A Beckhoff tudományos automatizálása képviseli a nagy teljesítményű ipari vagy beágyazott PC-k, az erősen determinisztikus EtherCAT terepi buszrendszer és az intelligens szoftver kombinációját. Ezekre a komponensekre van szükség a modern szélturbinák automatizálásához. A szélturbinagyártók szeretnék ugyanazt a rendszert használni a vezérlési feladatokra, a monitorozásra, a szinkronizációra és a rendszer szintű kommunikációra. A vezérlőben futtatott komplex állapotfigyelő algoritmusokra tekintettel világossá válik, hogy többmagos CPU-kat érdemes használni.

Alkalmas hardver és szoftver

A Beckhoff új CX2000-es sorozatával most elérhetővé válnak az ilyen nagy teljesítményű CPU-k a turbinagyártók által preferált beágyazott PC-s formátumokban is. Alapkiépítésben a CX2000-es eszközöket az Intel SandyBridge processzorával látják el. Emellett a gazdaságos SandyBridge Celeron típusok és a csúcskategóriás Intel Core i7 processzorok állnak rendelkezésre. Még az 1,5 GHz-es processzorral felszerelt kétmagos CX2030 is ventilátor nélküli kivitelű, és mivel nem tartalmaz forgó alkatrészeket, rendkívül stabil.

Hogy a fokozott teljesítmény nyújtotta lehetőségeket kihasználhassuk, megfelelő szoftverre van szükség. Ilyen a Beckhoff TwinCAT 3 vezérlőszoftver. A TwinCAT 3 valós idejű környezetét arra tervezték, hogy lehetővé tegye szinte korlátlan számú PLC, biztonsági PLC és C++ feladat végrehajtását akár egyetlen, akár több különböző CPU magon.

Állapotfigyelő könyvtár TwinCAT 3-hoz

Az új TwinCAT 3 állapotfigyelő könyvtár megkönnyíti a felsorolt lehetőségek kihasználását. A nyers adatok egy gyors taszkkal rögzíthetők, majd feldolgozhatók egy valamivel lassabb algoritmussal. Ez lehetővé teszi, hogy a mért adatokat folyamatosan rögzítsék és különféle algoritmusokkal analizálják, például teljesítményspektrum, csúcsosság, amplitúdótényező és envelope spektrum formájában.

A felhasználónak nem kell aggódnia a taszkok közötti kommunikáció miatt, mivel ezt automatikusan kezeli az állapotfigyelő könyvtár. Az egyes funkcióblokkokból származó eredmények a könyvtárban kerülnek eltárolása egy globális „transzfertálcában”, amely tulajdonképpen egy előre definiált memóriatábla. Innen az eredmények átmásolhatók változókba vagy feldolgozhatók más algoritmusok segítségével. Ily módon a felhasználók konfigurálhatják saját egyéni mérési és analízisláncukat.

Különösen a szélenergia-iparban az ilyen fejlesztéseket alaposan tesztelni és szimulálni kell, mert ha a szélerőmű beüzemelésre kerül, a módosítások és frissítések meglehetősen időigényesek és drágák lennének. A tesztelés megvalósítható valós időben az eredeti vezérlőprogrammal és például egy Matlab/Simulink rendszerszimulációval az idő és a fejlesztési költségek megtakarítása érdekében. Ezzel a módszerrel számos problémát lehet észlelni és korrigálni az üzembe helyezés előtt. Nincs szükség Beckhoff-specifikus összetevőkre vagy az eredeti modell egyéb módosítására a Matlab/Simulink modul TwinCAT 3 futásidejű környezetben történő használatához.

A Matlab és Simulink kódolók C++ kódot generálnak, amely ezután lefordítható egy TwinCAT 3 modulba. A modulok ezután könnyen újra felhasználhatók. A Simulinkben készített blokkdiagram közvetlenül megjeleníthető a TwinCAT 3-ban, például a debugoláshoz használt töréspontok beállításához.

Valamennyi jel megjeleníthető

A TwinCAT 3-at kiegészítő állapotfigyelő, illetve Matlab/Simulink integrációs csomagok mellett a TwinCAT Scope lehetővé teszi a tudományos automatizálási szoftver összes releváns jelének megjelenítését. A TwinCAT Scope két összetevőt tartalmaz. A View komponens a használt jelek megjelenítésére szolgál grafikonok formájában, a Server komponens pedig rögzíti a céleszköz adatait. A TwinCAT 3 telepítése mindig tartalmazza a Scope alapverzióját. Ez különösen alkalmas a rendszerek üzembe helyezéséhez.

A Scope biztosítja a felhasználó számára a gép állapotának gyors, grafikus áttekintését. Különböző kurzorok teszik lehetővé a mért adatok pontos leolvasását, akár mikroszekundumos tartományban is. Széles értéktartományoknál érdemes logaritmikus kijelzésre váltani. A Scope termékszint lehetővé teszi kiegészítő funkciók alkalmazását, mint például a hosszú távú rögzítés vagy az egyéni intergálhatóság. Minden Scope termékszint lehetőséget ad az EtherCAT mérési termináloktól érkező, túl-mintavételezéssel kapott értékek vizualizációjára.

EtherCAT: nagy pontosságú mérési technológia

Az EtherCAT gyors, valós idejű működésre képes buszrendszerként teszi teljessé a Beckhoff tudományos automatizálási megoldását. Az EtherCAT nemcsak vezérlő, de mérőrendszert megvalósító terepi busznak is kiválóan alkalmasnak bizonyult. Csak ez az Ethernet-alapú, erősen determinisztikus és gyors terepi busz teszi lehetővé komplex alkalmazások, mint például az állapotfigyelés integrációját. Az EtherCAT működési elve full-duplex gyors Etherneten keresztül 90 százalékot jóval meghaladó hasznos adatátviteli sebességet és a mindössze néhány mikroszekundumos buszciklusidőt kínál.

Az említett túl-mintavételezési funkcióval és az értékek pufferelésével közvetlenül az EtherCAT eszközben a mintavételi arány messze a tényleges buszcikluson túl növelhető: az EL1262 digitális bemenet például legfeljebb 1 millió minta/másodperc jelmennyiség beolvasására képes. Az EL3702 EtherCAT terminál a ±10 V-os analóg jeleket 16 bit felbontással és 100 kHz mintavételi frekvenciával tudja feldogozni. Az EtherCAT eszközökben az elosztott órák biztosítják az időben szinkronizált adatok mintavételezését a hálózaton keresztül. A késleltetés (jitter) szignifikánsan kisebb mint 1 mikroszekundum, rendszerint kevesebb 100 nanoszekundumnál.

Kétféle terminál mintavételezésre

Az EL3632 szintén egy EtherCAT túl-mintavételezési terminál, amely kiválóan alkalmazható állapotfigyelő alkalmazásokhoz, ahol rezgésekből kell mintát venni például gyorsulásérzékelők vagy mikrofonok segítségével. Piezoszenzorok IEPE interfésszel (integrated electronics piezo-electric) közvetlenül csatlakoztathatók a kétcsatornás terminálhoz előerősítő nélkül. A különböző hardveres szűrőfokozatoknak köszönhetően a mintavételezési frekvencia 0,05 Hz és 50 kHz között lehet.

Az EL3632-höz hasonló elven működik az EL3773 is, amely egy energiafelügyeleti terminál a nyers rácsadatok mintavételezésére, ezzel szemben az EL3632 a nyers oszcillációs adatokkal dolgozik. Áram- és feszültségértékek mintavételi frekvenciája akár 10 kHz is lehet, így a terminál használatával lehetővé válik a szinkronizáció más hálózatokkal. A 12 mm széles modulok fő előnye a nagyfokú flexibilitás.

Korlátlan bővítési lehetőségek

Az EtherCAT buszrendszer gyakorlatilag korlátlan bővítési lehetőségeket kínál. Ez azt jelenti, hogy a mérőalkalmazások, mint például a hajtómű állapotfigyelése, megvalósíthatók új rendszerekben vagy utólag beilleszthetők meglévő megoldásokba. A vezérlő kompakt méretének és a nyílt TwinCAT interfészek széles körének köszönhetően a stand-alone rendszerek is egyre népszerűbbek.

Ilyen, CX5020 beágyazott PC-vel megvalósított stand-alone rendszerek kerültek a felújításkor beépítésre néhány szárazföldi turbinába a fő csapágy és a hajtómű ellenőrzésére. Erre a célra egy csatlakozódobozt szereltek fel öt EL3632 túl-mintavételezési és egy EL3413 teljesítménymérő terminállal. UMTS modemek és kompakt fűtőtestek kiegészítő lehetőségként intergálhatók. A rendelkezésre álló interfésztől függően az ellenőrző rendszer integrálható lehet a meglévő vezérlőbe.