针对潮汐涡轮发电机的集成式自动化解决方案

基于 PC 的控制：潮汐涡轮发电机的通用控制平台

得益于开放性和可扩展性、控制设计的灵活性以及高集成度，倍福控制架构非常适合用于满足潮汐涡轮发电机的要求。从工业 PC 和嵌入式控制器，到操作面板和 I/O 组件，再到 TwinCAT 自动化软件，倍福为所有产品领域提供性能可精准扩展的模块化解决方案。倍福I/O 模块的所有常用现场总线接口和广泛的信号范围涵盖了与潮汐涡轮发电机嵌入式控制器相关的所有信号类型和现场总线系统。就像使用一个构造套件那样，您可以从 倍福标准组件中配置所需性能等级的控制系统。由于模块化的特点，还可进行后续的扩展和改进。集成式 PC 控制平台摒弃了基于硬件的安全或监测解决方案的“黑匣子”，并确保所有系统组件的高效协作。因此，您可以从提高潮汐涡轮机的可用性和发电效率，同时降低硬件成本和工程设计成本中受益。此外，倍福技术支持 IEC 61850、Ethernet TCP/IP 以及 OPC 等工业通信标准，还确保了高水平的投资安全性。

基于 PC 的控制技术可为用户带来巨大优势：

• 提供运行控制管理、变桨控制和状态监测的通用控制平台
• 在控制器设计方面具有高度灵活性
• 性能可扩展
• 可模块化扩展
• 降低硬件成本和工程设计成本
• 提升效率
• 提升竞争力

TwinSAFE：模块化和可扩展的安全解决方案

通过 TwinSAFE，倍福为潮汐涡轮发电机的开发商提供了一个通用的、经过认证的安全方案，将所有与安全相关的功能集成到标准控制平台中，因此无需使用单独的安全控制系统。由于模块化特性和多功能性，TwinSAFE 组件可以无缝地融入倍福控制系统。I/O 组件有 EtherCAT 端子、EtherCAT 插拔式模块和 EtherCAT 端子盒等类型可供使用，其防护等级为 IP20 和 IP67 。安全信号可以与设备实际自动化所需的标准信号混合，从而标准信号也可以用于安全相关任务。

例如在 DNV GL 潮汐涡轮发电机认证准则中所要求的对 Estop、转速、功率或冲击的安全相关监测，可以在 TwinSAFE 逻辑端子模块 EL6900 或 EL6910 上或者在集成 TwinSAFE 逻辑的TwinSAFE I/O 端子模块上根据标准安全功能模块进行编程或配置。

TwinSAFE 和 FSoE 的亮点：

• 处理数字量和模拟量信号
• 安全相关的功能集成到现有的控制架构中
• 现有的控制系统可以“监听”FSoE 通信，即对与安全相关的信号和情况作出反应，进行记录或通信
• 在一个共同的 TwinSAFE 应用中实现不同系统配置的安全相关要求：为相应的系统类型自定义启用选项
• EP1908：无需模拟编码器即可检测转速，超过可参数设置的阈值时安全触发，通过 CoE (CAN over EtherCAT) 额外读取模拟转速值
• 即使在使用 EtherCAT 线缆冗余的情况下，也能保证功能

EtherCAT：用于潮汐涡轮发电机的高速现场总线

作为现场总线系统，EtherCAT 具备在潮汐涡轮发电机中进行控制和信号传输的所有必要特性。EtherCAT 现场总线可通过以太网实现与所有设备的高效且通用的通信，而无需使用耦合器或转换器。在此过程中，可以细致地监测和诊断每个连接、每个传送器和每个设备，以便直接识别可能存在的故障并确定原因。

由于具有高带宽，EtherCAT 不仅可以处理所有标准信号，还可以处理高精度测量技术及安全技术信号。标准现场总线的现场总线主站可以在现场顺利实现其功能。该系统还可以配置线缆冗余。EtherCAT 技术也可以用于对速度和同步性要求极高的子系统，如变频器。

TwinCAT 用作运行控制管理的自动化环境和 Runtime 环境

TwinCAT 3 自动化软件集成在 Microsoft Visual Studio 中，可以根据 IEC 61131-3 语言开发应用软件，包括面向对象的扩展。也可以使用 C/C++ 进行开发，或直接从 MATLAB^® and Simulink 集成算法。以这种方式开发的 TwinCAT 模块可以自由组合，并在工业 PC 或嵌入式控制器的运行时环境中执行。[NW王1] 开发的软件模块独立于所使用的硬件，可在各种 CPU 上运行，也可以与各种 I/O 组件和现场总线系统配套使用。

TwinCAT 具有良好的开放式和模块化接口，不仅支持内部通信以及与 I/O 之间的通信，而且还支持连接下级系统或上级系统。这样就可以通过 EtherCAT 或 CANopen、PROFIBUS 以及 PROFINET 等现场总线直接连接子系统、并行系统以及监测系统。但该平台的开放性也使其易于通过 EtherCAT 或 PROFINET 等现场总线系统轻松集成到更大的发电场结构中，或通过 Modbus TCP、OPC UA 等协议以及 IEC 60870 或 IEC 61850 等远程控制协议轻松连接到 SCADA 系统中。此外，还可以使用物联网技术采集大量分布式系统的数据，通过 MQTT 等协议传输这些数据，或者通过 SQL 直接写入数据库，从而对发电场进行管理，实现云端场景。

控制系统中集成的状态监测功能助力提高潮汐涡轮发电机的发电效率和可用性

潮汐涡轮发电机的运行和维护成本很高。为了保持其竞争力，必须将故障风险降到最低，并降低维护成本，提高系统的可用性和能效。在此，减速箱和发电机的状态监测发挥了重要作用。利用现代 PC 技术的强大处理器和快速的 EtherCAT 通信系统，状态监测可以无缝地集成到控制系统中。在此过程中，倍福标准测量技术端子可采集轴承或电机的振动，并通过 EtherCAT 传输到控制系统。TwinCAT 将配置、编程和诊断整合于一体。

通过改善错误检测和整体系统分析，控制系统集成的状态监测优于传统的、基于硬件的状态监测解决方案。通过将运行控制管理的其他信号，如温度、压力和电流，整合到控制平台上，可以避免误报警，并改善错误检测。在系统成本、安装工作和维护方面的成本降低也是控制系统集成的状态监测的优势。现有的设备可以进行轻松且低成本加装。

控制系统集成的状态监测的优点：

• 对所有数据可实现远低于 1 微秒的时间同步记录
• 可靠的数据分析
• 提高诊断能力
• 提高系统可用性
• 延长潮汐涡轮发电机的使用寿命
• 降低维护成本
• 降低系统成本
• 提升竞争力

功能强大且可灵活扩展：用于潮汐涡轮发电机控制任务的嵌入式控制器系列

CX 系列 DIN 导轨安装式控制器结构紧凑，能够与各种 I/O 模块直接插接在一起，构成一个完整的工业控制系统安装在控制柜内，节省空间。倍福的嵌入式控制器产品种类齐全，针对每一种应用都包含为预算、性能等级和控制任务的复杂性量身定制的设备。除了 CPU 之外，CX 系列的各个设备在可用的系统接口和电源类型方面也有所不同，可以根据潮汐涡轮发电机的任务要求，作为模块化的控制系统插接到一起并扩展。

CX 产品系列包括多个 CPU 基本模块，具有不同的处理器，可根据所需性能等级适应相应的控制任务。例如，对于包括测量技术在内的高性能应用，CX2033 可作为无风扇型号提供。Arm^® 系列的 CX 产品系列通常用作轮毂中的变桨控制器。

EtherCAT 端子模块系统用于高效输入和输出信号以及子现场总线系统

由于现场总线组件种类繁多，I/O 端子模块可以作为 EtherCAT 从站任意部署在潮汐涡轮发电机中，并通过任何给定的拓扑结构集成到系统中。I/O 端子模块的选择范围很广：从用于采集简单的数字量和模拟量信号的端子模块到用于高精度测量振动、温度或应变片的端子模块；因此可以支持连接几乎任意数量的传感器。执行器、驱动器和液压系统同样可以通过输出信号进行控制。在现场通过与 EtherCAT 总线系统的通信终端通信，可以很简单地将各种位于现场的总线系统集成到子系统中。

在这方面，倍福不仅可以提供防护等级为 IP20 的 DIN 导轨安装式现场总线和 I/O 产品系列，还能提供防护等级高达 IP65 的产品系列，它们可直接安装在机器设备上。因此，用户可以根据自己的应用需求将 I/O 端子模块放置在控制柜中，或直接放置在传感器和执行器上，如减速机、发电机或液压装置等子系统中。

通用型 EtherCAT 产品延伸至 IP67 领域

通过 IP67 EtherCAT 端子盒，EtherCAT 技术无需控制柜即可使用。防水 EtherCAT 端子盒的坚固结构、高抗冲击性和抗振性，使其可以直接在机器上使用，即使在恶劣的环境条件下也没问题。EtherCAT 端子盒因其紧凑的结构，特别适合于空间有限的应用场合。在潮汐涡轮发电机中，因为此模块直接在相应的控制柜单元上使用，因此控制柜可以设计得较小。IP67 系列模块始终都有一个直接的 EtherCAT 接口，因此EtherCAT的高性能可以直达每个模块。

TwinCAT 3 Wind Framework：用于潮汐涡轮发电机自动化的完整软件包

为风力发电机组开发的 TwinCAT 3 Wind Framework 模块化软件包包含了潮汐涡轮发电机的现代和高效工程设计所需的所有功能和工具。在 TwinCAT 3 中所有基本功能都被封装在简单易用的模块中。这为编程人员提供了一种组件，简化了应用软件的开发工作。除了运行控制管理和状态机的基本功能外，还包括用于数据连接、电力和状态监测以及仿真等的软件模块。集成的“大数据”数据库连接能够实时、全面地收集、分析及提供运行控制管理、状态监测和电力管理中的数据。所有数据都被永久记录、在中央控制系统中进行汇总，然后进行详细分析。例如，可在早期阶段检测到潮汐涡轮发电机各个组件是否存在可能导致运行故障的磨损，从而提高了系统可用性。预制的软件模块和应用程序模板都经过测试和验证，具有很高的质量和面向未来的特点。可以添加或删除单个软件模块，类似于硬件的更改。这样可以尽可能地简化开发设计工作，从而让开发人员可以专注于实际的系统功能。

开发设计工作也可以通过团队内部的分工进行优化：可以同时开发和测试多个客户特定模块，从而进一步缩短产品上市时间。TwinCAT 模块的普遍使用和子系统的统一架构在应用程序中形成了一个标准。这种标准化使编程人员可以迅速熟悉应用程序和源代码，即使它们是由其他编程人员编写的。

TwinCAT 3 Wind Framework 的优点：

• 面向未来的标准应用软件
• 显著简化开发设计工作
• 可靠、高效的软件开发
• 提高软件质量，优化可复用性
• 大大缩短上市时间
• 深入监测和互动
• 持续记录和分析处理信号
• 工业 4.0 特性在潮汐涡轮发电机中的应用