站模塊EL6751實現變槳控制器和三個驅動器之間的通訊連接；同時使用CX9020集成的RS485接口CX9020-N031實現變槳控制器對后備電源充電器狀態信息的監控。倍福CX9020嵌入式控制器的網絡接口操作簡單，使得變槳系統的程序升級及調試工作也更加容易。

圖4

倍福的TwinCAT軟件作為通用的軟件開發環境平臺，支持國際IEC61131-3的ST、梯形圖等多種編程語言，利于工程師快速掌握，整個系統開發過程中，東方風電的工程師在倍福中國西南風電工程師的協助下，在很短的時間內就熟悉了倍福的整套系統并完成了所有軟件工作的開發，極大地縮短了項目開發周期。

全新一代變槳系統的完全自主開發彰顯了東方風電不斷追求技術創新的精神，也標志著東方風電和倍福中國展開全新的戰略合作，強強聯手，助力中國新能源產業的發展。