基于倍福TwinCAT 3 和MATLAB/Simulink 技术的智能风机控制系统

• 摘要：远景能源总部位于中国江苏江阴，是目前中国装机规模最大和业绩时间最长的智能风机设备提供商，累计装机超过240万千瓦，2013年位居中国前四，被美国《福布斯》杂志评选为“中国科技先锋封面企业”。目前，公司致力于研发新一代智能风机，该风机控制系统软件平台采用BECKHOFF TwinCAT3和Matlab/Simulink 技术，控制系统硬件采用BECKHOFF CX5020嵌入式控制器 和基于 EtherCAT 通讯技术的高速现场总线端子模块。

    远景能源总部位于中国江苏江阴，是目前中国装机规模最大和业绩时间最长的智能风机设备提供商，累计装机超过240万千瓦，2013年位居中国前四，被美国《福布斯》杂志评选为“中国科技先锋封面企业”。目前，公司致力于研发新一代智能风机，该风机控制系统软件平台采用BECKHOFF TwinCAT3和Matlab/Simulink 技术，控制系统硬件采用BECKHOFF CX5020嵌入式控制器 和基于 EtherCAT 通讯技术的高速现场总线端子模块。

    远景能源率先研发创新并设计出“智能风机”，利用自主研发的核心智能控制技术，彻底突破并超越了传统风机的技术禁锢，使得风机发电效率提升 15%-20%，从而显著提高开发商的投资回报。“如果您认为远景只是一个设备企业，那您就错了。”远景能源总经理张雷更愿意用苹果和特斯拉之于手机和汽车行业的意义来比喻远景。“远景是一家技术型企业，将创新的技术和知识，通过信息技术平台注入到能源的全生命周期管理中，从而让能源生产过程更加智能化，效率更高。”

    远景智能风机全球研发总监 Anders 告诉记者：“远景智能风机将智能双模技术、桨矩角自学习寻优、先进模型预测控制、空气动力学、载荷控制等先进的技术和知识，转变成了一行行控制代码。远景风机的控制代码行数是两百万条，约是普通风机代码行数的 20 倍。智能风机控制系统是远景智能风机超越传统风机的关键。”

BECKHOFF TwinCAT 3软件和 CX系列控制器助力智能风机  

    远景能源1.5 MW系列风机、2.0 MW系列风机以及 4 MW 海上风机都使用 倍福的嵌入式控制器和现场总线端子 IO 模块。“下一代智能风机样机首先针对 1.5 MW的风机进行开发，后续会开发 2 MW系列风机和4 MW海上风机，依然使用BECKHOFF嵌入式控制器和TwinCAT 3软件平台进行开发。”远景能源下一代智能风机主管苏炜宏如此说道。

    基于Visual Studio 的 TwinCAT 3 自推出以来，以其丰富的编程语言、开放的架构、开放的接口、动态支持多核和 64 位系统等优点，备受客户关注。BECKHOFF 自动化软件仅需要一个工具 Microsoft Visual Studio，集成自动化领域的全球编程标准（IEC61131-3），IT领域的全球编程标准（C/C ）,国际知名的配置工具（TwinCAT 系统管理器），可链接至科学计算领域全球标准（Matlab/Simulink），可以将 .NET 编程语言用于非实时应用程序（例如 HMI）。可以将用 IEC61131、C/C 、Matlab/Simulink 等创建的对象模型同时运行在同一个实时内核中，实时任务的最小循环周期为50 μs，具有低抖动特点。结合 BECKHOFF 的多核和 64 位操作系统的嵌入式控制器，可以极大地提高智能风机的软件和硬件性能。

    远景智能风机使用Matlab/Simulink 搭建控制系统模型，采用模块化的设计理念，使得每个控制专工搭建自己领域的控制模型，保证了模型的准确性，然后将各个专工的控制模型完美整合，最后将整合好的模型使用 TE1400 目标文件生成工具 生成 TCCOM 组件，集成在TwinCAT 3 软件中，并运行在 BECKHOFF 嵌入式控制器的实时内核中。“搭载新的控制系统的风机综合考虑了载荷、空气动力学、智能双模技术等先进控制理念和算法，可以有效提高发电量并降低机组载荷。”刘栋栋说。

所有的系统组件通过EtherCAT进行连接

    EtherCAT是高性能、低成本、拓扑结构灵活、开放的实时以太网通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司研发。2007 年，EtherCAT 成为国际标准，并于 2014 年成为中国国家标准。EtherCAT 突破了传统现场总线系统的限制，为现场总线技术领域树立了新的性能指标：30 μs 内可以更新 1000 个 IO，利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成，网络规模几乎无限。搭载丰富的现场总线接口，可以与所有市场主流的现场总线进行连接。

    整个风机的主控系统是通过 EtherCAT 总线进行连接，EtherCAT 具有丰富的现场总线接口，可以兼容目前常用的现场总线，比如 CANopen、Profibus 等。新的智能风机通过 CANopen 与变频器进行数据交换，通过 Profibus 与变桨系统数据交换，通过 ModbusRTU与电力测量模块进行通讯。另外，通过 EtherCAT 强大的诊断功能能够方便地对风机故障进行诊断。“可以通过 RCC（Remote Control Center）对全球范围内的远景风机进行监控和诊断，提供智能化的解决方案。”苏炜宏说道。

丰富的功能模块                  

    BECKHOFF TwinCAT 3软件有丰富的功能库可供选择，最大限度地方便客户进行软件开发和软件测试。TF3300 ScopeSever 是一款图形采样分析工具，可以方便地监控风机的运行参数。“软件示波器使用起来灵活方便。”祝乃杰说道。TF1400 是  Matlab/Simulink 编译工具，可以将 Simulink 代码编译成 TwinCAT 可以调用的 COM 组件，成功地在实时运行核中运行，并且能够在线实时调试。TF6420 数据库工具可以方便地实现 PLC 和数据库的通讯，该功能可以更好地保存风机的历史数据，是远景智能风机和格林威治云平台所需的功能。TF6255Modbus RTU 通讯工具方便实现与电力测量模块的数据通讯，只需要调用相关功能块就能实现。

灵活方便的代码管理

    TwinCAT 3 无缝集成于 Visual Studio 开发环境中，因此可以借助于 Visual Studio 强大的开发环境和 Team Foundation Server 代码管理工具对整个项目进行管理和维护，同时可以实现团队成员之间的协作和服务。项目主管可以方便地跟踪开发者的开发进度，新增和删除了哪些功能、修复和引入了哪些 bug 等，帮助开发者在软件的整个生命周期过程中进行管理和维护，降低了代码的维护时间和成本。