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2020年12月1日

状态监测直接集成到控制技术中

Leine & Linde,德国:基于 PC 的控制技术与应变传感器结合,监测风力发电机的风轮叶片

从底层的应变传感器到控制和管理层的全数字化测量链是实现高性能、集成式风机状态监测的前提。来自汉堡 Leine & Linde 公司的市场营销副经理 Matthias Finke 在接受采访时,解释了这一切是如何在结合 ESR 应变传感器与基于 PC 的控制技术的情况下实现的。

ESR 应变传感器有什么特点?

Matthias Finke:ESR 系列应变传感器设计用于永久或临时测量几乎所有大型结构件的应力,这里特别提到的是它们在风机风轮中的使用,以支持调节单个叶片。其它应用领域包括起重机负载监测、材料检验和应力测试。该系列传感器的核心部件是光电编码器,已经在很多行业领域取得成功应用。在这方面,特别值得一提的是,它不仅在机械结构上坚固耐用,而且具有超高的传感器分辨率(0.025 μm/m)。此外,它还提供超宽量程,测量范围达到 ±5000 μm/m,最大传输速率也高达 30 kHz,因此既可支持静态应用,也可支持高动态应用。一个高度集成的专用集成电路(ASIC)在传感器中直接将信号数字化,实现低信噪比。标准的 EnDat 2.2 接口允许传输所包含的电子铭牌,确保全面的诊断能力。因此,ESR 系列传感器代表了数字应变测量的下一个发展方向,是集成式状态监测的理想基础。

Leine & Linde 公司市场营销副经理 Matthias Finke
Leine & Linde 公司市场营销副经理 Matthias Finke

EnDat 2.2 接口具体有哪些优点?

Matthias Finke:EnDat 2.2 可以助力实现从底层的单个应变传感器直到控制和管理层的全数字化测量链。该接口具有以下功能的特点:可以在需要时用高确定性的方式以高达 30 kHz 的速率在长达 100 米的电缆上实时传输数据。作为一个双向接口,它既能够读取传感器中的数据,也能够将数据传输到传感器中。该接口基于成熟、性能强大的 RS485 物理层,因此对外部干扰不敏感。循环冗余检查(CRC)可以确保数据的安全传输,可靠地检测出任何错误和故障。

相关的网关结构是怎样的?

Matthias Finke:我们对网关的理解是,多个 ESR 应变传感器的信号可以借由 EnDat 2.2 接口通过现场总线传输。在这方面,相关的总线耦合器和 I/O 端子模块是安装在现有控制柜(如变桨系统)的 DIN 导轨上,还是作为一个防护等级达到 IP65 的独立解决方案安装在叶轮叶片根部,这并不重要。网关方案的优势在于,系统设计尽可能简单、坚固耐用和经济高效。倍福的 EnDat 2.2 接口端子模块 EL5032 设计非常紧凑,可以连接两个应变传感器,为实现这种方案提供了理想的支持。在需要使用多个应变传感器的系统设计中,这种小体积特别有利。此外,EtherCAT I/O 端子模块与 PROFINET-RT 总线耦合器 EK9300 满足了我们对质量和可靠性的严格标准要求。

你们在总线耦合器和 EnDat 接口的应用方面有哪些实践经验可以分享?

Matthias Finke:我们在风机上的应用体验非常棒,特别是风轮叶片根部区域的安装位置。就 ESR 传感器和 PROFINET 接口与上一层数据记录系统的连接而言,系统调试工作非常简单。这在连接应变传感器方面尤其如此,因为不需要代表 EnDat 2.2 进行单独调试。

ESR 系列应变传感器
ESR 系列应变传感器

哪些软件功能可用于评估 ESR 数据?

Matthias Finke:我们认为自己是这个应用领域的传感器和系统供应商。我们提供可扩展的解决方案,它包含了从 ESR 应变传感器到 EMS 应变测量系统的多个单独应用。如果全部使用 ESR 系列,可以完全访问每个传感器的测量原始数据,而 EMS 加上风机上安装的硬件组件可以提供数据真实性和监测功能以及校准和计算弯矩的功能。C++ 函数库 ESR eXtended 非常适合用于这种可扩展解决方案。我们为 TwinCAT 3 软件免费提供这个库。ESR eXtended 既支持串联应用的系统控制,也支持频繁变化的测量活动。时间同步性、信号可靠性和系统可维护性与传感器信号和所生成的信息相关,对于在系统控制中的使用有决定性的影响。ESR eXtended 通过以下功能为此提供支持:完全集成在 PLC 项目中,包括所有的任务类别,评估传感器的自我诊断,在线检验测量值的真实性和自动导入传感器中集成的数字铭牌。测量项目中的集成、可重复性和简单的文档编制等因素对于在测量活动中的使用尤为重要。任务类别集成的测量值查询,包括同步的时间戳,在这里也有帮助。

TwinCAT 的哪些功能对你们特别有利?

Matthias Finke:我们使用 TwinCAT 3 作为开发环境创建 ESR eXtended。尤其是通过 TwinCAT 3 还可以为我们的功能库提供一个数字签名,确保为用户提供高品质和可追溯性。另一个切实的好处是,它可以集成在被广泛运用的 Visual Studio® 工具中,简化熟悉过程。TwinCAT 对 C++ 的支持同样也简化了功能库的实施工作。

总体来说,倍福基于 PC 的控制技术为你们带来了哪些优势?

Matthias Finke:在这里,基于 PC 的控制技术具备的良好开放性最为重要。例如,这意味着即使没有 TwinCAT 开发环境也可以访问硬件,从而能够更轻松地修改基本设置或访问诊断功能。此外,它还为创建图形可视化提供最佳支持,因为在这里可以使用人们熟悉的开发工具。从风机制造商的角度来看,基于 PC 的控制技术允许在系统控制中直接集成状态监测功能。这非常有必要,因为处理器密集型算法经常被用于结构监测。因此,可以构建能够监测包括发电机和风轮在内的整个传动机构的全面监测系统,它还可以与系统控制并行运行,并使用相同的硬件。

截至到目前,你们在具体的客户项目合作上有什么经验可以分享?

Matthias Finke:在现场总线网关方面,我们已经使用 ESR 应变传感器和 EnDat 2.2 接口端子模块 EL5032 完成了一些测量项目。我们与客户的每一次合作都很愉快,尤其是在快速集成和调试方面。一名使用过 TwinCAT 3 的用户只需 5 分钟就可以开始一个测量项目,其中所有关于测量值、诊断和文档编制的信息都已被记录并以数字方式处理。