Vgrajeni merilni sistem za daljinski nadzor vetrnih turbin

 

Za uporabo strojne opreme NI pri naših novih merilnih sistemih smo se odločili zato, ker se lahko z eno platformo CompactRIO povežemo z različnimi vrstami tipal, od temperature in pospeška do obremenitve ter različnimi vrstami in protokoli komunikacije, pri tem pa jo je mogoče sinhronizirati z glavnim signalom ure.

– Arnoud De Kuijper, T&M Solutions

Izziv:
Zamenjava obstoječih sistemov za nadzor na daljavo z novimi nadzornimi sistemi, ki so časovno sinhronizirani za opravljanje meritev z večjo frekvenco vzorčenja in večjo točnostjo. Sistem mora biti zanesljiv in mora imeti prilagodljivo konfiguracijo V/I-enot ter programske opreme, saj bo nameščen na oddaljenih vetrnih turbinah, kjer ni možnosti preproste zamenjave ali popravila.

Rešitev:
Razvoj programske aplikacije NI LabVIEW, ki temelji na platformi NI CompactRIO in ni namenjena samo zajemanju meritev, ampak tudi filtriranju analognih ter digitalnih signalov, dodajanju časovnih oznak, začasnemu shranjevanju podatkov za  preprečevanje izgube podatkov in prenosu podatkov v strežnik s podatkovno zbirko.

Avtorji:
Arnoud De Kuijper – T&M Solutions
F.A. Kaandorp – ECN Wind Energy


Predstavitev ECN in merilne naloge

ECN je vodilni organ in inštitut za raziskave na področju trajnostne energije, varčevanja energije ter čiste uporabe fosilnih goriv na Nizozemskem. Oddelek za vetrno energijo se ukvarja predvsem z optimizacijo vetrnih turbin in ponuja meritve lastnosti vetrnih turbin za proizvajalce ter lastnike. Merilni sistemi se uporabljajo za redne meritve, na primer donosa in obremenitev, ter za projektne meritve, ki podpirajo raziskovalne študije.

Zaradi preučevanja aerodinamike in zasnove so vetrne turbine opremljene s številnimi različnimi tipali. Ta merijo silo in tresljaje na lopaticah, zobnikih ter ležajih, poleg tega pa še temperaturo, smer veta in položaj lopatic ter gredi. Za pravilno analizo morajo biti vsi signali sinhronizirani, saj je obremenitev, izmerjena na lopatici v navpičnem položaju, drugačna kot v vodoravnem položaju.

Naš dosedanji merilni sistem po meri so razvili v našem oddelku za elektroniko in je imel fiksne zmogljivosti. Ena od njegovih omejitev je ta, da poteka vzorčenje s fiksno frekvenco 128 Hz in da ne vsebuje časovnega strežnika. Podatki se vzorčijo, digitalizirajo z 12- ali 16-bitno ločljivostjo, nato pa se iz merilnega sistema pošljejo v gostiteljski računalnik. Čas na gostiteljskem računalniku se uporabi za časovno označevanje podatkov. Za prihodnje raziskovalne projekte smo potrebovali hitrejše frekvence vzorčenja in večjo točnost.


Slika 1: Arhitektura nadzornega sistema

Sistem je sestavljen iz različnih naprav (slika 1). Ena ali dve merilni enoti sta nameščeni v pestu lopatice (vrteči se del) ali znotraj lopatic, tipala pa so pritrjena na lopatice. Druge merilne enote so nameščene v trupu vetrne turbine. Krajevni gostiteljski računalnik, ki zajema podatke o meritvah in lahko tudi nastavlja meritve, je nameščen v kleti stolpa. Krajevni gostiteljski sistem vsakih 10 minut zajame blok izmerjenih podatkov iz merilnih enot. V stolpu je nameščena tudi enota za glavni urni signal. Ta preko preprostega protokola za omrežni čas (SNTP) zagotavlja informacijo o času za vse merilne enote, da so meritve sinhronizirane na 1 ms.

Na sedežu ECN na Nizozemskem oddaljeni gostiteljski računalniški sistem ponoči zbere vse meritve in jih shrani v osrednjo podatkovno zbirko. Za vzdrževanje je mogoče v omrežje priključiti prenosnik za konfiguriranje meritev, nadzor tipal v realnem času in umerjanje tipal.

Za uporabo strojne opreme NI pri naših novih merilnih sistemih smo se odločili zato, ker se lahko z eno platformo CompactRIO povežemo z različnimi vrstami tipal, od temperature in pospeška do obremenitve ter različnimi vrstami in protokoli komunikacije, pri tem pa jo je mogoče sinhronizirati z glavnim signalom ure. Druge prednosti za nas so, da je robustna, da omogoča visoke in nizke frekvence vzorčenja ter da gre za modularen večnamenski izdelek, ki omogoča širitve in prilagoditve v prihodnosti.

Analogna tipala, digitalna tipala, omrežna tipala7

V lopaticah in prenosu so nameščena tipala ležajev. Z njimi merimo obremenitev, temperaturo, tresljaje, vrtenje in položaj (kodirniki). Naša tipala so povezana neposredno s 24-bitnimi merilnimi enotami: 6-žični merilniki obremenitve so na primer priključeni na enote za hkratne mostične meritve NI 9237. Uporabljamo tudi tipala, ki prenašajo izmerjeno vrednost po vodilu za krmilnike (CAN) ali digitalni povezavi, na primer pri kodirnikih.

Zrcaljenje meritev preprečujemo tako, da uporabljamo enote s filtri proti zrcaljenju, vse signale pa vzorčimo s frekvenco 2 kHz. Dobljene surove podatke obdelamo s 100-stopenjskim nizkopasovnim filtrom s končnim impulznim odzivom (FIR), ki odstrani frekvence nad 64 Hz, nato pa signale prevzorčimo na frekvenco vzorčenja 128 Hz. Postopek prevzorčenja uporablja algoritem 2^n (upoštevaj vsak 2./4./8./16./… vzorec), kjer lahko vrednost n upravljamo na daljavo preko konfiguracijske programske opreme.

Sinhronizacija

Vse meritve in merilne enote morajo biti strogo sinhronizirane s strežnikom SNTP, da medsebojno ne odstopajo za več kot 1 ms. V stolpu je nameščena enota za glavni urni signal, ki zagotavlja uro SNTP za naprave CompactRIO in krajevnega gostitelja.

Programska arhitektura


Slika 2: Programska arhitektura merilne enote CompactRIO in krajevnega konfiguracijskega gostitelja

Podjetje T&M Solutions, član programa National Instruments Alliance Partner, je razvilo programsko opremo v okolju LabVIEW z enotama LabVIEW Real-Time in LabVIEW FPGA. Pregled programske arhitekture je prikazan na sliki 2.

Naloge za LabVIEW FPGA

Programabilna matrika logičnih vrat (FPGA) je programirana za prepoznavanje priključenih merilnih enot. Merilne enote imajo lahko poljuben položaj, vendar je podprt le vnaprej določen niz merilnih enot. Programska oprema uporablja niz vnaprej prevedenih bitnih datotek, s katerimi so podprte različne enote in mesta. Poleg pregledovanja vhodov skrbi enota FPGA tudi za nizkopasovno filtriranje FIR in prevzorčenje podatkov, ki ga je mogoče konfigurirati ločeno za vsak kanal. S predhodno obdelavo podatkov v enoti FPGA zmanjšamo zasedenost procesorja za izvajanje v realnem času.

Naloge za LabVIEW Real-Time

Na procesorju za izvajanje v realnem času v platformi CompactRIO se vzporedno izvaja več nalog, vključno s sprejemanjem podatkov iz enote FPGA, obdelavo zahtev po podatkih iz odjemalcev, sprejemanjem konfiguracijskih nizov, sinhronizacijo časa, časovnim označevanjem, upravljanjem medpomnjenja podatkov in opozarjanjem. Vsaka od teh nalog ima svoj avtomat, ki glede na svojo funkcijo skrbi za inicializacijo, zagon, ustavitev, nalaganje in shranjevanje. Izvaja se tudi nadzorni podprogram, ki nadzoruje vsa opravila in jih po potrebi zažene znova.

Bloki z merilnimi podatki za 1 s se iz enote FPGA pridobivajo s prenosi DMA, nato pa se pretvorijo v tehnične enote, umerijo in časovno označijo. Ker so sistemi CompactRIO razdeljeni po vetrni turbini, jih je treba zaradi koreliranja podatkov sinhronizirati na 1 ms, kar poteka preko krajevnega omrežja (LAN). Časovni strežnik SNTP zagotavlja način za sinhronizacijo sistemov CompactRIO.

Gostitelj za konfiguriranje in umerjanje

V podjetju T&M Solutions so pripravili še eno aplikacijo Windows, ki je bila razvita v okolju LabVIEW in omogoča spremembe konfiguracije sistema, ko se uporabnik prijavi. S to aplikacijo se konfigurirajo enote: kanalom je mogoče določiti edinstveno ime za identifikacijo tipala skupaj z enotami, omejitvami, ojačenjem in odmikom tipala, datumom izteka veljavnosti umerjanja itd. Aplikacija ima tudi pregledovalnik v obliki osciloskopa za neposreden prikaz več kanalov v obliki grafa.


Slika 3: Gostiteljska aplikacija z grafičnim uporabniškim vmesnikom za konfiguracijo ohišja, enot, kanalov in signalov

Zaključek

V zadnjih šestih mesecih smo prvo merilno enoto preizkusili v bližnji vetrni turbini. S tem sistemom smo dobili veliko izkušenj, ki jih lahko uporabimo za naslednji sistem. Enote CompactRIO moduli zagotavljajo veliko boljše rezultate meritve v primerjavi z obstoječim sistemom. Zdaj lahko na primer podatke o obremenitvi iz 6-žičnih tipal zajemamo z ločljivostjo 24 bitov ter z višjo frekvenco vzorčenja. Veliki prednosti sta tudi modularnost in možnost širitve v prihodnosti. Pričakujemo, da bomo kmalu končali svoje zadnje preizkuse in začeli svoje sisteme na osnovi platforme CompactRIO drugega za drugim uvajati v nove projekte vetrnih elektrarn.

Informacije o avtorjih:

Arnoud De Kuijper
T&M Solutions
Meander 251
Arnhem 6825 MC
Nizozemska
Tel.: +31 (0)26 3763446
a.dekuijper@tm-solutions.nl

National Instruments,
Instrumentacija, avtomatizacija in upravljanje procesov d.o.o.
Kosovelova ulica 15, 3000 Celje, Slovenija
Tel: + 386 3 425 4200, Fax: +386 3 425 4212
E-mail: ni.slovenia@ni.com
http://slovenia.ni.com

HR, MC, BA, RS, ME: + 386 3425 4200
SLO: 080 080 844