CN203175753U - 一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统 - Google Patents

一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，包括：CMS数据采集模块，用于采集风机CMS数据；多线程主控CPU，分别用于对风机CMS数据及风机并网运行数据进行运算和处理；EtherCAT总线模块，用于支持所述CMS数据采集模块和多线程主控CPU之间进行数据传输；以及集成功能中心服务器，用于与多线程主控CPU连接。本实用新型通过采用EtherCAT总线可将CMS集成到风机主控系统中，克服了独立式状态监测系统造价高的缺陷。

Description

一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统
技术领域
本实用新型涉及风机主控系统，特别是涉及一种基于EtherCAT总线传输技术的集成CMS（Condition Monitoring System）的风机主控系统。
背景技术
目前的风电场，大多处于比较偏远的地区，受地理条件及风能资源的限制，风电场一般都远离都市和风电公司总部，而且风电公司下属各风电场之间的距离也可能会非常遥远。此外现代化的大型风电场一般都拥有十几台甚至上百台风机，如何有效地对各风机状态进行监测和分析，使整个风电场安全、可控、经济地运行就变得至关重要。如何使远离风电场的管理人员和设备维护人员更方便快捷地了解各风电场的运行状态，及时提供技术支持，实现风电场间的远距离数据通讯，保证多风电场的统一管理运营及维护，获得专家的在线技术服务和诊断，就成为风电场愈来愈迫切的需求，也必将是今后风电行业的新兴发展方向。
风电机组以发电机、大型齿轮箱、低速重载轴承为主。而齿轮、滚动轴承等零部件的损坏是一个渐进的过程，由于润滑、安装等原因形成初始的磨损，随着运转时间的延长磨损加剧，齿轮、轴承的振荡逐渐加大，最终导致齿轮和轴承等零件的失效。为避免诸如此类恶性故障产生，同时最大限度地减少维修成本支出，就必须在这些部件进入加剧磨损期前改善润滑等维护措施，延长其使用寿命，并在其即将损坏前及时更换。风电机组的这些特点决定了监测系统必须能够及早发现设备的隐患，并判断出设备的损坏程度，从而制定出有效的解决方法，确保机组稳定高效地运转。
目前，市场上的风电机组远程在线状态监测系统（CMS）一般是独立于风机主控系统之外单独的数据采集、数据处理及数据存储系统及上位机服务器系统，我们较之于集成式状态监测系统称之为独立式状态监测系统。
一般而言，独立式CMS下位机数据采集单元有一定的数据处理和运算，CMS下位机数据处理和运算量估测预计占到CPU使用率的20%左右（CPU运算主频在1GHz以上，内存不低于512M），特别是数据采样频率多数能达到20KHz。相应地，数据的传输也需要超宽的数据通道，经过数据有效性分析滤波之后，经风电场光网络传输至中控室服务器，并且传输多采用间歇性的或定时间段的数据发送方式，以防止同时刻发送导致风电场网络数据堵塞或出现数据广播风暴等不可挽回的后果。
现有的风机主控系统多采用工业中传统的现场总线通讯方式，如：PROFIBUS、DevieceNet、CANopen、Modbus等通讯方式。所述现场总线通讯方式一般仅满足于现场简单的数字量输入输出和模拟量输入输出，最多负责到多变量数组的通讯。数据采样频率达到20KHz以上的数据流量势必会对主控现有的通讯、风机组安全造成冲击，引起通讯堵塞等通讯故障。
由此可见，上述现有的风机主控系统与CMS分别独立设置，具有造价高的缺陷，如何使两者有机的结合在一起，已成为目前亟待解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，使其可以克服独立式状态监测系统造价高的缺陷。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，包括：CMS数据采集模块，用于采集风机CMS数据；多线程主控CPU，分别用于对风机CMS数据及风机并网运行数据进行运算和处理；EtherCAT总线模块，用于支持所述CMS数据采集模块和多线程主控CPU之间进行数据传输；以及集成功能中心服务器，用于与多线程主控CPU连接。
作为进一步地改进，所述CMS数据采集模块采用风机状态监测振动数据采集模块。
作为进一步地改进，所述EtherCAT总线模块包括：EtherCAT塔上模块，与所述CMS数据采集模块连接，用于支持风机CMS数据传输；以及EtherCAT塔下模块，与所述多线程主控CPU连接，用于支持风机CMS数据传输。
作为进一步地改进，还包括第三方通讯耦合器，用于实现所述EtherCAT总线模块与风机其他组件的通讯协议之间的转换。
作为进一步地改进，所述风机其他组件可以是变桨系统、变流器、视频监测或在线消防系统中的一个或多个。
作为进一步地改进，还包括光纤转换器，用于将多线程主控CPU内的数据进行光纤转换并通过风场光网络传输至集成功能中心服务器。
由于采用上述技术方案，本实用新型至少具有以下优点：
（1）通过采用EtherCAT总线模块，将CMS集成到风机主控系统内，一方面增强了主控系统和CMS的紧凑型，且降低了CMS构成成本，另一方面由于依托EtherCAT实时以太网，保证了在微秒级数量级主控传输总线高速的数据传输，提高了原有主控系统数据传输运算速度，增强了可靠性，并且在一定程度上降低了主控系统成本。
（2）由于在主控系统中集成CMS，采用多线程主控CPU，可以实现主控数据信息与CMS数据的共享，CMS的一次处理数据或者原始数据可以由多线程主控CPU中的一个主控内核CPU运算单元获取，主控系统的风机状态数据也同时可以由多线程主控CPU中的另一个CMS内核CPU运算单元获取。
附图说明
上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型的一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，包括：CMS数据采集模块，用于采集风机CMS数据；多线程主控CPU，分别用于对风机CMS数据及风机并网运行数据进行运算和处理；EtherCAT总线模块，用于支持所述CMS数据采集模块和多线程主控CPU之间进行数据传输；以及集成功能中心服务器，用于与多线程主控CPU连接。
其中，CMS数据采集模块采用风机状态监测振动数据采集模块。
多线程主控CPU具备多线程、多任务的运算CPU单元。工作时，多线程主控CPU被划分为多核心工作模式，CPU1将状态监测系统数据采集并做一次数据处理，CPU2将完成风机自身数据运算、控制策略的实施。在形式上完成CMS与主控系统的集成，但是软件程序分开运行，相互独立。此外，主控系统与CMS的数据共享还可以通过定义全局变量来实现。
EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技术基于标准的以太网协议，具备灵活的网络拓扑结构，系统配置简单，具有高速、高有效数据率等特点。本实用新型采用实时以太网EtherCAT技术，使得运行总线具有足够的带宽，保障了数据的传输畅通。在本实用新型中，EtherCAT总线模块包括：与CMS数据采集模块相连接的EtherCAT塔上模块，以及与多线程主控CPU相连接的EtherCAT塔下模块，均用来支持风机CMS数据传输。
多线程主控CPU对状态监测振动数据采取定时发送有效数据到所述集成功能中心服务器，不同风机(1、2…n)之间采用错时分时段发送振动在线数据到所述集成功能中心服务器。如此可以避免光网络通讯末端数据堵塞，且能保证集成功能中心服务器不会过负荷运行导致死机或数据丢失等故障。
由于基于EtherCAT总线，可以通过安装第三方通讯耦合器实现与第三方设备之间的通讯，实现EtherCAT与风机其他组件的通讯协议之间的转换。如实现主控与变桨系统、主控与变流器系统、主控与视频监测以及主控在线消防系统之间的通讯等。
此外，本实用新型的一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，还包括光纤转换器，用于将多线程主控CPU内的数据进行光纤转换并通过风场光网络传输至集成功能中心服务器。
综上所述，在本实用新型中，基于高速、高有效数据率的EtherCAT总线是主控系统构成的基础；CMS数据采集模块是CMS的下位数据采集单元；多任务多线程的运算CPU单元是风机主控系统逻辑运算核心，是CMS下位机数据运算得以实现的保证；集成功能中心服务器同时完成风电场内所有风机并网运行数据和CMS监测及故障诊断系统数据存储分析。集成CMS的主控系统，在能保证风力机主控系统原有运行机理和安全运行机制的同时，具备了振动在线监测分析、数据处理、数据传输的功能。
由于采用了以上技术方案，本实用新型可以有效的降低单独安装CMS的成本造价，提高风电机组制造商的市场竞争力。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，各系统的结构、设置位置及其通讯方式都是可以有所变化的，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，其特征在于，包括：
CMS数据采集模块，用于采集风机CMS数据；
多线程主控CPU，分别用于对风机CMS数据及风机并网运行数据进行运算和处理；
EtherCAT总线模块，用于支持所述CMS数据采集模块和多线程主控CPU之间进行数据传输；
以及集成功能中心服务器，用于与多线程主控CPU连接。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，其特征在于，所述CMS数据采集模块采用风机状态监测振动数据采集模块。
3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，其特征在于，所述EtherCAT总线模块包括：
EtherCAT塔上模块，与所述CMS数据采集模块连接，用于支持风机CMS数据传输；
以及EtherCAT塔下模块，与所述多线程主控CPU连接，用于支持风机CMS数据传输。
4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，其特征在于，还包括第三方通讯耦合器，用于实现所述EtherCAT总线模块与风机其他组件的通讯协议之间的转换。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，其特征在于，所述风机其他组件可以是变桨系统、变流器、视频监测或在线消防系统中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线集成CMS的风机主控系统，其特征在于，还包括光纤转换器，用于将多线程主控CPU内的数据进行光纤转换并通过风场光网络传输至集成功能中心服务器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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