JP2018538635A - 安全性を高めた機械又はプロセスの制御方法 - Google Patents

Abstract

風力タービン又は風力タービンの一部を制御する第１の制御ユニットを含む、風力タービンを制御するための方法であって、第１の制御ユニットは第１の複数の第１の状態を有する。風力タービンの安全完全性レベルを改善するために、風力タービンは、第１の制御ユニットを制御するための第２の制御ユニットを更に含み、第２の制御ユニットは第２の複数の第２の状態を有し、第２の制御ユニットの複数の第２の状態は、第１の制御ユニットの複数の第１の状態よりも少ない。第２の制御ユニットは、第１の制御ユニットの複数の第１の状態のうちの特定の状態を目標状態として、それぞれの第２の状態にマップし、第２の制御ユニットの第２の状態間の既定された移行のセットのみを許可する。【選択図】図９

Description

本発明は、概ね、機械及びプロセスの制御、特に、風力タービンを制御するためのシステム及び方法に関する。

機械は、広くは１つ以上の部品を含む工具又は装置であり、エネルギーを使用して意図されたアクションを実行する。工学的なプロセスは、概ね、例えば航空機の飛行経路を制御するなど、入力を出力に一緒に変換する一連の相互関連タスクとして定義される。機械又はプロセスが手に負えなくなると、それは機械自体にとって、機械を操作する人にとって、例えば乗客として機械を使用する人にとって、又は傍観者に対して、危険の原因となる。機械又はプロセスの複雑さが増大すると、機械又はプロセスの複雑さに比例して、機械又はプロセスの制御に失敗し得る危険が増大する。

風力タービンは、例えば、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される。風力タービンは基本的に、回転可能なハブ、少なくとも１つのロータブレード、電気発生器及び多くの場合はギアボックスを収容するナセルを含む、ロータを備える。ナセルは、風の方向に応じて、ナセルを風に回転させることができるように、少なくとも１つのロータブレードが直接風に面するよう、タワー上に回転可能に取り付けられる。現在、風力タービンの優性設計は、３つのロータブレードを有する。特に高電力風力タービンにおいて、それぞれのロータブレードは、それぞれのロータブレードをそのピッチ軸を中心に回転させるように構成されているピッチ調整機構を含む。ロータブレードをそれらのピッチ軸を中心に回転させることにより、ブレード周りの風の流れで生成される揚力、ひいてはハブの回転速度が制御され得る。

風力タービンの制御は、非常に複雑であり、そのため、風力タービンを制御するための制御装置は、通常、ソフトウェアで制御される。風力タービンで動作する電力は非常に高く、そのため、誤ったコマンドは、風力タービンを破壊し得るだけでなく、風力タービンが崩壊した場合に、風力タービンで又はその中で作業する人の健康及び生命に対する、又は更には近隣者若しくは何気ない傍観者に対する、スレッドにもなる。

したがって、本発明の目的は、安全性を高めること、特に、風力タービンの安全性など、機械及びプロセスの機能的安全性を高めることにある。システムの機能的な安全性は、システムが、操作者の誤り、ハードウェアの故障、及び環境の変化などの安全管理を含め、その入力に応答して正しく動作していることとして定義される。

この目的は、第１の複数の第１の状態を有し、複数の第１の状態のうちの１つである現在の第１の状態にある、第１の制御ユニットを含む機械又はプロセスを制御する方法によって成し遂げられ、第１の制御ユニットは、第１の入力条件に応答して、現在の第１の状態から、複数の第１の状態のうちの別の第１の状態に移行するように適合される。機械又はプロセスは、第１の制御ユニットを制御する第２の制御ユニットを更に含み、第２の制御ユニットは、第２の複数の第２の状態を有し、現在の第２の状態にある。第２の制御ユニットは、第２の入力条件に応答して、複数の第２の状態のうちの１つの状態から、複数の第２の状態のうちの別の状態に移行するように適合される。この方法は、第２の制御ユニットの第２の状態それぞれについて、対応する第２の状態に帰属する第１の目標状態を含む、属性リストに基づく。この属性リストは、第２の制御ユニットの第２の状態間の既定の移行のセットと、既定の移行ごとの既定のアクションのセットと、を更に含む。この方法は、第２の制御ユニットが現在の第２の状態から移行すべき第２の目標状態として、第２の入力条件を受信することと、現在の第２の状態から第２の目標状態への移行が、既定の移行のセットに含まれるかどうかをチェックすることと、受信した第２の入力条件が、既定の移行のセットに含まれている、現在の第２の状態から第２の目標状態への移行である場合に、第１の制御ユニットが第１の目標状態に移行するように仕向ける、既定のアクションのセットを実行することと、第１の制御ユニットが第１の目標状態に移行したどうかを監視することと、を含む。第１の制御ユニットが目標状態への移行を完了した場合、現在の第２の状態が第２の目標状態に変更される。

一実施形態では、第２の制御ユニットの複数の第２の状態は、第１の制御ユニットの複数の第１の状態よりも少ない。このことは、監視される第１の制御ユニットの複雑さを低減し、ひいては機械又はプロセスの安全性を高めるために役立つ。例えば、第１の制御ユニットが単純な設計である別の実施形態では、例えば、付加的なセンサを実装し、監視することによって付加的な状態が追加されてもよい。これは、既存の制御装置を維持することにより、機械又はプロセスの安全性を高める別の方法である。

ある状態から別の状態への移行をトリガする入力条件は、機械若しくはプロセスの操作者、又は制御コマンド若しくは信号を送信する中央制御ユニットによって開始されるコマンドであり得る。その他の場合、入力条件は、機械又はプロセスをそれぞれ制御するセンサなどから受信した信号又は測定データであり得る。

既定のアクションのセットは、複数のアクション若しくは単一のアクションを含み得、又は更にはアクションを含まない場合もある。アクションの一例は、第２の制御ユニットが、第１の制御ユニットが第１の目標状態に移行するように仕向けるため、第１の制御ユニットに送信するコマンドである。既定のアクションは、２〜３例を挙げると、受信したコマンドを変更してから、第１の制御ユニットに変更したコマンドを転送すること、第１の制御ユニットが評価し、第１の制御ユニットのアクションの基準となる若しくは考慮されるデータを変更すること、又は第１の制御ユニットを制御している制御信号を呼び出すことを、代替的又は追加的に含み得る。制御信号は、機械又はプロセスを遮断することを含む、第１の制御ユニットによって実行される何らかのアクションを阻止又は禁止するための信号であってもよい。

第１の目標状態は、第１の制御ユニットの第１の状態のうちの１つとして選択されてもよい。代替的又は追加的に、第２の制御ユニットは、少なくとも１つのセンサの信号を読み取ることができ、第１の目標状態に到達しているかどうかを判断するために、この信号を目標範囲と比較する。かかるセンサは、例えば、作動した装置の位置を測定するセンサである。作動した装置が許容可能なマージン内の既定の位置に到達した場合に、第２の制御装置は、第１の目標状態に到達しているとみなす。

第１の制御ユニットは、例えば、装置を作動させるアクションの過程と、温度、圧力、速度などのプロセスパラメータと、を制御する機械又はプロセス制御装置である。本発明の方法によって制御される機械の一例として、以下の説明では風力タービンに言及する。風力タービンは、複数の制御回路、例えば、風力タービンのロータによって推進される発生器による発電を制御する風力タービン制御装置と、風力タービンのロータブレードを枢動させるための風力タービンのピッチシステムと、有効ロータ領域を最大化させるよう、タービンが恒常的に風に面していることを保証するために、風力タービンのナセルを風力タービンの垂直軸周りで回転させるための風力タービンのヨーシステムと、を含み得る。第１の制御ユニットはまた、ピッチシステム制御装置又はヨーシステム制御装置など、風力タービンのサブシステムであってもよい。第１の制御装置はまた、風力タービンのピッチシステムのピッチ駆動制御装置など、サブシステムのサブシステムであってもよい。第２の制御ユニットは、第１の制御ユニットを監視するための付加的な制御ユニットである。

本発明のこの態様では、第２の状態は、明確に定義され、試験された状態に対応するように選択され得る。例えば、風力タービンの状態「命令された運動」は、ロータが風の力によって推進され、ブレードの角度によって制御された状態で回転しているというような、明確に定義された状態を定義し得る。このように、操作者は、ナセル内又は回転しているロータブレードの領域内で人が作業することを許可することを考えもしないであろう。明確に定義された状態では、風力タービンは、人が危険領域内での作業を許可されるのは、モータブレーキが発動され、ロータブレードがいわゆるフェザー位置にあるときのみであるという、一般的な安全上の規則を人が無視した場合に、なお人に危害を及ぼし得る。これらの条件は、ある特定の第２の状態でのみ保証され得、本明細書では、この第２の状態を「運動なし」と呼ぶ。第２の制御ユニットは、ある第２の状態から別の第２の状態へのいくつかの明確に定義され、試験された移行のみを許可するため、このことはまた、機械が、完全に試験されていない方法、又は風力タービンを操作する有効な選択肢として風力タービン設計者が考慮したことのない方法で、操作されることを回避する。

本発明のこの態様は、第１の制御ユニットの制御を担当する第２の制御ユニットを提案する。第２の制御ユニットを用いて、既存の制御ユニットを全く新しく設計された制御ユニットと置換する代わりに、増大した安全規制に準拠しない既存の第１の制御ユニットを維持しながら、より高い安全レベルまで風力タービンをアップグレードすることが可能である。

機能的安全性の面では、第１の制御ユニットは、第２の制御ユニットが提供する安全レベルよりも低い安全レベルの要件のみを満たし得る。第１の制御ユニットの第１の状態と、第１の制御ユニットの選択された状態間の移行と、を制御するために、安全レベルのより高い第２の制御を使用することにより、風力タービンに由来する全体的な危険が低減される。

受信した第２の入力条件が、既定の移行のセットに含まれる、現在の第２の状態から第２の目標状態への移行であるとき、第１の制御ユニットが第１の目標状態に移行するように仕向けるコマンドを、第１の入力条件として第１の制御ユニットに送信する形態は、第１の制御ユニットが全てのコマンドを透過的に受信できるようにすることを含む。本発明の代替の態様では、第２の制御ユニットは、第１の制御ユニットへのブロッキング信号を永久的に呼び出し、第１の制御ユニットが、透過的に受信した第１のコマンドを実行することを禁止する。第２の制御ユニットは、許可された移行を検出すると、移行の所要時間だけブロッキング信号を解く。

本発明の別の態様では、この方法は、第１の制御ユニットが目標状態に移行しない場合に、第１の制御ユニットをリセットする工程を更に含んでもよい。

本発明の別の態様では、この方法は、第１の制御ユニットが目標状態に移行しない場合に、風力タービンが安全動作状態にある特定の状態への移行を開始する工程を、追加的又は代替的に更に含んでもよい。

本発明の別の態様では、第２の制御ユニットは、互いに異なる、少なくとも第２の状態の第１のセットと、第２の状態の第２のセットと、を提供する。本発明のこの態様は、第２の状態の第１のセットを表示及び／又は制御するためのアクセス権を第１のユーザグループに制限するため、また、第２の状態の第２のセットを表示及び／又は制御するアクセス権を第２のユーザグループに制限するために、それぞれ使用され得る。あるいは、２つのセットを使用して、第２の状態の第１のセットと第２の状態の第２のセットとの間の表示を切り換えることもできる。これにより、抽象概念の異なるレベル間を切り換え、特定のレベルの抽象概念で特定のアクションのみを許可することができる。

本発明の別の態様では、少なくとも２つの異なる状態のセットのうちの１つ以上を使用して、１つの状態のセットを上位状態の少なくとも１つに対する下位の状態のセットとして定義することができる。この場合、第２の制御ユニットの１つの状態は、少なくとも２つの副状態を含む。第２の制御ユニットは、上位状態の中で受信したコマンド、受信したセンサデータ、又は受信したプロセスデータのうちの少なくとも１つを解析し、その解析に応じて、副状態のうちの１つを現在の副状態として選択する。これは、副状態が第１の制御ユニットより先に存在してはならないという利点を有する。これらの副状態は、第２の制御ユニットによってシステムに導入される。

本発明のこの態様では、第２の制御装置は、それぞれの副状態に対して設定された既定のアクションのセットに応じて、第１の制御装置に送信されるコマンドをそれぞれ変更するか又は上書きする。

副状態の適用例は、エラーに対して定義された反応である。少なくとも２つの副状態は、機械又はプロセスの少なくとも１つのエラーのない副状態、及び機械又はプロセスの少なくとも１つのエラー状態を表す。エラーハンドリングが提供されていない、又は初歩的なエラーハンドリングしか提供されていない第１の制御装置に関連して、第２の制御装置は、副状態を使用して、新しく定義されたエラー状況に対する新しい反応を導入することができる。副状態は、この場合、新しいエラー状況を表す。

本発明の別の態様では、第１の制御ユニットは、少なくとも第３の制御ユニットであって、少なくとも少なくとも第３の制御ユニットは、第３の複数の第３の状態を有し、複数の第３の状態のうちの１つである現在の第３の状態にあり、少なくとも第３の制御ユニットは、第３の入力条件に応じて、現在の第３の状態から複数の第３の状態のうちの別の第３の状態に移行するように適合された、第３の制御ユニットと、少なくとも第３の制御ユニットを制御するための少なくとも第４の制御ユニットであって、第４の制御ユニットは、第４の複数の第４の状態を有し、現在の第４の状態にあり、第４の制御ユニットは、複数の第４の状態のうちの１つの状態から、複数の第４の状態のうちの別の状態へ移行するように適合された、第４の制御ユニットと、を制御する。第４の制御ユニットの複数の第４の状態は、少なくとも第３の制御ユニットの複数の第３の状態よりも少なくてよい。この方法は、第４の制御ユニットの第４の状態それぞれと、少なくとも第３の制御ユニットの複数の第３の状態のうちの１つの状態である第３の目標状態と、をマッピングすることと、第４の制御ユニットの第４の状態間の移行のセットを既定することと、第４の制御ユニットが現在の第４の状態から移行すべき第４の目標状態として、第４の入力条件を受信することと、現在の第４の状態から第４の目標状態への移行が、既定の移行のセットに含まれているかどうかをチェックすることと、受信した第４の入力条件が、既定の移行のセットに含まれている、現在の第４の状態から第４の目標状態への移行である場合に、第３の入力条件への応答として、少なくとも第３の制御ユニットが第３の目標状態に移行するように仕向ける、既定のアクションのセットを実行することと、少なくとも第３の制御ユニットが第３の目標状態に移行したかどうかを監視することと、少なくとも第３の制御ユニットが目標状態に移行した場合に、現在の第４の状態を第４の目標状態に変更することと、を更に含む。

この実施形態では、第３の制御ユニットは、第１の制御ユニットに対するサブ制御ユニットである。例えば、第１の制御ユニットが風力タービン制御装置である場合、第３の制御ユニットは、ピッチシステム制御装置又はヨー制御システムであり得る。第３の制御ユニットはまた、風力タービンのサブシステムのサブシステム、例えばピッチ駆動制御装置であり得る。この後者の場合、第１の制御ユニットは、ピッチシステム制御装置ということになる。第３の制御ユニットは、いくつかの第３の制御ユニットを並列に備え得る。例えば、３つのロータブレードを有する風力タービンでは、単一の第１の制御ユニットがピッチシステム制御装置として存在し、３つの第３の制御ユニットを制御し、３つの第３の制御ユニットはそれぞれ、３つのロータブレードのうちの１つのピッチ角度を制御する。

本発明のこの態様では、第４の状態が、サブシステムの明確に定義され、試験された状態に対応するように選択され得る。本発明のこの態様では、第４の制御ユニットは、第３の制御ユニットの制御を担当する。繰り返すが、第４の制御ユニットを用いて、既存の制御ユニットをサブシステム用に全く新しく設計された制御ユニットに置換する代わりに、増大された安全規制に準拠しない既存の第３の制御ユニットを維持しながら、風力タービンをより高い安全レベルにアップグレードすることが可能である。

本発明のこの態様では、階層的な観点から、第４の制御ユニットは、第２の制御ユニットに対するスレーブの役割を果たし、帰属する第３の制御ユニットに対するマスタの役割を果たす。

本発明の別の態様では、複数の第２の状態のうちのそれぞれの第２の状態は、複数の第４の状態のうちの１つの第４の状態に対応する。

マスタ制御ユニット及びスレーブ制御ユニットは、同一の第４及び第２の状態を使用するため、本発明のこの態様は、システムの安全性を更に改善し得る。これにより、選択肢の数、ひいては設計規則で起こり得る誤りも減少する。

マスタ制御ユニット、すなわち第２の制御ユニットは、別の第２の状態への移行が命令された後、全てのスレーブユニット、すなわち全ての第４の制御ユニットが、命令された第４の状態に、又はマスタ制御ユニットとスレーブ制御ユニットとが同じ状態のセットを使用する場合は、マスタ制御ユニットが命令された状態に移行する前に第２の状態に、移行したことを監視するタスクを追加的に有してもよい。これにより、システムの全てのサブシステムは、常に対応する第２及び第４の状態であるか、又は同一の第２及び第４の状態が使用される場合には同じ第２の状態にあることが保証される。１つのスレーブユニットが命令された状態への移行に失敗した場合、マスタ制御ユニットは、それ自体及び第２の状態の全てのスレーブ制御ユニットに、例えば、自律的運動を命令しなければならず、その後、風力タービンの欠損部分を修理するため、サービス要員の要請などの更なるアクションがとられ得る。この自律的運動は、例えば、風力タービンを遮断するため、風力タービンのロータブレードをフェザリング位置にする。そのため、風速が上がっても、ロータは回転しない。

本発明の別の態様では、第１の制御ユニットは、第３の入力条件として少なくとも第３の制御ユニットに第２のコマンドを送信してもよい。

本発明の別の態様では、第２の制御ユニットは、少なくとも第３の制御ユニット全てが、第１の入力条件に応答して対応する第４の目標状態に到達していることを監視する。

本発明の別の態様では、第２の制御ユニットは、少なくとも第４の制御ユニットのうちの少なくとも１つが、対応する第４の目標状態に到達していないときは、対応する第４の目標状態に到達してない少なくとも第４の制御ユニットのうちの少なくとも１つをリセットしている。

本発明の別の態様では、第２の制御ユニットは、少なくとも第４の制御ユニットのうちの少なくとも１つが、対応する第４の目標状態に到達していないときは、風力タービンが安全動作状態になる特定の状態への移行を開始している。

本発明の別の態様では、第２の制御ユニット及び／又は少なくとも第４の制御ユニットは、第１及び／又は少なくとも第３の制御ユニットの安全完全性レベルよりも高い安全完全性レベルの設計規則に準拠するように設計される。

本発明の別の態様では、第１及び少なくとも第３の制御ユニットは、第１の通信経路を介して通信し、第２及び少なくとも第４の制御ユニットは、第２の通信経路を介して通信し、第２の通信経路は、第１の通信経路の安全完全性レベルよりも高い安全完全性レベルの設計規則に準拠するように設計される。

本発明の別の態様では、第１及び第２の通信経路は、同じ通信媒体を使用しており、第１の通信経路は、第１の伝送プロトコルを使用しており、第２の通信経路は、第２の通信プロトコルを使用しており、第２の通信プロトコルは、第１の通信プロトコルよりも高い安全完全性レベルを有するプロトコルである。

本発明の別の態様では、第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットは、風力タービンの少なくとも１つのロータブレードのピッチ角を制御するピッチ制御システムである。

本発明の別の態様では、第３の制御ユニット及び第４の制御ユニットは、風力タービンのロータブレードを回転させる、風力タービンのモータを制御するためのピッチ駆動ユニットである。

本発明の別の態様では、風力タービンは、第２の制御ユニットを含み、第２の制御ユニットは、前述の方法工程のいずれかのうちの方法工程を実施するように適合された処理装置を含む。

本発明の完全かつ実施可能な開示は、本明細書に記載され、以下の添付図を参照する。
風力タービンを示す。 風力タービンの従来の制御システムを示す。 風力タービンの従来のピッチシステム制御装置を示す。 風力タービンの従来のピッチ駆動ユニットを示す。 本発明による風力タービンの制御システムを示す。 従来のピッチシステム制御装置の状態を示す。 従来のピッチ駆動制御装置の状態を示す。 本発明によるピッチシステムの一般状態示す。 本発明によるピッチシステムの一般状態と、従来のピッチシステム制御モジュール及び従来のピッチ駆動ユニットの対応する目標状態と、を記した表を示す。 本発明によるピッチシステム制御装置を示す。 本発明によるピッチ駆動制御装置を示す。 コマンドに基づいて、現在の状態から目標状態への移行を監視するために、一般に制御装置によって実行される方法工程を示す。 イベントの受信に基づいて、制御装置によって実行される方法工程を示す。 一般的な運動なし状態Ｓ１から一般的な命令された運動状態Ｓ２への移行を監視するために、風力タービン内で本発明によるピッチシステム制御モジュールによって実行される方法工程を示す。 一般的な運動なし状態Ｓ１から一般的な命令された運動状態Ｓ２への移行を監視するために、風力タービン内で本発明によるピッチ駆動制御装置によって実行される方法工程を示す。 一般的な命令された運動状態Ｓ２から中間の一般的な状態の自律的運動状態Ｓ４を介した運動なし状態Ｓ１への移行を監視するために、風力タービン内で本発明によるピッチシステム制御装置によって実行される方法工程を示す。 一般的な状態運動なしの一般的な副状態が許可された移行を示す。 運動なし状態Ｓ１の副状態を示す。 自律的運動状態Ｓ４にあるピッチ駆動装置の異なるエラーモードを示す。 異なるエラー副状態からの有効な移行を示す。

次に、本発明の実施形態を詳細に参照していくが、実施形態の１つ以上の実施例が図に例示されている。それぞれの実施例は、本発明の説明の目的で提供されるものであり、本発明を制限するものではない。実際、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明に種々の変更及び変形を行い得ることを当業者には明らかになるであろう。例えば、一実施形態の一部として例示又は記載された形態は、なお更なる実施形態をもたらすために別の実施形態と共に用いることができる。このように、本発明は、添付の請求項及びそれらの等価物の範囲内になるような変更及び変形をカバーすることを意図している。

図１は、本発明による風力タービン１の一実施形態を側面図で示している。ピッチ制御を備えた風力タービン１は、いくつかの構成要素を含む。風力タービンの他の構成要素を支持するタワー２は、地面に固定されている。当然のことながら、本発明は、陸上設備に限定するものではなく、タワーが海中の構造体に固定されるいわゆる沖合設備に関連して使用することもできる。タワー２の上部には、ナセル３が回転可能に取り付けられ、それにより、ナセル３は、タワー２の軸ＴＡを中心に回転する。ナセル３は、ハブ４と、ハブ４に回転可能に固定された少なくとも１つのロータブレード６ａと、を含む。図１に示された風力タービンは、３つのロータブレード６ａ、６ｂを含み、２つのロータブレード６ａ、６ｂのみが見えている。第３のロータブレードは、たまたまハブに隠れていて見えない。ハブ４及びロータブレード６ａ、６ｂ、６ｃは、風力タービンのロータとも称される。

ロータブレード６ａ、６ｂはそれぞれ、ピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂに取り付けられている。この実施例の風力タービン１は、３つのロータブレード６ａ、６ｂを有するため、３つのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃ（図１には示されていない）が、それぞれのロータブレード６ａ、６ｂに１つずつ存在する。３つのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃは、ピッチシステム制御装置８によって制御される。それぞれのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃは、ロータブレード軸ＢＡを中心に、それぞれのロータブレード６ａ、６ｂを回転させる。ロータブレード６ａ、６ｂをそれらの軸ＢＡを中心に回転させることにより、風Ｗに対するロータブレード６ａ、６ｂの迎え角は、０°〜９０°の角度に設定され得、一部の設備では、更に負の角度又は９０°を超える角度も知られている。迎え角は、このように、ブレード６ａ、６ｂが風力Ｗに応答して、揚力を生じさせない、最大揚力を生じさせる、又はこれら２つの極値の間で任意の所望の揚力を生じさせるものを選択することができる。

図１では、ナセル３は、ロータ４が風Ｗに対向するように、その軸ＴＡを中心に枢動する。風Ｗがロータブレード６ａ、６ｂに対して揚力を生成するように、ロータブレード６ａ、６ｂをピッチングしている場合、揚力によってロータ４は強制的にロータ軸ＲＡを中心に回旋させることになる。発生器シャフト５０によってロータ４に連結された電流発生器５は、エネルギー分配ネット（図示せず）内に供給され得る電気エネルギーを生成する。ロータブレード６ａ、６ｂのピッチ角は、最終的にロータ４の回転速度、ひいては生成されるエネルギーの量も制御する。

風力タービンの１つの態様では、ピッチシステム制御装置８及び３つのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃは、ピッチ制御サブシステム８、９ａ、９ｂ、９ｃを構成し、ピッチ制御サブシステム８、９ａ、９ｂ、９ｃは、風力タービン１の他のサブシステムから独立して、ロータブレード６ａ、６ｂのピッチ角を制御する。風力タービンは、いくつかのサブシステム、例えば、垂直軸ＴＡを中心としたナセル３の回転を制御するための別のサブシステム（図示せず）と、電力を生成するための電流発生器５を含む別のサブシステムと、からなり得る。それぞれのサブシステムは、異なる製造業者、それぞれの請負業者によって供給されてもよく、風力タービン制御ユニット７によって集中管理されてもよい。

図２は、風力タービン制御ユニット７と相互作用する、先行技術の風力タービン１のピッチ制御システム８１、９１ａ、９１ｂ、９１ｃを機能概要として示している。風力タービン制御ユニット７は、第１のデータ接続７１ａを介して従来のピッチシステム制御モジュール８１を制御する。この第１のデータ接続７０１は、例えば従来のフィールドバスである。従来のピッチシステム制御モジュール８１は、次いで、第２のデータ接続８０１を介して３つの従来のピッチ駆動制御モジュール９１を制御する。この第２のデータ接続８０１は、例えば別の従来のフィールドバスである。フィールドバスはまた、例えば、全ての制御機器で共通に使用される単一のシングルフィールドバスであってもよい。それぞれのピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃは、最終的にモータ９３ａ、９３ｂ、９３ｃを制御する。それぞれのモータは、例えばギア９４ａ、９４ｂ、９４ｃを介して第１、第２、及び第３のロータブレード６ａ、６ｂ、６ｃに連結される。モータは、ロータブレードを所望の角度に向ける（ピッチングする）。形容詞「従来の」は、従来のピッチシステム制御モジュール８１及び３つの従来のピッチ駆動制御モジュール９１が、先行技術から既知であり得るか、又は強化された安全レベルを提供しないことを、それぞれに示すものである。

図３は、ブロック図として例示された、従来のピッチシステム制御モジュール８１及びそれに含まれ得る構成要素の一実施形態を示している。従来のピッチシステム制御モジュール８１は、本明細書に開示されるように、方法工程、計算などを実行し、関連データを記憶するといった様々なコンピュータ実装機能を実行するように構成された、１つ以上のプロセッサ８１１及び関連するメモリ装置８１２を含み得る。従来のピッチシステム制御モジュール８１は、ピッチシステム制御装置のカード基板キャリアバックプレーン（図示せず）に差し込まれた１つ以上のプリントカード基板として実装され得る。様々なセンサ８１４と通信するため、センサインターフェース８１３は、センサ８１４から送信された信号が、プロセッサ８１１によって理解され、処理され得る信号に変換されることを可能にする。センサ８１４は、有線接続、例えば、当該のピッチシステム制御装置のカード基板キャリアバックプレーンに電気的に接続されたものを介して、センサインターフェース８１３に連結されてもよい。他の実施形態では、これらは、無線接続を介してセンサインターフェースに連結されてもよい。

従来のピッチシステム制御モジュール８１はまた、従来のフィールドバス８０１上で従来のピッチ駆動制御モジュール９１と通信するため、従来のフィールドバスインターフェース８１０を含む。従来のフィールドバス８０１を介して、更に、センサデータ又は風力タービン１の他の部分からの他のデータが受信され得る。この従来のフィールドバス８０１を介して、従来のピッチシステム制御モジュール８１は、ナセル３内の発電機によって生成された電力を読み取ることができ得る。この実施形態では、従来のフィールドバス８０１はまた、ロータブレード６ａ、６ｂそれぞれのピッチ角を個別に制御する、３つの従来のピッチ駆動制御モジュール９１からのコマンド及びデータを送受信するために使用される。

図４は、ブロック図として例示された、従来のピッチ駆動制御モジュール９１内に含まれ得る構成要素の一実施形態を示している。従来のピッチ駆動制御モジュール９１は、本明細書に開示されるように、方法工程、計算などを実行し、関連するデータを記憶するといった、様々なコンピュータ実装機能を実行するように構成された、１つ以上のプロセッサ９１１及び関連するメモリ装置９１２を含む。従来のピッチ駆動制御モジュール９１は、ピッチ駆動ユニットのカード基板キャリアバックプレーン（図示せず）に差し込まれた１つ以上のプリントカード基板として実装され得る。様々なセンサ９１４と通信するため、センサインターフェース９１３は、センサ９１４から送信された信号が、プロセッサ９１１によって理解され、処理され得る信号に変換されることを可能にする。センサ９１４は、有線接続、例えば、当該のピッチシステム駆動ユニットのカード基板キャリアバックプレーンに電気的に接続されたものを介して、センサインターフェース９１３に連結されてもよい。他の実施形態では、これらは、無線接続を介してセンサインターフェースに連結されてもよい。

従来のピッチ駆動制御モジュール９１はまた、従来のフィールドバス８０１上で従来のピッチシステム制御モジュール８１と通信するため、従来のフィールドバスインターフェース９１０を含む。従来のフィールドバス８０１を介して、更に、センサデータ又は風力タービン１の他の部分からの他のデータが受信され得る。従来のピッチ駆動制御モジュール９１のプロセッサ９１１は、パルス幅変調器回路９１５に接続し、ロータブレード６ａ、６ｂをその軸ＢＡを中心に回転させるための電気機械モータ９３の回転を制御する。

図５は、本発明の一態様による風力タービン１の制御システムを機能概要として示している。風力タービン制御ユニット７は、ピッチシステム制御装置８及び図示されていない他の制御ユニットを制御する。ピッチシステム制御装置８は、第１のピッチシステム制御モジュール８１、例えば、前述のような従来のピッチシステム制御モジュール８１と、監視用の第２のピッチシステム制御モジュール８２と、を含み、それぞれ、第４のデータ接続８４を介して第１のピッチシステム制御モジュール８１を制御する。本発明は、従来のピッチシステム制御装置及び従来のピッチ駆動制御装置のみに適用できるだけではないため、第２のピッチシステム制御モジュール８２により監視されるピッチシステム制御装置は、以下では、より一般的に第１のピッチシステム制御モジュール８１と称される。

第４のデータ接続は、例えば、第２のシステム制御モジュール８２によって受信されたコマンドを、風力タービン制御ユニット７から第１のピッチシステム制御モジュール８１に転送するために使用される。ピッチシステム制御装置８は、３つのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃを制御する。それぞれのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃは、第１のピッチ駆動制御モジュール９１及び第２のピッチ駆動制御装置９２を含む。それぞれの第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、一般に知られているピッチ駆動制御装置、例えば、前述のような従来のピッチ駆動ユニットであってもよい。本発明は、非従来的なピッチ駆動ユニットにも適用可能であるため、第２のピッチ駆動モジュール９２によって監視されるピッチ駆動制御装置は、以下では、第１のピッチ駆動制御モジュール９１と称される。

第２のピッチシステム制御モジュール８２及び３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９１は、第１のピッチシステム制御モジュール８１及び３つの第１のピッチ駆動制御モジュール９１に対する第２の制御層を追加することにより、例えば、図２に示されているような従来のシステム、又は安全完全性レベルがない若しくは低い任意のシステムをより安全レベルの高いシステムに変換するために使用され得る。その目的により、第２の制御層は、本文書では「安全制御層」と称される。

安全制御層は、例えば、第１のピッチシステム制御モジュール８１及び第１のピッチ駆動制御モジュール９１も差し込まれる同じカード基板バックプレーンに差し込まれる、プラグイン基板として実装される。論理関数は、ソフトウェアによって制御され得る。この実施例では、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、第１のピッチシステム制御モジュール８１を制御する。３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃは、３つの第１のピッチ駆動制御モジュール９１をそれぞれ１つ制御する。第１のピッチシステム制御モジュール８２及び３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、それぞれ、ＩＥＣ ６１５０８と、決定論的能力（systematic capability）のより大きい安全完全性レベルＳＩＬ１と、に従って開発された第２のプロセッサシステム上で動作している。これらは、同じくＩＥＣ ６１５０８と、決定論的能力のより大きい安全完全性レベルＳＩＬ１と、を満たす、第２のフィールドバス８０２を介して通信可能に接続される。ＩＥＣ ６１５０８は、システムが、必要な安全完全性レベル（ＳＩＬ）を提供するように設計、実装、運用、及び維持されることを保証するための必要条件を設定する、電気、電子及びプログラマブル電子の安全性に関するシステムの国際標準である。

この実施形態では、第１のピッチシステム制御モジュール８１、第２のピッチシステム制御モジュール８２、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、及び第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃは、異なる位置に物理的に分散されている。第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃの数及び第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃの数は、風力タービン１内のロータブレードの数に対応する。通常、これらは同一に構築される。以下では、明瞭度を高めるため、第１の制御モジュール９１と称するが、第１の制御モジュール９１は、任意の数のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃであってよく、風力タービンが単一のロータブレードのみを有する場合の単一のピッチ駆動制御モジュールさえも含まれる。第１のピッチシステム制御モジュール８１及び第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、より多くの場所に分散されて、いくつかの制御ボックス内に取り付けられてもよく、又は単一の場所、単一の制御ボックス内に集められてもよいことを、当業者なら理解するであろう。これは、個々のケースにおいて最も便利な設計上の問題であり、本発明の範囲を変更するものではない。

第１のピッチシステム制御モジュール８１及び第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、第１のフィールドバス８０１を介して通信する。ピッチシステム制御モジュール８２は、第２のフィールドバス８０２を介して第２のピッチ駆動制御モジュール９２と通信し、第２のフィールドバス８０２は、その機能により、本文書内では安全フィールドバス８０２と称される。第１のフィールドバス８０１と安全フィールドバス８０２は、２つの別個のフィールドバスとして記述されているが、これらは、同一の物理媒体を共有してもよい。安全フィールドバス８０２は、第１のフィールドバス８０１よりも高い安全レベルを保証する拡張プロトコルを使用して実装され得る。

第２のピッチ駆動制御モジュール９２の安全フィールドバスインターフェースに接続された安全フィールドバスを使用することにより、緊急停止をトリガするための風力タービン制御ユニット７から第１のピッチシステム制御モジュール８１及び／又は第１の駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃへの専用有線ラインといったハードウェア安全チェーンが不要となる。このように、タービン制御装置を変更又は交換する必要なく、より高い安全レベルが達成され得る。

本発明の一態様では、第１のピッチシステム制御モジュール８１及び第２のピッチシステム制御モジュール８２の両方が、有限状態機械として実装される。共通の定義により、有限状態機械は、有限数の状態のうちの１つであり得る抽象機械として考えられる。機械は、一度に１つのみの状態になり、任意の所定の時間における機械の状態を現在の状態と呼ぶ。機械は、トリガイベント又は条件によって開始されたときにある状態から別の状態へ変化する場合があり、これを移行と呼ぶ。特定の有限状態機械は、その状態のリストと、移行ごとのトリガ条件によって定義される。このため、状態は、移行の実行を待機しているシステムのステータスの描写となる。移行は、条件が満たされたとき、又はコマンドの受信など、イベントが受信されたときに、実行されるアクションのセットである。

理想的には、従来の制御装置、すなわち第１のピッチシステム制御装置８１及び第１のピッチ駆動モジュール９１が、最初の段階で有限状態機械として設計されている場合、従来の制御装置は、定義された状態を提供することになる。しかしながら、本発明の利点は、従来の制御装置は本来、意図的に定義された状態を用いて設計されているはずがないというところにある。従来の制御装置の既存の状態の代わりに、又はそれに加えて、状態は、拡張制御装置による使用のためにのみ特に定義されてもよい。従来の制御装置の状態は、例えば、モータに対する電源又は制御信号はブロックされないなどの切り換えステータス、又は従来のエンコーダの制御下にある、ロータブレードの１°〜−１°の角度、非常用貯蔵庫の−２０℃を下回る温度、１００Ａを上回るモータ電流といったセンサの測定結果といった、従来のデコーダのいずれかの特性から選択され得る。状態はまた、複数のかかる特性の組み合わせによって定義されてもよい。

これと対照的に、拡張制御装置の状態は、従来の制御装置を監視する目的で明示的に定義される。加えて、これらの状態は、従来のデコーダから報告されるステータスが信頼できることの妥当性チェックに関して、センサの読み取り値を考慮に入れてもよい。この読み取り値は、拡張制御装置のみがアクセスできる、付加的に設置されたセンサ、又は従来の制御装置ではこの目的で使用されていなかった、従来の制御装置の既存のセンサに由来し得る。

従来の制御装置が、有限状態機械として厳密に設計されていない場合、許可される移行を制御することは困難であり得る。第１のピッチシステム制御モジュール８１の多様な状態とは対照的に、第２のピッシステム制御モジュール８２の有限状態機械は、前述の標準ＩＥＣ ６１５０８のような改善された安全規制に準拠する、わずかな数の予め選択された状態のみを許可する。先行技術の風力タービンでは、操作者は、推奨され得ない状態に移行するように、風力タービンに命令することができていた場合もある。改善された安全条件下では、操作者は、機械を特定の状態から別の状態に変更する機会を与えられるべきではなく、これは、この移行が原因で、機械が、操作者が機械に期待する働きとは異なる動作をし得るためである。操作者は、取扱説明書を注意深く読まなければならないが、実際のところ、一部の機械操作者はこれを無視する傾向にあるように、操作者は、結果を意識していない可能性がある。又は、風力タービンの設計者は、このように機械を操作することを操作者に期待することがないため、結果の文書化さえされていない場合がある。例えば、風力タービンの動作の解析から、風力タービンの稼働中に「手動運動」から「命令された運動」に、操作者が直接切り換えることを許可にすることは、推奨されないことが分かっている場合がある。他の危険な動作状況は、先行技術システムにおいて既に禁止されている場合があり、そのような場合は監視を必要としない。先行技術システムですでに考慮されているそのような禁止された動作状況は、電気回路の温度が設計上の動作温度をまだ下回っているときに、電気回路の操作を禁止することであり得、これは、例えば、メモリからのデータ読み取りを誤る原因になり得る。

したがって、本発明の別の目的は、操作者が選択できる作業の数を制限し、また、ある第２の状態から別の第２の状態へ移行する回数を制限することであり、それにより、操作者は、わずかな数の予め設計された第２の移行だけにアクセスすることができ、その他の理論上起こり得る移行は阻止される。阻止される移行が阻止される理由は、確実に風力タービンの動作に害を及ぼすためか、又は移行の安全性が十分に探求されていないためかのいずれかである。例えば、動作方針として、風力タービンを「自律電源動作」から「手動動作」に変更することを望む操作者に対し、機械を最初の自律的動作から「運動なし状態」に設定し、そこからのみ「手動運動状態」に設定するように強制したい場合がある。

以下では、第１のピッチシステム制御モジュール８１及び３つの分散型ピッチ駆動制御モジュール９１の全ての状態について、本発明の安全制御システムの実装を理解する必要がある範囲で論じる。この特定の実施形態では、第１のピッチシステム制御モジュール８１は、図６に示されているように、正確に８つの第１のピッチシステム状態を有する。
１番目の第１のピッチシステム状態は電源オン１０１、
２番目の第１のピッチシステム状態は残存１０２、
３番目の第１のピッチシステム状態は待機１０３、
４番目の第１のピッチシステム状態は通常１０４、
５番目の第１のピッチシステム状態は緊急１０５、
６番目の第１のピッチシステム状態はバックアップ試験１０６、
７番目の第１のピッチシステム状態は手動１０７、及び
８番目の第１のピッチシステム状態はコミッショニングモード１０８である。

風力タービン１のための第１のピッチ制御ユニットが、更に多くのピッチシステム状態又は更に少ないピッチシステム状態を有し得ることを、当業者なら理解するであろう。電源オン状態１０１は、風力タービンが稼動して、風力タービン１に電力が供給されているときの、ピッチ駆動制御モジュール８１の初期状態である。この状態では、ブレード６ａ、６ｂは通常、フェザリング位置にあり、すなわち、ブレード６ａ、６ｂは、ロータ４に対向する風がいずれの揚力も生成せず、ブレード６ａ、６ｂが風Ｗの力で回転することを防止するようにピッチングされる。

残存状態１０２では、システムは、ピッチシステム制御モジュール８１が別の状態に進むことが許可される前に、いくつかの基本条件が満たされることを保証する必要がある。例えば、１つ又は複数の温度センサは、１つ又は複数の制御ボックス内の温度を測定する。全てのボックス内の温度が規定範囲内にある場合には、ピッチシステム状態は、第３のピッチシステム状態待機１０３に変更される。温度が規定温度範囲を下回る場合、加熱素子は、規定温度範囲に到達するまで、制御ボックスの内部を加熱するように起動される。したがって、残存状態１０２は、何らかの基本的なシステムの安全性を提供する、システムの安全規則の一部である。待機状態１０３では、ピッチシステム制御モジュール８１を動作させるため、全ての前提条件が満たされる。ただし、安全上の理由から、ピッチモータ９３ａ、９３ｂ、９３ｃはまだ制動されている。

第４のピッチシステム状態通常１０４は、ピッチシステム制御モジュールが、風力タービン１が通常動作で動作して、発電することを可能にする状態である。この状態は、最大エネルギーを発生させる一方で、設計上の負荷を超えないように、ロータ速度を調節する。

電源の故障又は何らかの他の重大な障害が生じた場合、風力タービンは、第５のピッチシステム状態緊急１０５に移行し、基本的にピッチ制御モジュール９１は、ブレード６ａ、６ｂをフェザリング位置に回転させるように命令される。安全動作を増大させる設計規則の一部として、風力発電機５から生成される電力又は送電網（図示せず）などの外部源から利用可能な電力がない場合でも、ピッチシステム８、９は、緊急状態１０５に入ることができなくてはならない。したがって、風力タービンは、緊急用電源を有し、電気機械的に作動するピッチ制御システムの場合は、バックアップバッテリであってもよく、油圧駆動のピッチ制御システムの場合は、油圧アキュムレータであってもよい。６つ目のピッチシステム状態バックアップ試験１０６では、この緊急用電源は、緊急用電源の容量が風力タービンを緊急状態１０５へ駆動するのに十分であるかどうかを試験される。

試験の目的のために例えば、操作者は、手動制御ボックスにより風力タービンを操作したい場合があり、それゆえ、風力タービンを７番目のピッチシステム状態である手動状態１０７に設定する必要がある。コミッショニング状態１０８では、制御ソフトウェアが新しいバージョンに更新され得る。

ピッチシステム制御モジュール８２は、特定の状態でトリガされると、別の状態に切り換わるか又は特定の状態に到達するまで、複数の既定の状態を介して自律的に動作するかのいずれかとなる。例えば、風力タービンが電源投入された後、ピッチシステム制御モジュール８１は、電源オン状態１０１から始まり、残存状態１０２に自律的に切り換わり、基本条件が満たされると、次いで、待機状態１０３に入って留まる。コマンドによってトリガされると、風力タービンは、待機状態１０３から通常状態１０４、手動状態１０８、又は緊急状態に１０５に切り換わる。

図６はまた、ピッチシステム制御モジュール８１において許容される、あるピッチシステム状態から別のピッチシステム状態への移行を矢印で示している。すでに内部システムは、ピッチシステム制御モジュール８１の特定の状態間でわずかな数の既定の移行を許可するように設計されている。したがって、例えば、通常状態１０４から緊急状態１０５への移行Ｐ．４．５は存在するが、緊急状態１０５から通常状態１０４への移行は存在しない。予防上の問題として、システムは、緊急状態１０５から待機状態１０３への移行Ｐ．５．３又は、手動状態１０８への移行Ｐ．５．８のみを許可する。

ピッチシステム制御モジュール８１は、基本的にロータブレード６ａ、６ｂそれぞれがとるべきピッチ角を決定するのに対し、ピッチ駆動制御モジュール９１は、特定のロータブレード６ａ、６ｂのピッチ角をピッチシステム制御モジュール８１が命令した角度に向けるように電気機械式アクチュエータ９３ｃ、９３ａ、９３ｂを制御する。図７に示すように、本発明の一態様では、本発明の実施形態におけるピッチ駆動制御モジュール９１は、９つのピッチ駆動状態と、第１のピッチ駆動制御モジュール９１のこれら８つのピッチ駆動状態間で起こり得る１５の移行と、を有する。第１のピッチ駆動制御モジュール９１の駆動状態は、以下の９つである。
１番目のピッチ駆動状態は、電源オン１１０、
２番目のピッチ駆動状態は、スイッチオン非対応１１１、
３番目のピッチ駆動状態は、スイッチオン無効１１２、
４番目のピッチ駆動状態は、スイッチオン対応１１３、
５番目のピッチ駆動状態は、スイッチオン１１４、
６番目のピッチ駆動状態は、動作有効１１５、
７番目のピッチ駆動状態は、誤動作反応アクティブ１１６、
８番目のピッチ駆動状態は、誤動作１１７、
９番目のピッチ駆動状態は、急停止アクティブ１１８である。

本発明による第１のピッチ駆動ユニット９のこの態様では、それぞれの第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、第１のピッチシステム制御モジュール８１による２つのコマンド制御を有効化及び故障リセットのみによって制御される。通常は、第１のピッチシステム制御モジュール８１は、制御を有効化を介して、スイッチオン対応状態１１３から動作有効状態１１５に駆動装置を設定し、コマンドをクリアすることによって元に戻る。ロータブレード６ａ、６ｂの迎え角を設定するための、ピッチシステム制御装置８を介した風力タービンの制御ユニット７からの基準値は、ピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃに随時送信され得るが、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、動作有効状態でのみ位置基準値を受け入れる。

コマンド故障リセットは、誤動作状態１１７を離れるために使用される。スイッチオン無効状態１１２は、電源（送電網及びバックアップ）を失うか、又はシステムが第１の制限スイッチのオーバートラベルを起こすような危機的故障によって達する。その他全ての状態電源オン状態１１０、スイッチオン非対応状態１１１、スイッチオン状態１１４、誤動作反応アクティブ状態１１６、及び急停止アクティブ状態１１８は、一過性の状態である。これらの一過性の状態は、外部イベント（例えば、駆動装置への電圧なし、第２の制限スイッチに到達）による影響を受ける。ピッチ駆動状態間の移行については、以下でより詳細に説明する。

第１の駆動制御モジュール９１で、ピッチ駆動ユニット９の電源が投入された後、電源オン状態１１０となって基本的な自己試験が実行される。基本的な自己試験が成功した場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ０でスイッチオン非対応状態１１１に移行する。自己試験に失敗した場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ１３で誤動作反応アクティブ状態１１６に移行する。誤動作が２番目のピッチ駆動状態スイッチオン非対応１１１、３番目のピッチ駆動状態スイッチオン無効１１２、４番目のピッチ駆動状態スイッチオン対応１１３、５番目のピッチ駆動状態スイッチオン１１４、６番目のピッチ駆動状態動作有効１１５、又は９番目のピッチ駆動状態急停止アクティブ１１８のうちの１つで発生した場合、この特定の状態から誤動作反応アクティブ状態１１６への移行が存在することが言及されるべきである。図をより見やすくするため、誤動作の場合の電源オン状態１１０から誤動作反応アクティブ状態１１６への移行Ｄ１３に加え、スイッチオン非対応１１１から誤動作反応アクティブ状態１１６への移行Ｄ１６のみが図７に示されている。

状態スイッチオン非対応１１１では、駆動装置を動作させるためのいくつかの条件が欠落している（例えば、直流リンク電圧）。モータは、トルクなしで、制動されている。この状態は、第１のピッチユニットの電源が入れられたときのデフォルト状態である。第１のピッチ駆動状態スイッチオン非対応１１１から許可される唯一の移行Ｄ１は、誤動作の場合のスイッチオン無効１１２への移行とは別である。

状態スイッチオン無効１１２では、いくつかの特別なコマンド（例えば、デジタル入力「電源有効化」）によってモータのアクティブ制御に切り換えることが禁止される。モータは、トルクなしで、制動されている。スイッチオン無効状態１１２から許可される移行Ｄ２のみが、スイッチオン対応状態１１３へのものとなる。

スイッチオン対応状態１１３では、駆動装置がスイッチオンコマンドを待機している。モータは、トルクなしで、制動されている。スイッチオン対応状態１１３から許可される移行Ｄ３のみが、スイッチオン状態１１２へのものとなる。

スイッチオン状態１１２では、モータは電源投入されるが、基準値はまだブロックされている。モータが静止状態で制御され得るように、ブレーキは既定の時間後に開放される。トルクをモータに適用するなど、全ての前提条件が満たされて、後続の状態に進んだ場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ４で動作有効状態１１３へ移行する。動作有効状態１１３に進むための少なくとも１つの前提条件が満たされていない場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ１６で元のスイッチオン無効状態１１２へ移行する。

動作有効状態１１３では、モータが電源投入され、ブレーキが開放され、モータは基準コマンドに従う。動作有効状態１１３からの移行は、ピッチ駆動装置の意図的なシャットダウンの場合又はエラーの場合にのみ想定される。意図的なシャットダウンの場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ８で元のスイッチオン対応状態１１３に移行する。「スイッチオン」コマンドをクリアすることによって、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ９でスイッチオン無効状態１１２に移行する。特別な「急停止」コマンドにより、全ての第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、移行Ｄ１１で急停止アクティブ状態１１８に移行する。

誤動作反応アクティブ状態１１６では、駆動装置は、例えば、減速して静止といった何らかの故障反応に従う。エラーの発生した第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、次いで、移行Ｄ１４で誤動作状態１１７に移行する。誤動作状態１１７では、駆動装置は、アクティブなエラー状態にある。この状態は、エラーを示す。モータは、トルクなしで、制動されている。エラーが修正された場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、次いで、その動作を再開するため、移行Ｄ１５でスイッチオン無効状態１１２へ移行する。

急停止アクティブ状態１１８では、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、急停止ランプで減速して静止し、モータ制御を無効にする。第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、急停止コマンドがクリアされるまでこの状態に留まり、その動作を再開するために、移行Ｄ１２でスイッチオン無効状態１１２に移行する。

第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃはそれぞれ、第１のピッチシステム制御モジュール８１からの別の状態に切り換えるコマンドによってトリガされるか、又は目標状態までエラーが発生しない限り、自律的に動作する。例えば、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａは、電源が投入されると、スイッチオン非対応状態１１１から始まり、スイッチオン無効状態１１２、スイッチオン対応状態１１３、スイッチオン状態１１４を介して、動作有効状態１１５に到達するまで、順序どおりに動作する。フェザリングされた位置に入る必要がある緊急事態の場合、第１のピッチ駆動ユニットは、急停止アクティブ状態１１８に切り換わり、急停止コマンドがクリアされるまでこの状態に留まり、次いで、スイッチオン無効状態１１２に切り換わり、そこからスイッチオン無効状態１１２、スイッチオン対応状態１１３、スイッチオン状態１１４を介して、再び動作有効状態１１５に達するまで、自律的に動作する。

図８は、本発明の一態様として、風力タービン制御ユニット７に対してアクセス可能であり、特定の状態間で限定された移行である、安全ピッチシステム制御システム８、９の制限付き状態を示す。制限付き状態は、運動なし状態Ｓ１、命令された運動状態Ｓ２、手動運動状態Ｓ３、及び自律的運動状態Ｓ４の４つのみである。それらの機能に応じて、これらの状態は、以下で「一般」状態Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と呼ばれ、それぞれの一般状態Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、ピッチシステム制御装置８１又はピッチ駆動制御ユニット９の２つ以上の対応する状態を含んでもよい。運動なし状態Ｓ１では、ピッチシステム制御装置８は、ロータ４がいずれの状況下でも回転しないことを保証する。命令された運動状態Ｓ２では、風力タービン１がエネルギーを生成するように、安全ピッチシステム制御装置が、ピッチ駆動装置を動作させる。手動運動状態Ｓ３では、ピッチシステム制御装置８は、操作者が風力タービンを手動で動作させることを許可し、自律的運動状態Ｓ２では、風力タービンがフェザリング位置へ進む。

安全ピッチシステム制御装置８は、一般状態間の６つの移行のみを許可する。運動なし状態Ｓ１から命令された運動状態Ｓ２への第１の移行Ｓ１→Ｓ２、命令された運動状態Ｓ２から運動なし状態Ｓ１に戻る第２の移行Ｓ２→Ｓ１、命令された運動状態Ｓ２から自律的運動状態Ｓ４への第３の移行Ｓ２→Ｓ４、自律的運動状態Ｓ４から運動なし状態をＳ１への第４の移行Ｓ４→Ｓ１、運動なし状態Ｓ１から手動移動状態Ｓ３への第５の移行Ｓ１→Ｓ２、及び手動運動状態Ｓ１から運動なし状態Ｓ１に戻る第６の移行Ｓ３→Ｓ１である。

以下では、風力タービン１のピッチ駆動ユニット９の動作を第２の制御層の実装と共に示す。風力タービン１が外部電力システムに接続され、動作に入った後、操作者は、第１のピッチシステム制御モジュール８１が、第１のピッチ駆動制御モジュール９１の動作準備ができていることを示す信号を風力タービン制御ユニット７に送るまで待機する必要がある。この段階が成し遂げられるまでの安全ピッチシステム制御装置８の一般状態は、運動なしＳ１である。

本発明のこの態様では、運動なし状態Ｓ１は、第１のピッチシステム制御モジュール８１の状態電源オン１０１、残存１０２、コミッショニングモード１０８、バックアップ試験１０６、又は待機１０３のうちの１つに対応する。同様に、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、状態電源オン１１０、スイッチオン非対応１１１、スイッチオン無効１１２、又はスイッチオン対応１１３のうちの１つにある場合のみ、運動なし状態Ｓ１になる。ただし、正常動作では、許可される一般状態から別の一般状態への移行はそれぞれ、目標状態で完了する。図６及び図７では、目標状態を表すボックスは、連続線でマーク付けされ、移行状態を表わすボックスは、破線でマーク付けされている。目標状態については、以下で更により詳細に説明する。

安全ピッチシステム制御装置８は、風力タービン制御ユニット７に運動なし状態Ｓ１の信号を送る。安全層の設計により、風力タービン制御ユニット７は、状態運動なしＳ１から進む選択肢を２つのみ有する。風力タービン制御ユニット７は、安全ピッチシステム制御装置８を命令された運動Ｓ２に切り換えるか又は手動運動Ｓ３に切り換えるよう、いずれかを命令する。状態運動なしＳ１では、安全ピッチシステム制御装置８は、風力タービン制御ユニット７から送られてきた他のいずれのコマンドも無視する。

風力タービン制御ユニット７が、コマンド通常動作を送信した場合、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、風力タービンを命令された運動Ｓ２に切り換えるため、第１の移行Ｓ１→Ｓ２を実行する。

特定の一実施形態では、操作者は、手動制御ユニットを起動することによって、手動運動Ｓ３を選択する。手動制御ユニットは、例えば、第２のピッチシステム制御モジュール８２のソケットに差し込まれる導線によって第２のピッチシステム制御モジュール８２に接続され得る。本実施形態では、手動制御ユニットの接続は、第２のシステム制御モジュール８２に報告される手動動作イベントをトリガする。手動動作イベントが検出されると、ピッチシステム制御装置８は、５番目の第２の移行Ｓ１→Ｓ３を実行することにより、手動運動状態Ｓ３に設定される。第１のピッシステム制御モジュール８１の通常状態１０４から手動状態１０７への移行を許可するため、第２のピッチ駆動制御モジュール９２はまず、手動運動Ｓ３に対して明確に定義された開始位置を得るため、中間状態として、第１のピッチ駆動制御モジュール９１を緊急状態１０５に付勢する必要がある。緊急状態１０５では、ピッチ駆動システム８、９がフェザリング位置にあるため、ロータは回転しておらず、ロータブレード６ａ、６ｂはいかなる揚力も生成しない。したがって、風力タービンのこの状態は一般に、風力タービン１の安全状態と呼ばれる。風力タービンのこの安全状態は、第１の一般状態運動なしＳ１と合致する。風力タービン１のこの安全状態から、第２のピッチ制御モジュール８２は次いで、第１のピッチシステム制御モジュール８１の手動状態１０７への移行を許可する。

別の実施形態では、手動制御ユニットは、風力タービン制御ユニット７に接続されてもよい。かかる実施形態では、風力タービン制御ユニット７は、手動制御ユニットの起動時に、前述のように５番目の第２の移行Ｓ１→Ｓ３を実行することにより、手動運動Ｓ３へ切り換えるようにピッチシステム制御装置８を付勢するためのコマンド手動動作をピッチシステム制御装置８に送信するように構成され得る。

ピッチシステム８、９ａ、９ｂ、９ｃは、少なくとも２つの異なる方法で実装されてもよい。１つの実装は、ピッチシステム制御装置８を制御する上位ピッチシステム制御装置と、第１のピッチ駆動制御装置９ａ、第２のピッチ駆動制御装置９ｂ、及び第３のピッチ駆動制御装置９ｃの３つの最終状態を提供するために選択され得る。かかる実施形態では、上位ピッチシステムの有限状態機械は、ピッチシステム８、第１のピッチ駆動制御装置９ａ、第２のピッチ駆動制御装置９ｂ、及び第３のピッチ駆動制御装置９ｃの全ての有限状態機械が、安全ピッチシステム状態のうちの１つに対応する状態に到達した場合のみ、現在の状態から目標状態へ移行する。ただし、第１のピッチ制御システム８１、９１ａ、９１ｂ、９１ｃでは、第１のピッチシステム制御装置８１は、第１のピッチ駆動ユニット９ａの第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａと、第２のピッチ駆動ユニット９ｂの第１のピッチ駆動制御モジュール９１ｂと、第３のピッチ駆動ユニット９ｃの第１のピッチ駆動制御モジュール９１ｃと、を監視する。この理由から、以降に論じる実施形態では、ピッチシステム制御装置８は、上位ピッチシステム制御装置の機能を統一し、第１のピッチシステム制御モジュール８１と、第１ピッチ駆動ユニット９ａの第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａと、第２のピッチ駆動ユニット９ｂの第１のピッチ駆動制御モジュール９１ｂと、第３のピッチ駆動ユニット９ｃの第１ピッチ駆動制御モジュール９ｃと、を同時に監視する。

図９に示された表の２列目に示されているように、ピッチシステム制御装置８の４つの安全状態のそれぞれは、好ましくは第１のピッチシステム制御モジュール８１の正確に１つの目標状態、及び本質的に第１のピッチ駆動制御モジュール９１の１つの目標状態に帰属し得る。一般状態運動なしＳ１では、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、第１のピッチシステム制御モジュール８１が、目標状態待機１０３に到達することを予期し、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃそれぞれが、目標状態であるスイッチオン対応状態１１３に到達することを予期する。第２のピッチシステム制御モジュール８２が一般状態命令された運動Ｓ２に移行する場合、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、第１のピッチシステム制御モジュール８１が目標状態正常１０４に到達することを予期し、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃそれぞれが、目標状態動作有効１１５に到達することを予期する。第２のピッチシステム制御モジュール８２が一般状態手動運動Ｓ３に移行する場合、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、第１のピッチシステム制御モジュール８１が目標状態手動１０７に到達することを予期する。第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃそれぞれが到達する第１の目標状態は、スイッチオン対応状態１１３である。操作者が、試験目的のため、命令された運動でピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃを動作させたい場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃそれぞれの目標状態は、動作有効状態１１５になる。

一般状態自律的運動Ｓ４は、一般状態命令された運動Ｓ２から一般状態運動なしＳ１への移行における中間状態である。中間状態自律的運動Ｓ４は、他の移行よりもかなり長くかかり得るため、それ自体の一般状態として割り当てられている。これにより、この状態を特別に監視することができる。第２のピッチシステム制御モジュール８２は、この移行が命令されると、第１のピッチシステム制御モジュール８１が、非常に短い時間、例えば１秒未満で目標状態緊急１０５に到達することを予期する。次いで、ピッチシステム８、９は、全てのブレードを現在の位置からフェザリング位置まで回転させる必要がある。ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの現在の位置に応じて、これは、数秒程度の短さにもなり、３０秒程度の長さにもなり得る。全てのブレードはそれらのフェザリング位置に到達しない限り、風力タービン１は安全状態にならず、すなわち、風の勢いがあまりにも大きく、その流れの中でブレードに応力がかかり過ぎる又はロータの回転が速すぎると、風力タービンは、人又は物を傷つける場合がある。いわゆるフェザリング動作時に、ピッチ駆動装置は、完全に動作可能でなければならず、したがって、第１のピッチ駆動制御モジュールの目標状態は、一般状態命令された運動Ｓ２に対するものと同一、すなわち、第１のピッチ駆動ユニット状態動作有効１１５となる。ブレード６ａ、６ｂ、６ｃが、中間状態自律的運動Ｓ４の最後をなす、フェザリング位置に達すると、風力タービンは、次いで、風力タービン１の安全状態である、一般状態運動なしＳ１へ迅速に移行し得る。

これは、一般状態に向けられた観点に依存する。一般状態自律的運動Ｓ４を介した一般状態命令された運動Ｓ２から一般状態運動なしＳ１への移行は、一般状態命令された運動Ｓ２から一般状態運動なしＳ１への第２の移行としても見られ得る。制御装置の監視は、２つの一般状態間のそれぞれの方向への２つ以上の移行を許可するよう、代替的にプログラムされる必要がある。概念的観点からは、一般状態間のそれぞれの方向に多くても１つの移行を有することを選択して、追加の一般状態を許可することで、エラーの発生源が少なくなり得る。

好ましくは、選択された実施例では、一般状態Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の数は、監視の複雑さを低減するために、第１のピッチシステム制御装置８１及び／又は第１のピッチ駆動制御モジュール９１の状態の数よりも少ない。

本発明の一態様において、第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃそれぞれは、命令された移行が適時に達成されることについて、関連する第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃそれぞれの状態を監視する。３つのピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、及び９１ｃは全て、同一の構造である。このため、以下では、ピッチ駆動制御モジュール９１とのみ称される。それぞれを互いと区別するために、これらのピッチ駆動制御モジュール９１は、フィールドバス８０１を介して個々にアクセスするためのアドレスが異なる。また、それぞれ３つの第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃのうちの１つを制御する、３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、及び９２は、それらのフィールドバスアドレスを除いて同一である。以下の説明を簡潔に保つため、第２のピッチ駆動制御モジュール９２による第１のピッチ駆動制御モジュール９１の監視については、風力タービン１内の第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃを監視する第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃ全ての実施例として説明する。

本発明の一態様では、有限状態機械は、プロセッサを制御するソフトウェアによって実装される。図１０は、例えば、ブロック図として例示された、第２のピッチシステム制御モジュール８２の有限状態機械と、それに含まれ得る構成要素と、の一実施形態を示している。第２のピッチシステム制御モジュール８２は、本明細書に開示されるように、方法工程及び計算などの実行並びに関連データの記憶といった様々なコンピュータ実装機能を実行するように構成された、１つのプロセッサ８２１と、関連するメモリ装置８１２と、を含む。第２のピッチシステム制御モジュール８２は、ピッチシステム制御装置のカード基板キャリアバックプレーン（図示せず）に差し込まれた、１つ以上のプリントカード基板として実装され得る。センサインターフェース８２３は、プロセッサ８２１及びセンサ８２４の通信を可能にする。第２のピッチシステム制御モジュール８２はまた、第１のフィールドバス８０１で第１のピッチ駆動制御モジュール９１と、及び第２のフィールドバス８０２で第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃと、通信するための第１のフィールドバスインターフェース８２０を含む。この実施形態では、第１のフィールドバス８０１及び第２のフィールドバス８０２は、同じ媒体を共有する。

図１１は、ブロック図として例示された、第２のピッチ駆動制御モジュール９２の有限状態機械と、それに含まれ得る構成要素と、の一実施形態を示している。第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、本明細書に開示されるように、方法工程及び計算などの実行並びに関連データの記憶といった様々なコンピュータ実装機能を実行するように構成された、１つのプロセッサ９２１と、関連するメモリ装置９１２と、を含む。第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、ピッチ駆動コントローラカード基板搬送バックプレーン（図示せず）にプラグインされた１つ以上の印刷されたカード基板として実装されてもよい。センサインターフェース９２３は、プロセッサ９２１及びセンサ９２４の通信を可能にする。本発明のこの特定の態様では、センサは、ロータブレード６ａ、６ｂを駆動しているギアボックスのそれぞれの側部に位置する絶対角度位置センサである。第２のピッチ駆動制御モジュール９２はまた、第１のフィールドバス８０１で第１のピッチ駆動制御モジュール９１と、及び第２のフィールドバス８０２で第２のピッチ駆動制御モジュール８２と、通信するための第１のフィールドバスインターフェース９２０を含む。この実施形態では、第１のフィールドバス８０１及び第２のフィールドバス８０２は、同じ媒体を共有する。第２のピッチシステムプロセッサ９２１はまた、例えば、モータを制御するためのパルス幅信号をゼロに強制する、パルス幅信号ブロッカー（図示せず）により、第１のピッチ駆動制御モジュールの信号を上書きするのに使用され得る、出力ポート９２５を提供する。

本発明の別の態様では、有限状態機械はまた、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの有線論理、又は有線論理とソフトウェアとの混合で、完全に実装され得る。図１２は、第２の制御装置が現在の状態から目標状態への第１の制御装置の移行を監視する基本的な工程を示している。これらの基本的な方法工程は、第２のピッチシステム制御モジュール８２若しくは第２のピッチ駆動制御モジュール９２のいずれか、又はそれらの両方によって使用され得る。

初期の方法工程７００１では、第２の制御装置は、そのインターフェースのうちの１つを介したコマンドの受信を待機する。第２の制御装置が到着を待機するコマンドは、例えば、上位制御装置から発信され得る。コマンドはまた、下位制御装置からも又はユーザ入力としても到着し得る。後により詳細に説明されるように、３つのピッチ駆動モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃのうちの１つがそのロータブレードを動作させられなくなり、中立位置へ回転できないというエラー状況においては、上位の第２のピッチシステム制御装置８２から、他の２つのピッチ駆動装置がフェフェザリング動作を実行するように要求され得る。

コマンドが２番目の方法工程７００２として受信されると、そのコマンドは、第２の制御装置の現在の状態に対して、受信したコマンドが有効なコマンドをなしているかどうかがチェックされる。受信したコマンドが有効なコマンドではない場合には、コマンドは無視され、第２の制御装置は、その初期の方法工程７００１に戻り、新たなコマンドの到着を待機する。任意追加的に、第２の制御装置は、受信したコマンドが無視された旨の警告メッセージをフィードバックとして送信してもよい。

受信したコマンドが有効なコマンドである場合、第２のプロセッサは、そのコマンドを３番目の方法工程７００３で、例えば第１のインターフェースを介して、第１のプロセッサに転送する。このようにして有効コマンドのみが第１のプロセッサに転送されるため、第２の制御装置は、第１の制御装置に、制限付きのアクションのセットに含まれていないアクションを実行させ得るコマンドを、第１の制御装置が受信することを防止する。本発明の前述の態様では、第２の制御装置で受信されたコマンドは、第１の制御装置に同様に転送される。ただし、風力タービンの状態に応じて、第２の制御装置は、コマンドを第１の制御装置に転送する前に変更するように適合されてもよい。例えば、エラー状況の場合、コマンドに含まれる速度命令は、最大速度のある部分、例えば最大速度の５０％に制限することができ、又は、速度を、例えば受信したコマンドで命令される速度の５０％まで低下させることができる。１つの単一のコマンドは、１つ又は一連のコマンドによって置換され得る。例えば、ロータブレードを９０°の位置まで回転させるコマンドを転送する代わりに、第２の制御装置は、速度を第１の期間にわたって命令された速度の５０％まで徐々に上昇させ、ロータブレードが８５°の位置に達したときに、ロータブレードを９０°の位置にゆっくり到着させるように速度を徐々に低下させる、一連のコマンドを第１の制御装置に送信してもよい。これにより、第２の制御装置は、単一の速度コマンドを転送する代わりに、速度プロファイルを実行する。これは、第１の制御装置自体が速度プロファイル、又は加速を制限するプロファイルなどの任意の他の種類のプロファイルを適用することを許可しない、非常に単純な設計による第１の制御装置に関して、特に有利である。

任意選択の４番目の方法工程７００４では、第２の制御装置は、内部タイマを起動して、第１の制御装置が目標状態に移行するように命令されてから、その目標状態に到達した報告を戻すまでにかかる時間を監視する。５番目の方法工程７００５では、第２の制御装置はここで、第１の制御装置のステータス変化の受信を待機する。一部の例では、第１の制御装置に送られたコマンドは、第１の制御装置のステータスを変更せず、一部の他の例では、送信されたコマンドは、第１の制御装置のステータスを目標状態に変更することが意図される。意図された目標状態が、実際の状態から目標状態への移行を完了させるための通常時間として既知である既定の期間内に、第２の制御装置へ報告されない場合、第２の制御装置は、任意選択の６番目の方法工程７００６で、第１の制御装置をリセットし、コマンドを繰り返すことを決定し得る。試行の失敗回数が特定の数になると、第２の制御装置は、７番目の方法工程７００７で、エラー状態７００８に入り、風力タービンがそのブレード６ａ、６ｂをフェザリング位置にピッチングするように強制することを決定し得る。あるいは、第１の制御装置をリセットする試みにおいて、第２の制御装置は、コマンドをただクリアすることができるため、第１の制御装置は、それぞれに開始の状態に戻るか、又はそこに留まる。第１の制御装置によって時間内に目標状態に到達した場合、第２の制御装置は、工程７００９でそのステータスを目標ステータスに更新し、初期の方法工程７００１に戻って次のコマンドの受信を待機する。任意選択的に、第２の制御装置は、コマンドが正常に完了したことを上位制御装置（図示せず）に報告してもよい。

任意選択的に、例えば、初期の方法工程７００１及び５番目の方法工程７００５では、第２の制御装置は、ピッチ駆動システムの構成要素のアクションを監視して、そのピッチ駆動システムが設計された限度内で特定のアクションを実行することを検証し得る。例えば、第１の制御装置は、例えば制限スイッチによってモータのアクションを監視し、ブレードが特定の角度を超えて回転しないこと、例えば、０°の角度を下回らず、反対方向に９０°の角度を超えないことを保証し得る。システムの安全性を改善するために、第２の制御装置は、付加的なセンサ、例えば加速度センサを提供してもよく、これらのセンサは、第１の制御システムで使用されるセンサとは無関係に、システムが設計限度内で操作されることをチェックする。これにより、第２の制御装置はまた、第１の制御装置のアクションの妥当性をチェックする。その結果、第２の制御装置は、第２の制御装置が、第１の制御装置によって生成された制御信号を上書きすること、例えばモータを回転させる制御信号を上書きすることを可能にする、第２の制御信号９２９を生成し得る。

図１２は、上位制御装置から受信したコマンドに対する反応として、第２の制御装置が、第１の制御装置の現在状態から目標状態への移行を監視する基本工程を示している。別の選択肢は、第２の制御装置が、例えばセンサの、信号の変化又は測定の読み取り値の変化に対する反応として、第１の制御装置の現在の状態から目標状態への移行を監視することである。信号の変化又は読み取り値の変化を本明細書ではイベントと呼ぶ。

図１３は、第２の制御装置が、イベントに応答して、第１の制御装置の現在の状態から第１の目標状態への移行を監視する基本工程を示している。

第１の工程８０１１では、第２の制御装置は、イベントを待機するか、又は積極的に測定を行い、その測定を少なくとも１つの既定の閾値と比較する。第２の工程７０１２では、第２の制御装置は、イベントに対する既定の移行が存在することを検証する。既定の移行が存在する場合、第２の制御装置は、第３の工程７０１３に進み、検出されたイベントについて定義されている既定のアクションを実行する。かかる既定のアクションは、コマンドを第１の制御装置に転送するだけでなく、例えば、制御信号、例えば、第１の制御装置の出力信号を上書きする信号、又は、第１の制御装置のアクションに加えて、追加の安全装置、例えばブレーキを起動する制御信号の生成を含んでもよい。

既定のアクションの適時の完了を監視するため、第２の制御装置は、第４の工程７０１４で、タイマを起動し、第５の工程７０１５で、アクションが既定の時間内に完了したかどうかを監視する。時間内に完了していない場合、第１の制御装置をリセットするなど、任意追加的にエラーアクション７０１６を実行して状況を保存してもよい。任意のエラーアクション７０１６にもかかわらず第１の制御装置が既定のアクションを完了しない場合には、更なるエラーハンドリング７０１８が必要となる場合がある。既定のアクションが時間内で正常に完了している場合、第２の制御装置は、工程７０１９で、現在の第２の状態を第２の目標状態に更新し、アイドルモードに戻って次のイベント、又は次のコマンドを待機する。

入力条件に対する反応としての本発明の実施形態については、受信されたコマンドに対する反応として、図１２の実施例と関連して示し、この実施例においてイベントに対する反応として、図１３に関連して論じている。入力条件に対する両タイプの反応（受信したコマンド及びイベント）が組み合わされてもよく、すなわち、第２の制御装置は、コマンドの受信又はイベントの発生のどちらかを待機していることを、当業者なら理解するであろう。明瞭にするために、方法工程は、別個に示されている。ただし、第２の制御装置が入力条件か又はイベントか、いずれか早い方に反応するように、両方の実施例が組み合わされ得ることを、当業者なら理解するであろう。

本発明の別の態様では、第２のピッチシステム制御モジュールは、ピッチ駆動ユニットに接続されたエンコーダよりも高い安全完全性レベルを有する位置エンコーダを使用してもよい。第２のピッチシステム制御モジュールはこのように、モータの運動が予期された挙動内であることの妥当性チェックを実行し得る。この妥当性チェックは、第１の駆動ユニット９のモータの制御とは無関係であり、制限スイッチ又は回転速度リミッタとして使用され得る。

第２の制御装置によって実行される基本的な方法工程を見てきたが、ここからは、第２のピッチシステム制御モジュール８２によってこれらの工程がどのように適用されるかを見ていくこととする。ピッチ制御システム８、９ａ、９ｂ、９ｃの電力が切り換えられ、エラーが発生しなかった後は、第１のピッチシステム制御モジュール８１は、電源オン状態１０１から残存状態１０２を介して待機状態１０３に進み、ここで、第１のピッチシステム制御モジュール８１は、第１のフィールドバスで受信されるコマンドを待機する。表１によれば、第１のピッチシステム制御モジュール８１の待機状態１０３は、目標状態の運動なし状態Ｓ１に対応し、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、これにより運動なし状態Ｓ１になる。同様に、エラーが発生しない場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃはそれぞれ、電源のスイッチが入れられた後に、電源オン状態１１０から状態スイッチオン非対応状態１１１、スイッチオン無効状態１１２を介してスイッチオン対応状態１１３に進む。第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃはそれぞれ、この状態で残存し、第１のフィールドバス上で受信されるコマンドを待機する。表２によれば、第１のピッチ駆動制御モジュール９１のスイッチオン対応状態１１３は、第２のピッチ駆動制御モジュール９２の運動なし状態Ｓ１に対応する。その結果、第２のピッチ駆動制御モジュール９２、そしてピッチ駆動ユニットは、運動なし状態Ｓ１にある。すなわち、１つのピッチシステム制御装置８及び３つのピッチ駆動ユニット９ａ、９ｂ、９ｃの本実施形態では、ピッチシステム８、９ａ、９ｂ、９ｃの正常に完了した電源投入の最後には、第２のピッチシステム制御モジュール８２及び３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃ全てが運動なし状態Ｓ１になる。

図１４は、ピッチシステム制御装置８において、第１のピッチシステム制御装置及び３つの第１のピッチ駆動ユニット９１ａ、９１ｂ、９１ｃの運動なし状態Ｓ１から命令された運動状態Ｓ２への移行の監視を実施する方法の例を示している。運動なし状態Ｓ１では、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、第１のインターフェース、この実施形態では、第１のフィールドバスに対するインターフェースを介して、風力タービン制御ユニット７から受信されるコマンドを待機する（初期のピッチシステム方法工程８００１）。この実施形態では、第２のピッチシステム制御モジュール８２には、第１のピッチシステム制御モジュール８１のアドレスが割り当てられ、第１のピッチシステム制御モジュール８１は、例えば、別の個別アドレスによって識別される。本発明の特定の実施形態では、第２のピッチ制御装置は、風力タービン制御ユニット７と第１のピッチシステム制御モジュール８１との間の中間者として実装され、第２のピッチシステム制御モジュール８２及び第１のピッチシステム制御モジュール８１によって一般的に使用される単一の物理的なフィールドバスインターフェースのみ提供する。風力タービン制御ユニット７から受信されるデータ及びコマンドは、第２のピッチシステム制御モジュール８２によって解析される。第１のピッチシステム制御モジュール８１に本来送信されるデータ及びコマンドは、妥当性チェック８００２に合格した場合のみ、第２のピッチシステム制御モジュール８２から内部インターフェースを介して第１のピッチシステム制御モジュール８２に渡される。図８に示すように、許可された移行に応じて現在の状態が運動なし状態Ｓ１である場合、コマンド通常動作又はトリガイベント手動動作のみが受け入れられることになる。他のコマンド及びトリガイベントはいずれも無視される。

第２のピッチシステム制御モジュール８２は、コマンドが第１のピッチシステム制御モジュール８１に許可されている限り、コマンドを渡すため、風力タービン制御ユニット７では何らかの変更を行う必要はない。風力タービン制御ユニット７は、それが第１のピッチシステム制御モジュール８１であるかのように、第２のピッチシステム制御モジュール８２と通信する。第２のピッチ制御装置９２によって生成されるデータ又はコマンドは、内部インターフェースを介して共通のフィールドバスインターフェースに渡され、第１のピッチ駆動制御モジュール９１に送信される。ただし、第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａ、９１ｂ、９１ｃは、新規のアドレスによって第１のピッチシステム制御モジュール８１と通信するように再プログラムされる必要がある。

３番目のピッチシステム方法工程８００３では、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、第２のデータ接続８０１を介して第１のピッチシステム制御モジュール８１に、及び第３のデータ接続８０２を介して３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、すなわち、第１のピッチ駆動ユニット９ａの第２のピッチ駆動制御モジュール９２、第２のピッチ駆動ユニット９ｂの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ｂ、及び第３のピッチ駆動ユニット９ｃの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ｃに、コマンド命令された運動を送信する。このように、第１のピッチシステム制御モジュール８１は、従来の実施形態では、風力タービン制御ユニット７から直接受信していたコマンドを、第２のピッチシステム制御モジュール８２を介し、迂回して受信することになる。ただし、迂回により、コマンドを整合性チェックすることができ、それにより、ピッチシステム制御装置８の安全性が向上する。

４番目のピッチシステム方法工程８００４では、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、５番目のピッチシステム方法工程８００５で、３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃ全てが、命令された運動状態Ｓ２に入っているという報告が返されていることと、６番目のピッチシステム方法工程８００６で、第１のピッチシステム制御モジュール８１が、一般状態運動なしＳ１から一般状態命令された運動Ｓ２への移行のための目標状態、すなわち通常状態１０４に到達しているという報告が戻されていることと、をチェックするためのタイマを起動する。本実施形態のピッチシステムでは、１秒の時間制限は、目標状態に到達するのに十分であることが証明されている。３つの第２のピッチ駆動制御モジュール９２ａ、９２ｂ、９２ｃのいずれか少なくとも１つが、１秒未満の時間制限内に命令された運動状態Ｓ２に入ったという報告を返していない、又はピッチシステム制御モジュール８１が、１秒未満の時間制限内に通常状態１０４に到達したという報告を返していない場合、第２のピッチシステムモジュール８２は、７番目のピッチシステム方法工程８００７で、命令された運動という最後のコマンドをクリアすることによって、待機状態１０４に留まるように第１のピッチシステム制御モジュール８１に命令し、その最後のコマンドをクリアすることによって、運動なし状態Ｓ１に戻るように、３つの第２のピッチ駆動制御モジュール全てに命令する。８番目のピッチシステム方法工程８００８では、ピッチシステムは、適切なアクション、例えば何かが間違っていたこと、及び風力タービンが運動なし状態Ｓ１で保守要員の到着を待っていることを保守要員に通知するアクションを実行する。

全てのコマンドが適時に正常完了した場合、ピッチシステムは、命令された運動状態Ｓ２に正常に移行している。したがって、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、命令された運動状態Ｓ２をとる。任意追加的に、風力タービン制御ユニット７がステータスレポートを受け入れるように提供されている場合、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、９番目のピッチシステム方法工程８００９において、ピッチシステム８、９が命令された運動状態Ｓ２に入ったことを風力タービン制御ユニット７に通知し得る。９番目のピッチシステム方法工程８００９の後、第２のピッチシステム制御モジュール８２は、初期のピッチシステム方法工程８００１に折り返し、次のコマンドの到着を待機する。

図１５は、第２のピッチ駆動制御モジュール９２による、第１のピッチ駆動制御モジュール９１の、運動なし状態Ｓ１から命令された運動状態Ｓ２への第１の移行Ｓ１→Ｓ２の監視を示している。第１のピッチ駆動制御モジュール９１ａにエラーが発生してない場合、又はエラー条件が解決している場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、第２のピッチ駆動制御モジュール９２の運動なし状態Ｓ１に対応するスイッチオン対応状態１１３でアイドル状態となる。運動なし状態Ｓ１では、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、１番目のピッチ駆動方法工程９００１においてコマンドの受信を待機する。ピッチ駆動制御モジュール９２は、第２のピッチシステム制御モジュール８２から、命令された運動状態Ｓ２に移行するコマンドを受信すると、２番目のピッチ駆動方法工程９００２で、受信したコマンドが現在の状態からの有効な移行であるかどうかをチェックする。一般状態命令された運動Ｓ２から中間の一般状態自律的運動Ｓ４を介した一般状態運動なしＳ１への移行など、中間的な一般状態を介した移行の特別な状況を処理するため、第２のピッチ駆動ユニットモジュール９２は、３番目のピッチ駆動方法工程９００３で、受信した有効なコマンドが緊急動作コマンドであるかどうかをチェックする。この場合、第２のピッチ駆動ユニットモジュール９２は、以下で更に詳細に説明する第４及び後続の工程に続く。受信したコマンドが、運動なし状態Ｓ１から命令された運動状態Ｓ２への移行のコマンドなど、何らかの他の有効なコマンドである場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、タイマを起動することによって第５の工程に続く。同時に、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、第１のピッチシステム制御モジュール８１から、第１のフィールドバスを介して制御の有効化コマンドを受信していることになる。エラーが発生していない場合、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、自動的に動作有効状態１１５に移行する。第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、次いで、そのステータスの変化が第２のピッチ駆動制御モジュール９２によって検出され得るように、第１のフィールドバスを介してその新規のステータスを送信する。

６番目のピッチ駆動方法工程９００６では、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、第１のピッチ駆動制御モジュール９１が、第１のフィールドバスで、１秒未満の既定の時間制限内に動作有効状態１１５に到達したことを報告したかどうかを監視する。第１のピッチ駆動制御モジュール９１が、既定の時間内に目標ステータス動作有効状態１１５に到達していない場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、７番目のピッチ駆動方法工程９００７において、第１のフィールドバスを介して第１のピッチ駆動制御モジュール９１にクリアコマンドを送信することにより、最後のコマンドをクリアし、８番目のピッチ駆動方法工程９００８において、コマンドのクリアに成功したかどうかをチェックする。クリアコマンドが失敗した場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、エラーの重大度に基づいて、９番目のピッチ駆動方法工程９００９で適切なアクションをとらなければならない。移行が正常に完了した場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、１０番目のピッチ駆動方法工程９０１０において、第２のピッチシステム制御モジュール８２にフィードバックを送信する。

同じ工程が同様に、第２のピッチ駆動制御モジュール９１により、一般状態命令された運動Ｓ２から中間的な一般状態自律的運動Ｓ４を介した一般状態運動なしＳ１への移行を除く、他の全ての移行に対して実行される。この移行の監視については、図１６に基づいて詳細に説明する。

図１６は、特に目標状態への移行が中間的な一般状態を介して実行されるイベントに対する、第１のピッチ駆動制御モジュール９１の監視を実施する方法の可能な一実施形態を示している。この移行に関しては、第１のピッチ駆動制御モジュール９１は、すでに中間的な目標状態スイッチオン対応１１３にあり、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、既定の時間内に中間的な目標工程に到達したことをチェックするのではなく、１２番目のピッチ駆動方法工程９０１２において、全てのロータブレード６ａ、６ｂ、６ｃがフェザリング位置に戻るまで、第１のピッチ駆動制御モジュール９１が動作有効状態１１５を維持するかどうかをチェックする。この目的のため、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、それぞれのロータブレードがそれぞれの角度に到達したときに検出する、独自のセンサを使用する。第１のピッチ駆動制御モジュールが、ブレードがフェザリング位置にあることを報告した場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、１３番目のピッチ駆動方法工程９０１３において、第２のタイマを起動して、第１のピッチ駆動制御モジュール９１が、第１のフィールドバスで、第２のタイマに対する１秒未満の既定の時間制限内に最終目標状態スイッチオン対応１１３に到達したことを報告したかどうかを監視する。第１のピッチ駆動制御モジュール９１が、既定の時間内に目標状態スイッチオン対応１１３に到達しなかった場合、７番目のピッチ駆動方法工程９００７において、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、１７番目のピッチ駆動方法工程９０１７において、それぞれの第１のピッチ駆動ユニット９１をリセットする。リセットコマンドが失敗した場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、１９番目のピッチ駆動方法工程９０１９において適切なアクションをとらなければならない。移行が正常に完了した場合、第２のピッチ駆動制御モジュール９２は、１５番目のピッチ駆動方法工程９０１５において第２のピッチシステム制御モジュール８２にフィードバックを送信し、一般状態運動なしＳ１で次のコマンドを待機するため、１番目の方法工程（図１５）９００１に戻る。

ピッチシステム制御装置及び第１のピッチ駆動制御モジュールの一部の状態には、風力機械の操作者はアクセスできず、サービス要員のみがアクセスできる。例えば、コミッショニングモード状態９で、制御ソフトウェアが新規バージョンに更新され得るとき、風力タービンは回転を防止されるべきである。この状態は、サービス要員のみが、電源オン状態１からのみ、アクセス可能である。したがって、この状態は、標準の操作者インターフェースからはアクセスできない。したがって、この状態、並びにこの状態への及びこの状態からの移行は、第２のピッチ制御層に含まれない。

本明細書には、本発明の好ましい実施形態及び例示的な実施形態と考えられるものが記載されているが、本明細書に記載されている本発明の範囲内に入るこれらの実施形態の他の変更が、当業者には明らかになるであろう。したがって、例えば、第１の一般状態から中間の一般状態を介した第２の一般状態への移行を提供するように第２のピッチ制御装置９２を適合させる代わりに、これは、図８に示すように２つの別個の移行として命令された運動状態Ｓ２から運動なし状態Ｓ１への移行と、命令された運動状態Ｓ２から自律的運動状態Ｓ４への第３の移行Ｓ２→Ｓ４と、自律的運動状態Ｓ４から運動なし状態Ｓ１への第４の移行Ｓ４→Ｓ１と、を監視することによって、第２のピッチシステム制御モジュール８２に代替的に監視され得ることが明白である。この場合、図１５に示されている特別な手順の代わりに、図１５の「通常」の手順を交互に１回ずつ、２回実行されることになる。１回目は、命令された運動状態Ｓ２から自律的運動状態Ｓ４への第３の移行Ｓ２→Ｓ４に対するもの、２回目は、自律的運動状態Ｓ４から運動なし状態Ｓ１への第４の移行Ｓ４→Ｓ１に対するものとなる。

これまでのところ、本発明の一態様として、エンドユーザは、限られた数の一般状態のみを目にし、この移行が既定の移行のセットの一部である場合のみ、第１の一般状態から第２の一般状態への移行を命令できることを説明した。例えば、運動なし状態Ｓ１から命令された運動状態Ｓ２への移行は実際、ピッチ駆動レベルで複数の副移行を含み、ピッチ駆動レベルにおける副レベルのうちのいくつかには、正当な理由からエンドユーザはアクセスできないことを見てきた。しかしながら、サービス要員については、例えば、ピッチ駆動レベルの特定の副状態に対する制御を有することが便利であり得るが、現場のサービス要員にもまだいくつかのレベルが「隠され」ており、これは、サービス要員が全ての機能にアクセスして操作することが許可されるべきないためであり、これは、サービス要員、傍観者、又はピッチ駆動装置自体を危険にさらし得るいくつかのアクションを実行するよう、サービス要員が意図せずにピッチ駆動装置に命令する可能性を回避するため、ピッチ駆動装置の製造業者の工場で修理するために制限されている場合がある。一般状態及び一般副状態の別の適用例は、ユーザに２つ以上の異なる視野レベル間で表示を切り替えることを可能にすることである。システムのユーザが概観を望む場合、ユーザは一般状態レベルに切り換え、このレベルに提供されている移行を命令することだけが許可される。ユーザがシステムを微調整した場合、ユーザは一般副状態の視野に切り換えることができ、このレベルで許可された移行を命令することを許可される。

したがって、一般状態は、一般副状態のセットで構成され得、従来のピッチシステム制御装置、又はピッチ駆動制御モジュールの特定の状態は、目標状態としてそれぞれの一般副状態に帰属する。例えば、運動なし状態Ｓ１では、正規のサービス要員は、以下の５つの一般副状態を見ることになる。
１番目の一般副状態電源投入Ｂ１、
２番目の一般副状態残存Ｂ２、
３番目の一般副状態待機Ｂ３、
４番目の一般副状態バックアップ試験Ｂ４、及び
５番目の一般副状態コミッショニングＢ５である。

一般副状態については、属性「一般」が、これらの副状態が一般状態Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の副状態であることを指すために使用される。図１７は、一例として、１列目に一般状態運動なしＳ１、第２の列にこの一般状態に使用可能な副状態、すなわち、１番目の一般副状態電源投入Ｂ１、２番目の一般副状態残存Ｂ２、３番目の一般副状態待機Ｂ３、４番目の一般副状態バックアップ試験Ｂ４、及び５番目の一般副状態コミッショニングＢ５を示している。図１７の表の３列目は、それぞれの副状態に帰属する、拡張されたピッチシステム制御装置の目標状態を示している。同様に、従来のピッチシステム制御装置の目標状態も帰属し、監視され得る。

図１８は、一般副状態レベルでユーザに許可される移行を示している。システムに電源投入すると、移行Ｃ１で自動的に一般副状態残存Ｂ２に進み、その場合、システム制御モジュールの目標状態は待機１０３となる。ユーザが起動中にスイッチを発動した場合、ピッチシステム駆動装置は、コミッショニングＢ５への移行Ｃ５を代わりに実行することになり、その場合、システム制御モジュールの目標状態は、コミッショニングモード１０８となる（図６）。コミッショニングが完了すると、ユーザは、ピッチシステム制御装置が移行Ｃ６で一般副状態残存Ｂ２に進み、そこから移行Ｃ２で待機Ｂ３に進ませたいことを確認し得る。バックアップ試験Ｂ４に許可された唯一の移行は、一般副状態待機Ｂ３からのＣ５である。一般副状態バックアップ試験Ｂ４からＣ６に戻る唯一許可された移行は、待機Ｂ３への移行である。ある一般副状態から別の一般副状態へのこれらの移行Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６全てについて、拡張システム制御装置は、従来のシステム制御装置及びピッチ駆動制御装置が既定の時間内に目標状態に到達するかどうかをチェックするため、上の説明と同じ手順を使用し得る。

風力タービンの動作においては、１つ又は複数の故障が発生し得る。いくつかの風力タービンでは、ピッチモータは、電動モータの近く、例えばモータシャフト上に取り付けられた第１の角度センサを使用する。この第１の角度センサは、電動モータの作動時に発生し得る熱に対する抵抗性がなければならない。この目的のために、典型的に使用される角度センサのタイプは、リゾルバと呼ばれる。最も一般的なタイプのリゾルバは、２つの二相巻線を有するブラシレストランスミッタリゾルバであり、リゾルバ固定子に互いに直角に固定され、正弦及び余弦帰還電流を生成する。固定子に対するリゾルバロータの角度を決定するため、二相電圧の相対的な大きさが測定され、使用される。リゾルバが、単一対の二相巻線を有する場合、フィードバック信号は、１回の全回転で波形を繰り返す。このようなリゾルバは、典型的には約０．１°の分解能を有する。

風力タービンでは、過去に交流モータがピッチ駆動装置に使用されていた。しかしながら、トレンドはブラシレス直流モータの使用である。ブラシレス直流モータは、電子制御された通信システムを有する同期電動モータである。ブラシレス直流モータでは、永久磁石がロータを形成する。モータを制御するために、電子制御装置は、回転磁場が固定子巻線によって生成されるように、電力固定子巻線を分配する。リソルバによって提供されるフィードバック情報により、ロータの位置が認識され、それにより永久磁石の位置が認識される。この知識により、モータ制御装置は、電動モータが正確に所望の速度及びトルクで回転するように、回転磁界を生成し得る。それぞれの制御プログラムが提供されている場合、ブラシレス直流モータは、位置センサからの情報なしに、すなわち、精度を犠牲にしたリソルバのフィードバックなしに動作可能である。この動作モードは、以下の自己検知モードで呼び出される。自己検知モードは、固定子巻線の前方にある永久磁石ロータの運動によって誘導される逆起電力（ＢＥＭＦ）の検出に基づき得る。自己検知モードは、位相の転流を同期させるために、例えばＢＥＭＦのゼロ交差を解析する。ＢＥＭＦが振幅的に小さい低速の場合、代わりにモータの磁気非対称性が使用されてもよい。例えば、ブラシレスモータのサブカテゴリである内部永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）を備えた電流センサは、いわゆる注入電流信号を測定するために使用され得る。この注入電流信号から、例えばクライアンフィルタを用いてロータの位置が推定される。同様に、自己検知モードは、ブラシ付き直流モータ及び同期交流モータに利用することもできる。

しかしながら、ロータブレードを正確に制御するため、通常、ピッチモータは、モータシャフトの角度位置を測定するためのセンサとして、リゾルバを用いて動作する。リゾルバの故障の場合には、モータを正確に制御することができず、ブレードエンコーダのエラーの場合には、ロータブレードの位置を測定することができず、ピッチモータがロータブレードを誤った位置まで回転させるという危険が生じる。このような事態を克服するため、本発明は、リゾルバの故障が検出されても、ブレードエンコーダの故障が検出されない場合に、モータを自己検知モードに切り換えることを提案する。また、最大速度は、自己検知モードでのトルクの低減を考慮するため、例えばセンサモードでの回転速度の半分にまで低減することができる。例えば、緊急事態では、ロータブレードの回転速度はセンサモードで１秒当たり６°に制限され、自己検知モードで１秒当たり３°に低減されてもよい。

ロータブレードは非常に重く、回転させるには高トルクを必要とするため、通常、ギアボックスが、モータとロータブレードが取り付けられている歯付きリングとの間に提供される。典型的には、ギアボックス及びギアボックスによって駆動される歯付きリングは、１：１０００〜１：２０００の伝達比を有する。ギアボックスの伝達比を考慮して、ロータブレードの位置をリゾルバデータから算出してもよい。ただし、多くの場合、第２の角度デコーダが、ロータブレードの角度位置を測定するためにロータブレードの近傍に設けられている。例えば、フェザリング位置では、ロータブレードの角度は９０°であり、風に対する全迎え角では、ロータブレードは実質的に０°の位置まで回転される。この配置に使用される共通の角度エンコーダは、例えば、全３６０°回転に対する１６ビットの分解能を有し、約０．００５°の分解能をもたらす。あるいは、１２又は１３ビットのマルチターンエンコーダが、１：１００〜１：２００の比でギアに取り付けられてもよく、それにより、有効な最大０．０００２°の分解能が有効に得られる。それらの比較的低い温度範囲により、かかる高精度の角度デコーダは、電動モータの近くで使用することができない。

ブレードエンコーダエラーが検出された場合、本発明は、ピッチモータのリゾルバ情報を使用して、ロータブレードの位置を計算することを提案する。ギアボックスのバックスラッシュなどにより、これは、ブレードエンコーダからの情報ほど正確ではない場合があるが、ロータブレードを約９０°で停止させ、更に、風力タービンのロータの推進を再開させるのに十分な揚力がブレードによって生成されることを回避するのに十分である。ブレードエンコーダは通常、絶対値を生成し、それと対照的に、リゾルバは通常、相対値を生成するため、好ましくは、ピッチ駆動制御装置は起動時に、ブレードエンコーダによって提供される絶対位置を使用して、リゾルバエンコーダを参照し、引き続きリゾルバの位置を計算して、ブレードエンコーダの位置と比較する。ブレードエンコーダの故障が検出された場合、装置の制御装置は、連続的に計算された位置を使用して、リゾルバモードから自己検知モードにシームレスに切り換えることができる。

本実施形態では、電圧センサのようないくつかの他のセンサを用いて、例えば、発生器又は電力系統の停電時に必要となるバックアップ電源の容量を測定し、少なくともロータブレードをフェザリング位置まで回転させることができるだけ長く、ピッチ駆動モータに給電する。この実施例では、リゾルバ、ブレードエンコーダ、及びバックアップの解析が、解析される装置の「故障」又は「故障なし」という単純な二分決定に低減される。

バックアップシステムの故障が検出された場合、本発明は、ピッチモータの速度を第２の制限速度に制限することも提案する。この第２の速度制限は、この特別な実施形態におけるバックアップ電源が永久的に電源に接続されて、高速かつ高トルクでの回転時にピッチモータによって引き込まれる大電流を支持することを考慮している。バックアップの故障の場合、この支持は使用できず、高トルクでの高速は、電源の破壊の原因となり得る。この場合、フェザリング動作中に完全停止する危険を冒すのではなく、低減した一定の速度でロータブレードをピッチングするほうが、危険が少ないと想定される。この第２の制限速度は、自己検知モードよりも更に低くてもよく、例えば１秒当たり２°であってもよい。

前述のエラーは、互いとの組み合わせで発生し得る。図１９の表の１列目は、リゾルバのエラーステータスを示しており、リゾルバの故障は「Ｘ」で示されている。同様に、２列目は、同じく「Ｘ」で示されたブレードエンコーダの故障、３列目は、同じく「Ｘ」で示されたバックアップシステムの故障を示している。３つの独立した二分イベントと同様に、リゾルバ、ブレードエンコーダ、及びバックアップのエラーステータスの８つの異なる可能な組み合わせが存在する。図１９の表の列見出し後の１行目は、リゾルバ、ブレードエンコーダ、及びバックアップが適切に作用していると解析された状況を示している。その結果、この様式は「エラーなし」モードＥ０と呼ばれる。エラーなしモードＥ０では、ブレードエンコーダの出力値が従来の制御装置によって使用されて、ロータブレードの位置が随時測定される。ブレードエンコーダが従来の制御装置に９０°の角度を送信すると、従来の制御装置は、この入力値を信頼し得、ロータブレードがフェザリング位置の最終的な位置に達したときに、その回転を停止させる。リゾルバは適切に機能していると想定されるため、拡張制御装置は、リゾルバの高解像度データを使用することによってモータを制御する。また、バックアップ電源がエラーを示していないため、風力タービン制御装置からのコマンドは、拡張制御装置から従来の制御装置に透過的に転送される。これは、表内の列ＳＦＲプロファイル（ＳＦＲは、Safe Feathering Runの略）に、「デフォルト」という語で示されており、拡張制御装置が、モータの速度にいずれの変更も適用しないことを意味する。

リゾルバの故障が検出された場合、これは第１のエラーモードＥ１に分類される。このエラーモードについては、上で先に論じている。ブレードエンコーダが影響を受けていないため、ロータブレードの位置は、ブレードエンコーダによって測定される。ただし、ピッチモータは、センサモードから、すなわちリゾルバによって制御されるモードから、自己検知モードに切り換えられ、自己検知モードとも呼ばれ得る。上で説明したように、ピッチモータ速度は、自己検知モードにおいては第１の速度制限に制限される。拡張制御装置は、この場合、「自己検知」と呼ばれるＳＦＲプロファイルを使用する。「自己検知」プロファイルが適用されると、拡張制御装置は、受信したコマンドが従来の制御装置に転送されるときに、ピッチモータの速度が第１の速度制限に制限されるように、それらのコマンドを変更する。ピッチモータの回転速度の制限は、ほんの一例である。ＳＦＲプロファイルでは、最大電流の対応するトルク制限など、他の制限が従来の制御装置に適用され得る。

ブレードエンコーダの故障が検出されても、リゾルバ及びバックアップがエラーなしで作用している場合、これは、この実施形態では第２のエラーモードＥ２として分類される。すでに上で述べたように、この第２のエラーモードでは、ロータブレードの位置は、ピッチモータのリゾルバを使用することによって決定される。リゾルバは影響を受けないため、モータは、通常のセンサモードで動作することができ、ＳＦＲプロファイルはデフォルトプロファイルのままであり得る。ただし、低い精度でロータブレードの位置が決定されるため、その目的のために特に設計されたプロファイルを使用することもできる。

拡張制御装置がバックアップの故障を検出したが、リゾルバ及びブレードエンコーダがエラーなしで作用していることを示している場合、本発明のこの実施形態では、特別な「バックアップの故障」プロファイルが適用される。上ですでに述べたように、バックアップの故障プロファイルにおけるバックアップでは、ピッチ駆動装置の速度が第２の速度制限まで低減される。しかしながら、他の代替的又は追加的な対策が、拡張制御装置によって適用されてもよい。

リゾルバの故障及びブレードエンコーダの故障が同時に検出された場合、これは、第４のエラーモードＥ４として分類される。第４のエラーモードＥ４では、本発明は、ピッチモータによるあらゆる運動を防止することと、機械式ブレーキと係合することと、ロータブレードをフェザリング位置にするように他のピッチ駆動装置に要求することと、を提案する。通常、３つのロータブレードを備えた風力タービンでは、風力タービンのロータを強制的に停止することを可能にするのに、３つのロータブレードのうちの２つがフェザリング位置にあれば十分であろう。あらゆる運動を防止することは、拡張制御装置によって受信されたあらゆるコマンドを、速度をゼロに設定するコマンド、それぞれモータを停止するコマンドにリセットすることによって実現され得る。加えて又はあるいは、拡張制御装置は、付加的な回路を使用して、例えば、電源から電力インバータへのスイッチによって中断させることにより、ピッチモータの制御を阻止することもできる。あるいは又は加えて、駆動回路の全ての制御入力、例えば、Ｈブリッジの入力リードは、ゼロ電圧で接続することができるため、従来のピッチ駆動装置で独立したどのような制御信号が発生しても、これらの制御信号は接地電圧に短絡され、それゆえ有効に上書きされる。特に、特定の安全対策のないモータの安全性は、例えば、第２の制御装置９２の第２の制御信号９２９によって制御される付加的な回路によって改善され得る。

拡張制御装置がリゾルバの故障及びバックアップの故障を検出した場合でも、故障のない遅延エンコーダは、エラーモードＥ５として分類される。エラーモード５において、ブレードエンコーダがエラーなしで作用しているため、ロータブレード位置は、ブレードエンコードから直接導出される。リゾルバの故障により、モータ制御は、自己検知モードに設定され、バックアップの故障により、拡張制御装置によって選択されるＳＦＲプロファイルは、「バックアップの故障」プロファイルとなる。

拡張制御装置がブレードエンコーダの故障を検出し、同時にバックアップの故障も検出したが、リゾルバは故障なしに作用していることが報告される場合、モータ制御は引き続きリゾルバモードとなり、ロータブレードの位置はリゾルバによって測定される。バックアップの故障により、選択されるＳＦＲプロファイルは、「バックアップの故障」プロファイルである。

最終的に、拡張制御装置が、リゾルバ、ブレードエンコーダ、及びバックアップの累積誤差が存在する状況に直面した場合、拡張制御装置は、リゾルバ及びブレードエンコーダの累積誤差と同様に、これをエラーモード４として分類する。この場合にとられる対策は、安全トルクオフ及び安全ブレーク制御である。エラーモード４の場合、ピッチモータはただちに停止され、適用されるＳＦＲプロファイルは問題にならない。唯一重要なことは、拡張制御装置が他のピッチ駆動装置にエラーＥ４を報告しており、それにより、他のピッチ駆動装置にフェザリング動作が命令されることである。ただし、理論的には、アクション「安全トルクオフ」は、特別なＳＦＲプロファイルとしても見ることもできる。

図１９から見ることができるように、いくつかのエラーモードは、単一の故障が発生した場合の対策の純粋な組み合わせだけではない。例えば、リゾルバの故障及びブレードエンコーダの故障の組み合わせに対する反応は、安全トルクオフであるが、エラーモードＥ１及びエラーモードＥ２の組み合わせに相当しない。したがって、この実施形態のエラーのうちの３つの異なるタイプは、エラーの組み合わせが発生したときに異なる方法で処理される。

第１の一般状態のセット及び第２の一般状態のセットの別の有利な適用は、第２の状態のセットを第１の状態のセットのうちの１つのサブセットとして使用することである。上に紹介されたエラーモードは、自律的運動状態Ｓ４の副状態として、拡張制御装置及び従来の制御装置の本発明の概念に組み込まれる。

図２０は、エラーのない状態Ｅ０と第１のエラー状態Ｅ１、第２のエラー状態Ｅ２、第３のエラー状態Ｅ３、第４エラー状態Ｅ４、第５のエラー状態Ｅ５、及び第６のエラー状態Ｅ６との間の移行を示している。ロータブレードのフェザリング位置への自律的運動は、必ずしも、それがエラーに起因したことを意味していない。自律的運動はまた、ユーザが望むとき、例えば、保守目的のために風力タービンを停止させるために、ユーザが意図的に開始することができる。この場合、風力タービンは、エラーのない副状態Ｅ０に入ることになる。本実施形態では、即時停止を必要とせずに風力タービンを停止させるため、風力タービンのロータの一種のソフト減速を許可するコマンド「通常停止」が使用されることになる。これにより、ピッチ駆動装置の摩耗がほとんどなくなるばかりでなく、タワーに対する曲げ力など、風力タービンの構造体に対する負荷も低減される。「通常停止」モードでは、例えばピッチ駆動装置に許可された最高速度の２０％に速度を制限することによって、ロータブレードをフェザリング位置までゆっくり回転させる特殊プロファイルを使用することができる。

エラーが発生していない場合、ピッチ駆動装置は、予定どおりフェザリング位置に到達するまで、エラーなし副状態Ｅ０のままとなる。エラーなし副状態では、図２０に示すように、３つのエラー条件が発生し得る。リゾルバエラーの場合、ピッチ駆動装置は、エラー副状態Ｅ１に移行するように適合され、ブレードエンコーダの故障の場合、エラー副状態Ｅ２に移行し、バックアップの故障の場合、エラー副状態Ｅ３に移行する。２つの故障が同時に出現しているように見えても、確定的システムは、２つ以上のエラーのうちの１つを順々に処理する。第１のエラー副状態Ｅ１では、２つ以上のエラーのみが評価される。ブレードエンコーダエラーは、第１のエラー副状態Ｅ１を第４のエラー副状態Ｅ４に移行させ、バックアップ障害は、第１のエラー副状態Ｅ１を第５のエラー副状態Ｅ５に移行させる。同様に、第２のエラー副状態Ｅ２から、リゾルバエラーはピッチ駆動装置を第５のエラー副状態Ｅ５に移行させ、ブレードエンコーダエラーは、第２のエラー副状態Ｅ２を第６のエラー副状態Ｅ６に移行させる。同様に、リゾルバエラーは、第３のエラー副状態Ｅ３を第４のエラー副状態Ｅ４に移行させ、バックアップの故障の場合、ピッチ駆動装置を第６のエラー副状態Ｅ６に移行させる。ブレードエンコーダエラーの場合、第５のエラー副状態Ｅ５は、第４のエラー副状態Ｅ４に移行され、リゾルバエラーの場合、第６のエラー副状態Ｅ６は、第４のエラー副状態Ｅ４に移行される。Ｅ４は、最終のエラー副状態であり、３つの評価されたエラー条件全てが発生した場合のみ適用可能である。

図２０の移行図から見ることができるように、エラーが発生した場合には、以前に故障が報告されたセンサを信頼することはあまりにも危険であるため、前回のエラー状態のいずれにも移行しない。この場合、技術者が風力タービンに訪れて、エラーの原因を修理するまで、及び／又はエラーがリセットされるまで、ピッチ駆動装置は、いったん到達したエラー状態で継続しなければならないことになる。したがって、記載されている副状態により、エラー状況にあるピッチ駆動装置を非常に明確に制御することができる。この非常に明確なエラーハンドリングは、このように、ピッチ駆動装置及び風力タービンの安全性を全体的に改善する。

Claims (19)

1. 機械又はプロセスを制御するための方法であって、
   −第１の制御ユニットは、第１の複数の第１の状態を有し、前記複数の第１の状態のうちの１つである現在の第１の状態にあり、前記第１の制御ユニットは、第１の入力条件に応答して、前記現在の第１の状態から、前記複数の第１の状態のうちの別の第１の状態に移行するように適合されており、
   −第２の制御ユニットは、前記第１の制御ユニットを制御するためのものであり、前記第２の制御ユニットは、第２の複数の第２の状態を有し、現在の第２の状態にあり、前記第２の制御ユニットは、第２の入力条件に応答して、前記複数の第２の状態のうちの１つの状態から、前記複数の第２の状態のうちの別の状態に移行するように適合されており、前記第２の制御ユニットは、
   −前記第２の制御ユニットの第２の状態ごとに、割り当てられた第１の目標状態を含む属性リストと、
   −前記第２の制御ユニットの前記第２の状態間で既定された移行のセットと、
   −既定の移行ごとの既定のアクションのセットと、を更に含み、
   前記方法は、
   −前記第２の制御ユニットが前記現在の第２の状態から移行すべき前記第２の目標状態を示す、前記第２の入力条件を受信することと、
   −前記現在の第２の状態から前記第２の目標状態への移行が、前記既定の移行のセットに含まれているかどうかをチェックすることと、
   −前記受信した第２の入力条件が、前記既定の移行のセットに含まれている、前記現在の第２の状態から前記第２の目標状態への移行である場合、前記既定のアクションのセットを実行することと、
   −前記機械又はプロセスが前記第１の目標状態へ移行するかどうかを監視することと、
   −前記機械又はプロセスが前記目標状態への移行を完了した場合に、前記現在の第２の状態を前記第２の目標状態に変更することと、を更に含む、方法。
2. 前記入力条件が、前記第２の制御ユニットによって受信されるコマンド又はセンサによって検知されるイベントのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
3. 前記既定のアクションが、前記第１の目標状態に移行するように前記第１の制御ユニットを開始するコマンドを前記第１の制御ユニットに送信すること、受信したコマンドを前記第１の制御ユニットに転送する前に変更すること、前記第１の制御ユニットが評価しているデータを変更すること、又は前記第１の制御ユニットを制御している制御信号を呼び出すこと、のうちの少なくとも１つである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の目標状態が、前記第１の制御ユニットの前記複数の第１の状態のうちの１つの状態、前記第２の制御ユニットの前記複数の第２の状態のうちの１つの状態、既定の範囲内にある前記機械又はプロセスのセンサの読み取り値、のうちの少なくとも１つである、請求項１、２、又は３に記載の方法。
5. 前記第１の制御ユニットが前記目標状態に移行しない場合に、前記機械又はプロセスが安全動作状態になる特定の状態への移行を開始する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の制御ユニットが、少なくとも、互いに異なる第２の状態の第１のセットと、第２の状態の第２のセットと、を提供する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第２の状態の第１のセットを表示及び／若しくは制御するアクセス権のうちの少なくとも１つが、第１のユーザのグループに制限され、前記第２の状態の第２のセットを表示及び／若しくは制御するアクセス権が第２のユーザのグループにそれぞれ制限される、又は前記第２の状態の第１のセット間の前記表示が前記第２の状態の第２のセットの前記表示間で切り換えられ得る、請求項６に記載の方法。
8. 前記第２の制御の１つの状態が、少なくとも２つの副状態を含み、前記第２の制御ユニットが受信したコマンド、受信したセンサデータ、又は受信したプロセスデータのうちの少なくとも１つを解析し、前記解析の属性に応じて、前記副状態のうちの１つを現在の副状態として選択する、請求項１〜５に記載の方法。
9. 副状態ごとに、前記第２の制御装置が、前記第１の制御装置に送信された前記コマンドをそれぞれ変更又は上書きする、請求項８に記載の方法。
10. 前記少なくとも２つの副状態が、前記機械又はプロセスの少なくとも１つのエラーなし副状態、及び前記機械又はプロセスの少なくとも１つのエラー状態を表す、請求項９に記載の方法。
11. 方法であって、
    −前記第１の制御ユニットは、少なくとも第３の制御ユニットを制御し、前記少なくとも少なくとも第３の制御ユニットは、第３の複数の第３の状態を有し、前記複数の第３の状態のうちの１つである現在の第３の状態にあり、前記少なくとも第３の制御ユニットは、第３の入力条件に応じて、前記現在の第３の状態から、前記複数の第３の状態のうちの別の第３の状態に移行するように適合されており、
    −少なくとも第４の制御ユニットは、前記少なくとも第３の制御ユニットを制御するためのものであり、前記第４の制御ユニットは、第４の複数の第４の状態を有し、現在の第４の状態にあり、前記第４の制御ユニットは、第４の入力条件に応じて、前記複数の第４の状態のうちの１つの状態から、前記複数の第４の状態のうちの別の状態に移行するように適合されており、その属性リストにおいて、前記方法は、
    −第３の目標状態が割り当てられた前記第４の制御ユニットのそれぞれの第４の状態と、
    −前記第４の制御ユニットの前記第４の状態間の既定の移行のセットと、
    −既定の移行ごとの既定のアクションのセットと、
    −前記第４の制御ユニットが前記現在の第４の状態から移行すべき先を示す第４の入力条件を受信することと、
    −前記現在の第４の状態から前記第４の目標状態への移行が、前記既定の移行のセットに含まれているかどうかをチェックすることと、
    −前記受信した第４の入力条件が、前記既定の移行のセットに含まれている、前記現在の第４の状態から前記第４の目標状態への移行である場合、前記現在の移行に対して前記既定のアクションのセットを実行することと、
    −前記少なくとも第３の制御ユニットが前記第３の目標状態に移行するかどうかを監視することと、
    −前記少なくとも第３の制御ユニットが前記目標状態に移行した場合に、前記現在の第４の状態を前記第４の目標状態に変化することと、を更に含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１の制御ユニットが、前記少なくとも第３の制御ユニットに対して、第３の入力条件として第２のコマンドを送信する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記複数の第２の状態のそれぞれの第２の状態が、前記複数の第４の状態のうちの１つの第４の状態に対応する、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第２の制御ユニットが、第１の入力条件によって、第２の目標状態への移行を開始したときに、前記少なくとも第３の制御ユニットの全てが前記対応する第４の目標状態に到達していることを監視する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記第１及び前記少なくとも第３の制御ユニットは、第１の通信経路を介して通信し、前記第２及び前記少なくとも第４の制御ユニットは、第２の通信経路を介して通信し、前記第２の通信経路は、前記第１の通信経路の前記安全完全性レベルよりも高い安全完全性レベルの設計規則に準拠するように設計されている、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記第１及び前記第２の通信経路は、同じ通信媒体を使用しており、前記第１の通信経路は、第１の伝送プロトコルを使用しており、前記第２の通信経路は、第２の通信プロトコルを使用しており、前記第２の通信プロトコルは、前記第１の通信プロトコルより高い安全完全性レベルを有するプロトコルである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の制御ユニット及び前記第２の制御ユニットは、風力タービンの少なくとも１つのロータブレードのピッチ角を制御するピッチ制御システムである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記第３の制御ユニット及び前記第４の制御ユニットは、風力タービンのロータブレードを回転させる風力タービンの前記モータを制御するためのピッチ駆動ユニットである、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記第２の制御ユニットは、前記方法工程のいずれかのうちの前記方法工程を実行するように適合された処理装置を含む、機械、特に第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットを有する風力タービン。

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