海润科特杨明：先进传感器在分散式风电的创新发展

2018年10月17日-19日，2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。本次大会由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办。

“分散式风电开发技术论坛”于10月19日上午召开。北京海润科特自动化技术有限公司总经理杨明出席本论坛并作主旨发言。

以下为演讲实录：

大家上午好，很荣幸在这儿有机会跟大家分享传感器的信息，传感器的创新很难，技术要求高，同时价格又相对低廉，以小众市场为例更难，以风电为例，近十年也少有创新的产品出现，国内的传感器大部分是仿制，产品基本固化，也缺乏创新的动力和基础。

其实人的五官也是传感器，在人类的进化过程中，大自然赋予人类个基本的功能，就是多感官的信息融合，人类本能将各个感官获得的信息，眼睛、视觉、听觉与以往获得的经验知识一起进行综合的能力，以便实时的对事物做出正确合理的判断，从而提高生存能力。

传感器现在也是有很长的时间了，现在我就简单介绍一下传感器在创新发展上有哪些变化。最早的传感器主要是基于物理知识，现在的传感器需要很好的数学能力才能做好高质量的传感器，这里面有很多算法，之前的传感器主要是硬件组成的，现在因为有微处理器、智能传统器的加入，它软件提升了传感器的性能，增加了传感器的功能，实现了硬件难以实现的功能，这也是一个非常重要的变化，这个也是智能传感器最基本的要微处理器，电脑的加入。另外大家也谈数字化、网络化、智能化，从传感器来说，最起码传输是01数字信号，这也是PRC所读取的信号，另外你想实现智能化，双方要有信息的交会，所以应该是基于网络化的，这是基本的条件，具体到风电行业，我个人的理解有三种技术值得关注。第一个是MEMS，就是微系统，另一个就是超声波的技术，也是在风速测量上比较成熟的技术，另外就是现在比较热的激光雷达技术，现在大家都在讲第四次产业革命或者工业革命，这里很重要的标志是什么？就是智能，这个智能就是数据驱动智能，为什么在之前机器时代，机械是最重要的，但是现在到了智能时代，数据是最重要的，所以在国内外也把数据形容成新的石油，或者是新的生产资料最重要的生产资料，也是这个原因，这也是人类认识事物、改造世界发展的变化，在越来越多的领域，知识的基础是从海外数据提取出来，人们不再证明事实规律，而只是观察规律的表现，这是很重要方法论的改变，这也是大数据到人工智能产生的原因。

这个大家很熟悉，一个爱迪生发明的电灯，一个乔布斯发明的智能手机，这两大发明都是极大的推动了人类的文明进程，这两个发明有一个共同点，都是创造了新的需求，希望未来用风能这些清洁能源照亮地球。

他山之石可以攻玉，在外形没有发生变化的情况下创新主要来自哪里，第一个就是钥匙，从遥控的钥匙到感应的钥匙，到现在最新触摸屏的钥匙，它可以观察我们这个车的状态，剩余油量、行驶里程，甚至车窗没有关闭的情况下，还可以远距离把车窗关闭了，这个可以给客户带来很好的体验，因为客户还是可以为体验付费的。汽车现在有一个最大的变化，向智能平台的演变，有的把它形容物联网的入口，而且这个创新很多也是来自电子信息领域，增加安全性和客户的体验，包括刚才说的智能钥匙，还有最新的一款车增加了眼球追踪摄像头，因为摄像头本身也是传感器，能够保证安全驾驶。另外一个现在也是很热，未来能改变人类生活方式，交通出行方式自动驾驶汽车，在这一块，可以说传感器是至关重要的，甚至可以说是极其核心的，咱们的发动机，不论是电池驱动还是燃油驱动，这些早已经实现了，但是可靠性、安全性还不能达到安全的要求。

接下来会具体的介绍风电传感器的创新，这些创新来自于四个或作合办，分别是德国TWK公司，包括德国的MESA，还有丹麦的POLYTECH，还有SOER。这个大家都很熟悉，第一个介绍就是扭缆传感器，几乎每个风机上都必须要必备的，最左边是传统的机械式的扭缆传感器，右面这个就是数字式的扭缆传感器，这两个一对比，差别是显而易见的，这里边很明显从电路板看出有微处理器，包括数字化的接口，而且包括陀轮程度、用户都是可以自用定制，左边看的图，我们认为塑料就是限定这个位置，但是经过反复的扭转之后，包括振动的环境，它的陀轮有没有磨损，人都是没办法知道的，所以这是很重要的问题，包括另外能很重要要有自检测的能力。

在这个基础上技术还是不断演进的，这是新的检测原理，大家知道检测位置一般原理就是光学的，或者说霍尔的原理，这是管个巨磁阻的效应，这个是2007年，法国和德国的科学家发现了这个效应，同时获得了诺贝尔物理学奖，从时间跨度也是比较近的，诺贝尔物理学奖也是非常权威的。

这个也是风机上一个常用的振动传感器，我们知道最早的风机很小的时候，在丹麦产生的时候，它的保护可能就是做了一个摆锤，如果发生振动，钢球就会掉下来，如果掉下来，人就会上去维护，到最后发展到振动开关，中间的过程也是完全不知道的，这个在2000年左右，也是有个最新的数字式的振动传感器，然后把这些功能就取代了。现在咱们可以看到，最右面这个就是MEMS振动传感器系统，安全传感器，振动安全传感器里边还设置了两套冗余的传感芯片，但是它的体积比原有的大大的减小了，安全传感器有几个最重要的问题，它有安全参数，这是不同于普通产品最明显的特征，包括类别、安全等级、供应失效，它把安全链平均无故障时间和诊断率做一个区分。另外作为安全产品，自身怎么样也是很追求的，所以这西边也必须定使用寿命，我们这个可持续工作时间20年，这是完整的安全传感器必须具备基本的一些条件。

刚才介绍了振动传感器，最早是加速度，X方向、Y方面的值，现在风机塔筒越来越高，带来它的固有频率的降低，直线低频响应只能到0.14赫兹，现在我们可以看出0.05赫兹，另外在功能上，要求一些算法载荷越来越多、越来越复杂，而且风机只是关注机舱的振动，塔筒作为一个支撑结构，它什么情况我们不知道，简单的方法就是监测它的固有频率变化，还有风机的机舱，机舱的位移和载荷是有方法的，功能上要进一步延伸。

另外大家也都知道，分散式风电最重要的就是安全，因为安全为什么那么重要？分散式风电就接近生活的人群了，如果发现倒塔、叶片坠落的事故就会产生林地效应，周围的居民就不会支持这个项目，而且不是一个项目的问题，会影响到周边甚至更广阔的地区，人在安全方面的关注也是不断变化的，从最早的宿命论、经验论，逐渐随着高技术的发展到本质论，所有事物都是可以预防和避免的，安全首先依赖的是技术，这个是大大的推进了人类征服意外事故的手段和方法，从安全效益的金字塔来说，一分的设计安全相当于10倍的制造安全，一千倍的应用安全，所以我们讲安全生产、安全生产，要从源头，这也是最重要的理念，预防为主，在设计端把这些问题考虑到，我们看到右面的图是航空飞机，航空怎么达到这个安全，它实际上是把所有历次航空的事故可能都进行了总结，汲取了教训，然后在接下来的设计中把它给避免了，所以才能达到现在高的可靠性、安全性。因为飞机大家都知道，你要想这个飞机商用飞行必须取得试航证，最权威就是欧洲和美国的试航证，这个能给客户带来一个什么样的价值？就是认证产品在正常情况或者是故障存在的情况，它的安全功能都能得到正常的实施，这是它的最大的特点。

简单过一下安全传感器认证的结构，首先它有两套传感新编，在一个微处理器里进行比较和逻辑判断，最重要最后输出的一定是一个正确的信号。我也是没有引用风机的图片，这也是工程机械的图片，大家能够看到机械安全可能产生的危险。实现功能安全有两种方式，第一种比如说测风仪，以前用最多的，机舱上为什么放两套，这里边两套的目的就是进行数据比较，要判断，如果相差过大容易有错误，会采取后面相应的控制策略。如果是达到了性能等级的安全产品，一个就够了，就不需要做冗余，因为里边有判断，有校验，就是正确的信号，可以直接拿来使用，这就是优点。这个就是象征安全与保证，TOV的安全认证方面，另外可以迅速的诊断错误，减少停机时间。大家都知道现在都谈生命周期，因为我们的风机不可能去实际验证20年或25年，这里边就要有风险评估，风险评估延伸到以控制中的安全，引用这个标准就是ISO13849的标准，这个国际标准也是确保安全有效的工具。另外就是最新的IEC61400-1第四版标准，是风机的主标准，已经可以到应用的层面，它的修订的依据也是依照的ISO13849的标准，这也是它修订的依据。

另外这块也是一个创新的传感器，叫轮毂传感器，我们知道要测量叶轮的速度，就是叶片转子的速度，我们之前常用的方法接近开关，或者是用编码器，这两个问题都是有磨损的，包括编码器的故障率在风电里面，到现在为止还是比较高效的电器元件，我们采用的是用陀螺仪的传感器，用创新的算法，把叶片转子的速度和位置两个都可以知道。这块是叶片的传感器，加速度、频率，安装位置，考虑到雷击，包括它的可靠性要非常高。在正常的倾角传感器也是增加了陀螺仪的传感器，减少误差。雷电最早传感器的基本技术，只能够制造最大值，然后我们有可能触发，不能量化这些关键参数，现在可以用四个关键次数，比能、电荷含量，包括最大上升时间一次累计事件，这是现场安装的图片包括数据的读取。

另外分散式风电主要位于中东南地区，这是全球风雪的地区，在交界就是冷空气和暖湿空气的地方，中东南地区恰恰是风险最高的区域，无论是湖南、湖北、江西、贵州重庆等等，所以结冰也是非常重要的问题。

带来的问题，比如在安全、破冰也是很重要的隐患，我们这个传感器创新在哪儿？第一个是两步法的测量，因为之前传感器都是一步法测量，用结冰传感器来判断，我们是两步，一个剔向结冰，一个传感器传感器，这样能够提升效率，最少结冰厚度可以到0.1毫米，这是系统的构成。

因为有的带除冰方案，有的没有带除冰方案，我们要知道什么时候结冰了，越早越好，在春节期间不可能靠人去看着它是否化冰了，这是气象的解决方案，把所有的这些元素集成了，中间也是集成了微机电系统，一个系统把所有温施压测算出来，而且计算出来空气密度，包括它也是一个高可靠性的，包括自适应、自补偿、自诊断的技术、状态监测，包括加热是多种模式，可以定义加热功率的百分比。

另外就是它的固件是可以升级的，像智能手机一样，可以持续优化和改进，延伸产品的价值，这个是ECRE的证书报告。

最后讲一下多传感器的技术融合，因为我们这块可以借鉴自动驾驶汽车，自动驾驶汽车要实现这个有激光雷达，有雷达，还有摄像头，我们在风电这块也是这样的，因为激光雷达是一个比较新的产品，现在看外形体型比较大。现在数据已经是重要资产的情况下，这个价值希望得到行业的重视，谢谢大家的聆听。