倍福TwinCAT 3 控制用于 10 兆瓦风机的 HALT 试验台

　　丹麦正在为风机组测试技术建立一项新的标准。丹麦林都海洋可再生能源中心（LORC）能够测试风机机舱在其超过 25 年的使用寿命期间可能承受的所有风荷载和扭转力矩。他们采用倍福的自动化技术实现试验台控制。

　　随着风机的体积越来越大，造价越来越昂贵，对于在整个使用寿命期间最小化损坏风险的需求也逐步增加。这就需要在开始批量生产一款新一代风机之前在真正的风机上进行载荷测试。2017 年 12 月在丹麦蒙克博上线的全球最大的风机组（最大 10 兆瓦）试验台 LORC 的使命就是提供最严格的高加速寿命测试（HALT），大型风力模拟器使用机械功能、液压功能和电动功能在 6 个月内生成风机在其整个 25 年使用寿命期间所要承受的压力和应力。这类测试有助于识别设计和结构方面的缺陷，以便在批量生产风机之前能够进行必要的修改。

　　丹麦工程公司 R&D Test Systems 是此设施的交钥匙供应商，负责实施整个项目：从设计和开发机械组件一直到编程和调试。复杂的开发和实施过程需要很多年才能完成。为了确保调试过程平稳进行，并保证试验台性能稳定可靠，必须对所有功能进行彻底的模拟和测试。仿真模型和测试结果用于进一步开发软件以及给操作人员进行培训。

　　在测试中心，根据来自世界各地的风场的风力和天气数据对风机的机械部件进行真实的疲劳测试。倍福丹麦分公司的总经理 Michael Nielsen 解释说：“模拟真实环境条件的能力对于风电及其它采用重型解决方案的行业来说越来越重要。从长远来看，如果制造商们能够知道风机在实际应用中会有怎样的反应，就可以帮助他们节省许多资源。”倍福通过 TwinCAT 3 软件、功能强大的工业 PC 和各种 EtherCAT I/O 端子模块为所有测试场景的规范和监控提供了基础。丹麦控制柜供应商 Tricon Electric A/S 安装了这些组件。

　　每一台新开发出来的风机都必须作为一个完整的系统进行测试。考虑到现代风机的尺寸庞大，想要进行测试非常困难，因此制造商们自己测试机舱，在试验台上尽可能逼真地模拟转子、电路及其它环境条件的影响。为了映射影响主涡轮轴和机舱的所有力因数和扭矩因数，新的 HALT 试验台需要采用独特的设计。建造这样一个长 31 米，宽 8 米，高 13 米的设施，需要使用 310 吨钢和 107 根混凝土柱（必须埋在地下 16 米深处）。试验台重达 4000 吨，采用液压弯曲系统，可以对被测风机施加高达 25 MNm 的弯矩。它通过液压缸产生这些力，一套扭矩为 14.5 Mnm 的驱动系统产生施加在转子上的风力。

　　当风切、强风或者风扰对转子产生冲击时，会产生额外的弯矩和推力。试验台通过一个六自由度结构中的液压缸重新产生这些力。然而，由于没有风电塔筒和转子，系统必须尽可能精确地模拟这些真实条件，因此仿真模型必须实时计算机舱和转子之间的交互，并将相应的信号发送给液压缸。系统能够模拟各种运行条件，如机舱在起暴风时或在电网故障和急停后的行为。

　　在测试运行期间，传感器必须能够在最短时间内采集、处理和传输大数据量，因此在调试前，必须在 MATLAB®/Simulink® 中建模所有试验台组件和测试对象。R&D Test Systems 公司软件经理 Allan Mogensen 说道：“因为软件必须能够尽快响应各种测试场景，所以我们希望尽可能缩短循环时间。通过比较，我们发现倍福的 TwinCAT 3 自动化软件让我们能够实现 1 毫秒的循环时间，于是我们选择了倍福系统。”

　　TwinCAT 3 中的 MATLAB®/Simulink® 软件界面是另外一个优点，Allan Mogensen 补充道：“为了确保具有出色的性能和很强的可操作性，我们通过创建试验平台所有物理组件的 MATLAB®/Simulink® 模型以及 LORC 客户实际想要的测试对象的方式模拟计算机上的所有功能。MATLAB® 模型模拟可用作真实物理机械系统后期真实测试的基准，不会对机械系统造成威胁。这让我们能够比原计划更快地完成目标。”

　　Allan Mogensen 总结说道：“这座试验台是丹麦及丹麦风电行业的“灯塔工程”，我们交付了一个能够更快、更高效地测试风机的 HALT 设施。是否具有足够的计算能力对我们实施此项目有着重要影响。倍福的硬件和软件可以理想地满足这些要求。”Tricon Electric 公司的销售工程师 Morten Hauge 同意 Allan 的观点：“为这么大一个项目提供如此先进的解决方案是一件有趣而又富有挑战的工作。倍福的硬件具有执行此类艰巨任务所需的智能水平。”