貝加萊風(fēng)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)革新理念
1.風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)
對于風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言,意味著巨大的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)檫@些在野外工作的控制器要執(zhí)行非常惡劣環(huán)境下的控制任務(wù),而且,由于遠(yuǎn)離城市,穩(wěn)定性可靠性的要求極其高,否則將會造成極大的維護(hù)成本,這是風(fēng)力發(fā)電的特殊需求,如何確保所設(shè)計(jì)的控制器是有效可用的?因?yàn)樵诰€的現(xiàn)場測試意味著巨大的投入,另一方面,客戶允許你將一個(gè)不成熟的控制器在現(xiàn)場反復(fù)的測試嗎?他們要采購的是一個(gè)直接投入使用的機(jī)組,而不是一個(gè)半成品,當(dāng)你在開發(fā)新的機(jī)組控制的時(shí)候,以前的經(jīng)驗(yàn)可以借助,可是,最好的方式是它在被運(yùn)到現(xiàn)場之前,控制器已經(jīng)經(jīng)過了大量仿真分析,被驗(yàn)證過可靠的,只需要現(xiàn)場的參數(shù)調(diào)試即可運(yùn)行的,有時(shí)候你需要做的測試是無法搭建現(xiàn)實(shí)條件的,比如:風(fēng)速超速,另一些測試甚至是需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)極高的臨界和超限測試的,這些巨大的風(fēng)險(xiǎn)如何被規(guī)避?
2.廣泛使用的控制器V形開發(fā)流程
為了解決在控制器設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)和成本的降低問題,在各個(gè)行業(yè)里廣泛使用了被驗(yàn)證為切實(shí)有效的V形開發(fā)流程。它將系統(tǒng)定義、設(shè)計(jì)仿真、快速原型、在環(huán)測試進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)劃,按照這個(gè)流程,嚴(yán)格執(zhí)行的設(shè)計(jì)流程,控制器被以一種低成本和低風(fēng)險(xiǎn)的方式完成,在諸多領(lǐng)域,如:飛機(jī)發(fā)動機(jī)、汽車引擎及整車設(shè)計(jì)、FPGA的芯片應(yīng)用設(shè)計(jì)、建筑防災(zāi)設(shè)計(jì)等等,被廣泛證明是一項(xiàng)極其有效的控制器設(shè)計(jì)和仿真平臺。
B&R的Automation Studio具有這樣構(gòu)建系統(tǒng)控制器的能力,尤其適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電這樣Modeling Based的控制器設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用。
目前這個(gè)廣泛使用的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念在機(jī)械制造業(yè)的設(shè)計(jì)中尚未被真正采用,B&R前瞻性的預(yù)測到未來軟件正在成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,而先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念將為客戶降低大量的測試成本和風(fēng)險(xiǎn),這是一項(xiàng)非常具有競爭力的利器,因此,2008年初,B&R推出在其系統(tǒng)中集成了Matlab SIMULINK用于仿真和Stateflow的邏輯仿真工具,并且將Embedded Real-time workshop coder集成于Automation Studio架構(gòu)中用于代碼的自動生成。
下面這個(gè)流程框架圖清晰的描繪了整個(gè)V形開發(fā)的過程,它基于服務(wù)客戶的整個(gè)需求,以客戶需求為中心設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng),構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
2.1系統(tǒng)定義:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,完成機(jī)組整個(gè)控制的設(shè)計(jì)需求分析、設(shè)計(jì)規(guī)范,如功率控制算法軟件模塊、變槳伺服控制算法、機(jī)組邏輯、控制對象參數(shù)等。這些建立在深刻的理解行業(yè)需求和深度的客戶溝通基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn),因此Customer是這個(gè)V形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2.2建模與仿真:根據(jù)控制系統(tǒng)定義,將整個(gè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn),即對控制器的控制邏輯、控制對象環(huán)境進(jìn)行建模仿真,以幫助設(shè)計(jì)者在先期就對系統(tǒng)指標(biāo)、誤差等進(jìn)行快速評估。仿真工具是集成在Automation Studio內(nèi)部的Mathworks Matlab/Simulink®.Simulink及stateflow工具允許我們使用可視化的工具和組件來建立控制系統(tǒng)的模型,并進(jìn)行有效的仿真
“Modeling Based”是一個(gè)理念,基于建模對于風(fēng)力發(fā)電而言極其重要,建模使得各種控制器所需組件物理形式的均可在模擬環(huán)境中被集成進(jìn)來,整個(gè)機(jī)組的模型可以分為獨(dú)立的單元和快速的合并單元構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng),它能夠?qū)γ總€(gè)獨(dú)立單元的仿真,也能將整個(gè)模型集成進(jìn)行仿真。
2.3快速原型:快速控制原型(Rapid Control Prototype簡稱快速原型),因?yàn)檐浖抡娌荒芡耆w現(xiàn)實(shí)際的動態(tài)環(huán)境,需要開發(fā)一個(gè)控制器硬件原型用以在真實(shí)環(huán)境下驗(yàn)證算法,即將控制器模型下載到一個(gè)實(shí)時(shí)硬件平臺,并通過I/O連接至真實(shí)環(huán)境中的傳感器、執(zhí)行器并進(jìn)行測試,該過程即快速原型,也常稱為軟件在環(huán)。選用實(shí)時(shí)硬件平臺是為了仿真的時(shí)效性、確定性和穩(wěn)定性。B&R的X20 CPU系統(tǒng)即是一個(gè)真正意義的實(shí)時(shí)硬件平臺,它具有Automation Runtime這樣的定性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),控制器的實(shí)際分布式X20I/O也可以被直接連接到這個(gè)控制器上,以及其它的現(xiàn)場設(shè)備,通信接口等均可以用于構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)所需的各種組件,例如,為了獲得溫度、振動、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)向的傳感器接入到這個(gè)硬件平臺中來。
2.4代碼自動生成與軟件測試:控制器模型在通過快速原型環(huán)節(jié)驗(yàn)證之后,將該模型自動或手工生成C代碼或其它支持類型的代碼,并下載到控制器。并對所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼進(jìn)行測試。
2.4.1代碼自動生成:在Automation Studio中集成了Embedded Real-time Workshop Coder,它可以將SIMULINK設(shè)計(jì)的模型和仿真結(jié)果生成代碼,所生成的代碼具有極高的效率,也支持其它的代碼集成,這樣生成的代碼將被下載到硬件環(huán)境中來執(zhí)行硬件在環(huán)環(huán)測試。
2.4.2硬件在環(huán)(Hardware in the Loop)是指將已下載目標(biāo)代碼的控制器通過I/O連接至先前建立的環(huán)境模型(硬件在環(huán)仿真器),并測試該控制器在各種工況下的功能性和穩(wěn)定性。硬件在環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的測試系統(tǒng),可重復(fù)地進(jìn)行動態(tài)仿真;可在試驗(yàn)室里仿真風(fēng)速的變化、湍流對機(jī)組的影響,機(jī)組溫度升高、變槳等極限情況,無需真實(shí)的測試環(huán)境組件,并且可以反復(fù)進(jìn)行,節(jié)約測試成本,通常它是被用于風(fēng)險(xiǎn)較高和成本較高的臨界條件測試和極限工況,沒有實(shí)際風(fēng)險(xiǎn);并可通過軟件、硬件來模擬開路、與地短接、以及模擬傳感器、執(zhí)行器出錯(cuò)情況系統(tǒng)的響應(yīng)邏輯及過程。
3.平臺利器
B&R Automation Studio集成的SIMULINK及Coder個(gè)工具構(gòu)筑了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電整機(jī)控制器設(shè)計(jì)的解決方案平臺,它將基于Modeling Based、Automatic Coding以及Hardware In the Loop集成在一個(gè)V形設(shè)計(jì)流程里,構(gòu)成閉環(huán)的設(shè)計(jì)系統(tǒng),應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電對于臨界及極限情況的無風(fēng)險(xiǎn)仿真,并且能夠反復(fù)進(jìn)行,而無需投入真正的實(shí)際現(xiàn)場大量測試的風(fēng)險(xiǎn),對于成本的節(jié)省是巨大的。
不僅僅在風(fēng)力發(fā)電,在機(jī)械制造的其它各個(gè)領(lǐng)域,這種面向未來的設(shè)計(jì)理念將帶給客戶巨大的成本節(jié)省和軟件的穩(wěn)定與可用性,B&R的平臺利器將在未來發(fā)揮更加重要的作用。

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