中车青岛四方车辆所周枫：DEIF风机控制系统可靠性设计和风场收益
9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。
中车青岛四方车辆研究所有限公司技术总监周枫出席大会并发表了题为《DEIF风机控制系统可靠性设计和风场收益》的主旨演讲。以下为发言全文：
周枫：各位领导、各位在座的同仁大家下午好！非常感谢中车风电给我这个机会来介绍一下我们在控制系统可靠性设计方面做的一些工作。
刚才也介绍了我们这一块是融合的一个方式，实际上我们是和青岛的中车四方所一起在控制系统开发上做了一些工作，下面我作一下汇报。
首先，因为今天给我们的题目是和产品设计的可靠性有关系的，所以我这边也是围绕可靠性方面。一个就是在这里班门弄斧讲一下可靠性的概念和范畴，但是我不会多说，因为今天早上，应该早上是赵老师，赵老师非常详细把可靠性概念做了阐述。后面我也介绍一下我们作为合作方，青岛四方所和我们打组合项目的一些大体的情况，然后再介绍一下我们在可靠性方面的一些工作和我们产品可靠性设计的一些案例，最后简单的说一下我们通过控制系统，相对来说对整个风力发电设备，相对来说比较少的一个投入，怎么来提高整个风场的收益。
一、可靠性的概念和范畴，可靠性的定义Relability，产品是在规定条件和规定时间内，完成（或保持）规定功能的能力。三个规定在里面，规定了条件，包括环境条件，像温度、振动、湿度、盐雾。工作条件，包括工作应力、工作负荷、循环周期。规定时间，包括时间内要多少次数多少公里，另外在非工作时间，储存状态、待定状态。规定功能，哪些是故障，鼓掌有那些准备。基本上来说应该是环境越恶劣可靠性实际上是向下走的，对不同的应力其实都有不同的分析方法，在统计上都有，包括像温度这方面，振动方面和盐雾方面都有相应的一些分析方法在里面，所以这里面我不会再展开了，然后对应这些相同不同的应力情况下，通过这种实验，今天早上赵老师也在说加强生命周期的实验，来做一些检测。
对于可靠性来讲，我们也需要判断它可靠到一个什么样的等级，我们要做好一些分类，但是一般像我们在做控制系统设计，我们首先可能要考虑它是安全的，安全这个级别我们在有相应的一些方法和规范要求我们怎么做控制系统，包括规范，REC的标准，包括一些方法，所以这些都是一些安全性的考虑，再一个一些基本功能我要满足设计任务书的功能还有一些附加的功能，另外一些探据我们也主要从任务书角度来做判断。
对于我们来讲，我们判断它的可靠性，我们住是有一些可以度量的，可以量化的一些点，包括一些可靠性、故障率、故障间隔时间类似于这些，这个也是我们在最终产品做验证的时候来进行考核，是实验验证或者是通过一些统计数据的验证来做一些考核，从而对我们设计的指标做一个衡量。
二、中车四方所DEIF风电合作项目。我们在风电合作方面我们也合作一些项目，中车四方所这边，他们是技术研发和技术产业发展并举的一个发展战略，他们主要是以轨道交通行业作为核心技术为依托，致力于新能源的一些市场的开拓和技术的研发。2015年他们这边成立事业部之后就开始做一些以超级电容为主的一些产品，同时一些产品也涵盖到咱们风电的一些控制系统，在行业里也做了一些案例。
DEIF是一家丹麦的公司，我们成立于1933年，我们现在主要是做和业务板块，绿色能源是我们非常主要的业务板块，我们当然也包括船上设备和陆用的发电机设备，我们在国内主要是在上海，风能这部分我们已经有了一些比较完善的产品体系和客户，后面我也会针对我们公司的一些核心产品，包括硬件、软件、系统，来做一些介绍，我们和四方所合作主要是针对风电的控制系统开发来做一些业务，包括我们提供核心器件，然后我们一起来做一些技术、产生、软件方面的应用类的开发。
三、DEIF在可靠性方面工作，PTD开发管理系统。在产品设计方面，最初我们实际上是我们宫内内部一个发展模式，首先我们对一个产品做一个策划和一个定义，在这个策划和定义阶段，我们会把产品的需求、产品的一些问题，现在整个行业里的一些标杆产品的一些数据，设计的一些基本方案，不是一个完善的，因为最初在做策划的时候，会有一些初步的方案，还包括一个质量的一些控制计划，我们都做一个总结、提出，然后在一个我们公司内部做评估，如果认为可以为公司未来创造价值的项目，我们会进入产品设计阶段，在这个阶段里包括和设计有关的一些，和质量相关的一些问题清单，然后还包括我们做一个相关的控制计划。同时我们对可靠性要做一个分析的设计，同时我们面向产品的生命周期还有相应的设计报告，验证的改进计划，实验的方案，测试的大纲，实验的报告，我们都要在这个阶段做一个提出，为下步的工作包括整个设计和验证阶段，做好充分的准备。在这个产品设计阶段，下一步我们要考虑怎么在产品从设计，从它的图纸变成一个样品，变成一个实物，这个部分我们要进入一个过程的设计开发验证阶段，在这个阶段包括我们要做生产的一个分析工作，然后包括过程设计的一个和质量相关的一些问题清单，还包括生产的过程、流程作业指导书，还有和性能功能相关的一些测试报告。所以在我们产品设计和过程都完成之后，我们对这个产品的过程和产品的设计做一个确认和批准。这里面就要包括我们对整个性能的测试的报告，可靠性的评估报告，材料的报告，和机械相关的报告，同时对测量体系测量系统，各种各样的仪表、仪器合规性和实效性都做一些分析，所以这是我们围绕可靠性做的一个相关的工作，在这个工作里面我们有相关的一个图例，这个图例就包括像最初我们可以通过，在最初的时候，公司内部的名字叫（英文），只要你是员工或者是研发人员，或者是管理人员，你如果对产品有一个从市场的角度或者说从技术的角度讲，有一个好的点子，我们都可以通过这个功率上传到公司里面，然后我们定期的会从这些想法里面找出一些好的点子，然后最终我们来判断评估它是不是值得作为一个产品来开发下去，如果大家一致通过评审觉得它是一个好的主意，我们可以形成一个产品，后面我们通过对它的商务模式进行建模对研发范围进行界定，最终通过验证把这个产品最终落实到一个行动上去。内部我们有一个叫PTD的系统，保证产品从规划阶段到实施到最后验证阶段整套的流程，PTD另一个角度讲，其实国内前一段时间一直在提IPD的开发立冬，PTD是IPD的升级版，IPD是整个产品开发的过程，它是这个过程，然后PTD我们中文名字是技术开发的一个流程，略微有些不同。
这是我们整个PDT开发的项目，整个每个阶段都有一些详细的列表，在这个列表里面我们把它分成了6个大的步骤，我们叫六个关口，在每个关口，比如说在前期的业务建模阶段，我们要做非常多的一些评估，包括ID的背景的一些描述，包括对客户的一些描述，包括主要的哪些供应商和一些零部件的定义，一些技术和商务上，是不是有一些影响你产品开发的一些关键的点，一旦发现这些点的话，可能这个项目我们就认为它没有办法进行下去了，证明我们这个项目就会停下来，在它最初这个阶段就不会进行下去，防止大家浪费各自的资源在里面。一旦这个阶段如果大家评估下来，认为它没有问题，我们通过（英文）发现没有问题之后，我们会进入后面的阶段，对商务方面进行一个建模，我们对它市场的情况、客户的情况，包括一些基本的供应链，包括这些产品，在它仿真制造会碰到的问题，整个供应链的情况，还有我们内部资源的能力情况都会进行评估，一旦评估认为整个这个项目是可行性是可以向下执行的，我们后面就建立一个项目团队，来进入项目的实施阶段，这个项目的实施阶段包括项目的开发、项目的工程化，在工程化结束之后进行它项目的成熟阶段。在这三个阶段里面我们把它定义成项目的执行阶段，在这个阶段里面我们包括要对整个产品所有的，包括具体说就是图纸，进行设计，软件开始设计，同时在设计的过程中也要做好风险评估，然后对整个质量做好质量的一个计划，来保证整个实施的过程中是可控的，而且是可追溯的。
在这个工程阶段，我们保证它整个在过程上它是可以生产上是方便大家生产的，而且一些和生产有关的供应链的文档也是比较全的，方便整个操作进行。进入成熟阶段我们就需要把所有的和它这个产品最初的它的参数定义相关的一些验证全部把它做到，包括一些形成实验，包括一些和我们全系列的一些重要的参数和功能都要做相应的实验来证明，但是最终相应的实验做完，我们认为这个产品已经满足所有的设计要求之后，我们进入一个阶段，叫产品的推荐阶段，这个阶段我们相应的后期的产品经理进入包括销售经理进入来把产品推向市场，这是非常完善的一个公司的产品开发流程，把所有的可靠性也都是包括了这个流程里面了。从另一个角度讲，其实可靠性本身它就是一个体系，对于不同的公司来讲，它对这个体系的使用它是不一样的，像今天上午赵老师提了很多的案例是讲航空方面怎么来用，飞机方面怎么来用可靠性，对它来讲可靠性又是单独一个，独立于体系之外的一个体系来控制它的可靠性，但是对像我们做这个一些零部件的产品，特别是一些相对来说是比较成熟的产品应用项目的时候，从我们公司的角度讲，我们认为适合我们公司的方式是把可靠性容纳到质量控制的体系里，作为它其中的一个部分，在每个关口来做好控制，所以这也是我们在执行可靠性的过程中我们公司的一些体会。
在可靠性方面，刚才这张表实际上是一张整个体系流程的一张表，我们为了支持这个体系我们做了相应的公司内部相应的文件系统，来支持这个可靠性，支持质量体系，支持项目开发、产品开发等一些工作，这些工作里面它包括这个文件夹，包括在每一个关键的关口都有一个文件夹来记录它相关的一些文档，包括我们工厂测试的东西，包括我们现场测试的，包括评估，包括认证，还有包括测试设备的东西，一些情况，还有包括我们现场的100小时的测试情况，所有这些东西我们都是以相关的文件系统来支撑整个项目的开发，可靠性的推进。
同时，在验证方面公司也有非常完备的一些试验设备。这是我们公司内部的一些设备，因为这家公司是丹麦的公司，实际上它有在北欧体系，整个这个体系里相对来说比较完备的实验室，从视频实验到针对实验到IP等级的实验，温箱实验，都是比较全面的测试方案，通过这种方式我们基本上在要求的产品规格数要求的大量的性能，从机械方面、振动方面、温度方面，我们都能够在实验室里来做一些认证，如果说这个实验对温箱，比如说对这个测试柜要求比较大的话我们还会找第三方的实验室来做一些测试。
四、DEIF产品可靠性设计案例。这些案例就是我们在做可靠性设计的时候，我们这些产品都通过我们的可靠性设计来保证我们的产品在设计最终的产品出来之后，和我们的前期的一些输入是相一致的。我们公司的一些核心产品包括风电专用的控制器等。这是我们的控制器，我们现在用的都是在国内，现在也是装机很多，其中我们在做产品设计的时候提出了很多标杆性的参数，这些参数包括我们的生存温度是零下40度到85度，这个温度范围实际上是在整个行业里面和控制系统有关的最宽的温度，然后海拔我们这边设计的时候是按照4000米来做的设计，湿度的情况下我们要求是在97%的相对湿度下可以凝露，这一点非常难，如果大家熟悉这个设计，基本上很少有控制器可以承诺说我的产品可以凝露，一般的相对数是到97%，是不能凝露的，一旦凝露板子就烧掉了。然后冲击我们要求在50度，包括它的振动，我们振动的测试范围也非常宽，同时我们对电量要求直接测量690V，不需要经过变压器或者转化器再来转。包括我们操作系统，因为现在国内也在强调，我们在操作系统也是直接使用Linux作为操作系统，在开发环境里面我们提供双开发平台，Codesys可以用，cc可以用，同时保证两个系统在升级的时候不需要停机。我们基于这些来做产品的设计。这是我们在设计的时候，从电路设计，我们就提了很多和其他的常用的控制器产品不一样的地方，比如说在器件选型上，我们基本上最能少用这种集成器件的就少用，我们会使用大量的器件，比如说像照片里面有一个电杆，这个电杆体积比较大，都是我们定制的产品，这个产品能保证在相应的进来是稳定可靠不会被烧掉，这样在耐压实验或者隔离实验的时候，我们可以承受更大更高的电压。然后在间隙和EMC上我们都提出了更高的要求，在温度方面我们CPU都是定制的CPU，它的温度范围就是在刚才提的零下45到85度的，所以从这个角度来讲我们把这个产品设计出来之后，我们通过实验反过来也验证，我们的产品是稳定可靠的，所以最终我们通过现场的一些反馈的问题来看，基本上我们的故障率维持在0.8%左右，平均间隔时间MTBF是在113.75年，整个从国内我们是做国内已经做了10几年，其实每年控制器产品本身的器件还是出错很少的，这也是对我们来讲，其实这也是一个，怎么说？这是一个硬币的两面，产品可靠性高了，其实出去之后经常没有办法卖配件，所以这也是我们有时候比较头疼的地方。
在变桨系统的情况，我们的变桨驱动器，实际上我们也延续了刚才我提到的，我们设计我们控制器的一些理念，所以我们在电路选型，里面的器件选型还有电路设计，EMC方面我们都用相应的这种规格设计，然后来保证我们的产品能满足要求，一些高冲击的要求、高振动的要求。我们变桨驱动器的产品也用在了国内的一些企业里面。
另外刚才我提到的是硬件的一些产品设计，另外我们在做软件的时候，因为我们在提供我们自己的控制器产品的同时我们也提供我们的软件的方案，我们可以实现整个风机控制软件的编制，现在国内很多控制策略和控制软件也是我们做的，大家在编软件的时候碰到很多问题，有时候会有bag，有时候会把代码写错，这样我们公司开发了一个产品，我们保证所有的代码80%左右的代码都是在这个环境里开发，不需要手工再编代码，这样的话我们通过图形化的方式，把相关的控制策略，一些基本的逻辑控制都编完以后，我们通过我们这个，直接可以把图形化的代码直接生成代码，同时这些代码也可以我们直接生成它的动态链接库，这样我们这些控制策略就可以直接放到里面进行直接的仿真，保证从侧面设计到仿真之间一个比较快速的响应，同时你的代码，我们可以通过设计代码没有任何的语法错误，这样可以保障整个代码生成的效率和可靠性。其实当时我们，最初我们这个工具用在4.5的产品开发的时候，当时整个我们那时候是丹麦给他们用的这个系统，整个他们在使用这个系统之后代码的工作量基本上缩减了半年，正常他们如果写一套代码，写一套新的代码基本上在9个月左右，后来用我们这个工具以后3个月把代码做完了。
在系统方面，因为基于我们自己的产品，我们也做一些控制系统的设计，这些系统有一个最基本的原则，首先满足相关的标准，这些标准里面就包括像GL的标准，ISO、IEC的标准，今天早上也介绍了变化，这些变化我们第一时间把它研究好之后考虑它怎么在控制系统里面实现，这些标准就是保证你在一些产品，可能在实效之前就进行一些报警或者进行一些停机，因为这是一些基本的要求，同时我们还有一个标准，我们是SO的13849，这里面对安全等级还可以做一些评估，我们一般在设计的时候，风电我们都会在等级上我们至少可以达到一个D的等级。在电气设计我们是IEC60204的标准，这样保证尽量的少犯错误，从而保证基本的一些安全。在这个基础上我们通过软件的设计保证它代码不要出完成，通过功能的设计保证它功能是完备的，这样保证控制系统设计的可靠性。
然后在策略方面，我们也通过一些对于空气动力学的基理分析，在大的产能情况下，通过代码，通过控制策略的优化降低载荷，提高发电量，来给整个风电机组提高它的安全性、可靠性。同时在我们基本的一些功能实现上，我们也有一些自己的方法，我们通过一些智能的偏航和解缆的控制可以保证在风机出现扭揽的情况，我们做了算法，我们在风场做过实验，如果一个风机做实验的过程中发现，如果按传统的解缆动作，偏航动作，一年有可能会发生9次左右的偏航解缆的动用，但是我们通过算法的社可以把9次降到一次，这样我们每年的停机时间就能降低8个小时，这是我们通过现场的评估做的，同时我们在另外的一些小的算法上，在一些高风的控制上，比如说传统的方法在风速大到一定程度上会停机，对我们来讲我们会通过和这个载荷评估结合在一起，风大以后我们可以通过降融的方式让风机不停止，从而把风的范围又做一定的延长，同时在一些温度控制上，在达到一些温度限制之后我们也通过载荷的计算来确保风机安全的情况下，既能发电又能保证风机的安全。同时我们也考虑通过之前的一些，比如说一些准确的监控，对一些，我们把系统引入用叶片的监控方面，我们通过叶片三分之一处加振动传感器，来监控叶片的整个的故障情况。一种是叶片的故障，我们通过我们公司的叫能量的信号对比来发现叶片的异常，同时可以通过整个振动的分析，来判断这个叶片是不是出现结冰，我们可以在叶片结冰达到一定重量的时候提供报警。整个振动通过这个分析，实际上它主要是产生了各个阶次的模态变化，一般在叶片发生结冰的时候系统的质量发生了变化，所以我们会发现它的模态发生变化，这样我们会提前做一些预警，来给大家解决一些问题。
五、总结。实际上我们是这样，控制系统实际在整个成本的百分比里面在风机方面是占的比较小的，但是我们可以通过一些小的代价，来把整个温度的范围变得更宽，EMC的能力更强，同时故障的预警可以发现，同时保证风机的载荷更小，实现了风及小时速的提高，也就意味着发电量的提升和故障率的降低，对业主来讲业主的收益是提高的，运营的成本下降的，设备的生命延长，最终给业主创造更多的价值，谢谢大家。
（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）
