能源一直伴隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，今天，隨著 “雙碳”在全球的共識達(dá)成。發(fā)展更為高效、綠色清潔能源，是整個社會的追求。借助于先進(jìn)控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，提升能源效率，并大力發(fā)展穩(wěn)定可靠的可再生能源。

圖1-廣泛的能源領(lǐng)域應(yīng)用

作為自動化領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，貝加萊一直為能源領(lǐng)域提供專業(yè)的產(chǎn)品、技術(shù)與解決方案。在傳統(tǒng)水力發(fā)電機組勵磁調(diào)速系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）、生物質(zhì)發(fā)電有多年的積累（如圖1）。并且逐漸成為了可再生能源領(lǐng)域的先鋒軍。業(yè)務(wù)從風(fēng)力發(fā)電、光伏、潮汐與波浪能，也延伸到儲能、氫能的應(yīng)用領(lǐng)域。

貝加萊為能源領(lǐng)域開發(fā)的共性產(chǎn)品技術(shù)

在每個垂直領(lǐng)域，對于控制系統(tǒng)，都有其獨特的需求。能源系統(tǒng)對于自動化的需求是天然有著高要求，因為它的連續(xù)性生產(chǎn)需要穩(wěn)定可靠的自動控制系統(tǒng)保障。能源行業(yè)還有其自身獨特的需求，包括海裝對于船級社、高可用性設(shè)計、復(fù)雜算法、通信協(xié)作、中央管理等多個方面的需求。而貝加萊深耕其中，也針對該領(lǐng)域開發(fā)了獨特的軟硬件產(chǎn)品與技術(shù)，包括以下幾個方面：

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船級社認(rèn)證的控制系統(tǒng)

在可再生能源領(lǐng)域，如海裝風(fēng)力發(fā)電機組、潮汐與波浪能場景中。海上的鹽霧腐蝕會影響系統(tǒng)的長期有效工作。因此，系統(tǒng)須滿足這一嚴(yán)苛環(huán)境要求，并經(jīng)由船級社認(rèn)證。

圖2-貝加萊X20系統(tǒng)經(jīng)過船級社認(rèn)證

貝加萊的X20控制系統(tǒng)（如圖2），在獲得了德國勞埃德船級社（GL）的認(rèn)證后，又新增挪威船級社（DNV）、韓國船級社（KR）、勞氏船級社（LR）和美國船級社（ABS）的認(rèn)證。

X20組件中帶涂層的型號現(xiàn)在還適用于更寬的工作溫度范圍。它們甚至可以在低至-40°C的啟動溫度下安全地使用。擴大溫度范圍有利于其在冷藏設(shè)施和極地環(huán)境中使用。X20涂層模塊是電路板經(jīng)過特殊涂層處理的X20標(biāo)準(zhǔn)模塊，以此可以保護(hù)它們免受冷凝、有害氣體和其它環(huán)境因素的影響。

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冗余支持的需求

電力行業(yè)對于高可用性的需求是先天的，因為確保持續(xù)的電力供應(yīng)無論對于醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心還是商業(yè)與住宅都是非常重要的。因此，發(fā)電機組的運行必須處于高可靠的設(shè)計下。

X20CPU能夠為電力系統(tǒng)提供冗余的支撐，如圖3。

圖3-貝加萊冗余系統(tǒng)支持

這里的冗余包括了主控制器、網(wǎng)絡(luò)的冗余，其通過POWERLINK可以達(dá)到μS級的冗余性能，確保快速的切換。不僅包括X20 PLC，也包括APC系列的工業(yè)PC支持冗余，這些作為操作員站、工程師站、數(shù)據(jù)服務(wù)器站的基礎(chǔ)設(shè)施，同樣提供高可用性的服務(wù)。

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電力測量與同步專用的模塊

對于發(fā)電需要與輸配電系統(tǒng)并網(wǎng)，它需要一個測量和同步。因此，貝加萊開發(fā)了專為電力系統(tǒng)測量與并網(wǎng)同步的專業(yè)模塊，這款型號為X20CM0985的模塊被廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域的測量與并網(wǎng)。

X20CM0985的常規(guī)測量包括對線電壓、相電壓、頻率的測量（如圖4）。以及發(fā)電側(cè)相電流、電流/動態(tài)電流均值、中線電流，線電壓、相電壓、視在功率、有功/無功功率的測量。

圖4-X20CM0985-電力測量與同步模塊

該模塊最大的特點是具有同步并網(wǎng)功能，兩路同步主網(wǎng)端口可同時監(jiān)測電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機側(cè)的電壓、相位、頻率、相角差、電壓差等參數(shù)。模塊內(nèi)部可比較判斷同步條件是否具備，當(dāng)網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)的電壓幅值、相位差、頻率差滿足一定條件時，激活并網(wǎng)功能，輸出脈沖信號觸發(fā)并網(wǎng)開關(guān)，使發(fā)電機回路輸出電能饋送到電網(wǎng)上。并對熱過流、不平衡負(fù)載、短路電流、電壓不平衡、勵磁等進(jìn)行監(jiān)測。

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reACTION

每個渦輪機的一個重要測量值是轉(zhuǎn)速。相關(guān)控制器必須能夠?qū)θ魏嗡俣茸兓龀隹焖俣_的響應(yīng)。憑借1 μs的極速應(yīng)用程序響應(yīng)時間。reACTION技術(shù)被證明非常適合這類應(yīng)用，因為測量，預(yù)處理以及必要時的響應(yīng)都可以在I/O模塊中直接實現(xiàn)。

reACTION技術(shù)支持：

??極速I/O響應(yīng)

??面向低端和高端系統(tǒng)

??完全集成

??開放的IEC 61131技術(shù)

??集中的軟件管理

??分布的程序執(zhí)行

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APROL系統(tǒng)

圖5-APROL DCS系統(tǒng)架構(gòu)

APROL是一個建構(gòu)在SUSE-Linux平臺的DCS系統(tǒng)（如圖5），它融合了DCS在控制算法、模型預(yù)測、先進(jìn)過程控制等方面的能力外。并連接開放的數(shù)據(jù)庫、Web發(fā)布系統(tǒng)、報表、趨勢分析、智能算法的集成。APROL可以為發(fā)電機組提供整個機組單機控制，以及由多個機組構(gòu)成的電場，包括像風(fēng)力發(fā)電、光伏電站、沼氣發(fā)電/燃?xì)廨啓C機組群構(gòu)成的電場。

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數(shù)字化的能力

除了能源電力所需的硬件軟件平臺，貝加萊還在數(shù)字化，包括對于IEC61850規(guī)約、IEC104規(guī)約、OPC UA通信架構(gòu)、云平臺、MQTT等通信與數(shù)字連接、分析工具軟件的支持。也使得貝加萊可以在數(shù)字時代更好的讓能源系統(tǒng)實現(xiàn)集成。基于Hypervisor+exOS的進(jìn)行IT的大數(shù)據(jù)采集與基于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析，實時分析，基于人工智能的優(yōu)化參數(shù)下發(fā)給PLC。實現(xiàn)一個工控機，實時控制+IT數(shù)據(jù)智能分析的同時運行。

貝加萊能源行業(yè)解決方案

分布式能源，包括采用活塞式機組、燃?xì)廨啓C（Gas Turbine）、沼氣（Biogas）組成的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）。CHP可以將能源利用效率提升至60%甚至以上。在船舶、醫(yī)院、園區(qū)等需要提供電力及制冷/熱需要的區(qū)域，采用活塞式/燃?xì)廨啓C控制的機組構(gòu)成了獨立的系統(tǒng)。

圖6-針對燃?xì)廨啓C組的單機控制系統(tǒng)

如圖6所示，貝加萊為CHP提供了完整的控制系統(tǒng)：

??發(fā)動機管理，包括機器的狀態(tài)、策略、趨勢、報警等；

??電力測量、同步與保護(hù)：如前所述，X20CM0985確保這個任務(wù)的完成；

??各種采樣，除了電力采樣，也包括機組的轉(zhuǎn)速、振動、進(jìn)出口溫度、腔室壓力等關(guān)鍵參數(shù)；

??借助于SiteManager，機組可以被遠(yuǎn)程監(jiān)測，提供快速的服務(wù)。

圖7-來自MTU的機組配備貝加萊控制系統(tǒng)。

在全球知名的燃?xì)廨啓C機組制造商MTU Onsite Energy（如圖7），它的機組可以采用天然氣、沼氣等發(fā)電。機組從120kW-2.5MW。貝加萊提供的機組控制可以直接安裝于機體，提供電力測量與保護(hù)。

沼氣發(fā)電

來自德國的Agrikomp是知名的生物氣體發(fā)電站運營公司。目前已經(jīng)運行了大約800個沼氣電站，如圖8。

他們采用了貝加萊的APROL作為管理整個發(fā)電機組和電廠的系統(tǒng)。

APROL可以管理各種I/O、第三方儀表與分析儀器、執(zhí)行機構(gòu)，支持HART、FF等協(xié)議。

APROL為機組及整廠提供工程組態(tài)、控制算法、連接、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的完整DCS能力。

圖8-沼氣發(fā)電機組

潮汐與波浪能發(fā)電

采用潮汐渦輪機（Tidal Turbine）發(fā)電也正在興起，在漲潮時蓄水，退潮利用這個水的勢能驅(qū)動水輪機組發(fā)電，如圖9。

由于潮汐發(fā)電需要工作在海岸線，因此，其對于控制系統(tǒng)的耐腐蝕性有著嚴(yán)格的要求。另一方面，考慮到系統(tǒng)的高可靠運行，同樣也需要在系統(tǒng)里支持冗余技術(shù)。

ANDRITZ采用貝加萊系統(tǒng)，在蘇格蘭建設(shè)了一個潮汐發(fā)電站。項目1期采用了3組1.5MW的潮汐發(fā)電機組。這個項目自2017年投入運用，一直處于“免服務(wù)運行”，即使出現(xiàn)模塊失效。采用控制器、總線、傳感器冗余/共享機制的系統(tǒng)，確保了它的高可靠性運行。

圖9-潮汐發(fā)電機組運行現(xiàn)場

圖10為貝加萊的冗余架構(gòu)，可以支持在I/O、電源、控制器幾個方面的冗余。

圖10-X20的冗余控制系統(tǒng)支撐潮汐發(fā)電機組運行

當(dāng)然，前面所述的電力采樣與同步、船級社認(rèn)證的控制系統(tǒng)，同樣適用于潮汐發(fā)電機組及其管理。

而另一種發(fā)電模式為波浪能，來自Pelamis的波浪能發(fā)電，采用了180米長，4米直徑，1350噸的蛇形波浪發(fā)電機組。它可以提供750kW的發(fā)電能力，如圖11。

PELAMIS通過自己開發(fā)的POWERLINK從站控制著液壓單元。

這個機組可以支持非常高可靠的運行，由帶有總線冗余的控制站連接。獨立的單元連接到中控室。

它的設(shè)計使得這個機組在系統(tǒng)故障時，仍然處于可靠運行狀態(tài)。

圖11-波浪能發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源，一直處于快速的發(fā)展中。最近幾年，?；娘L(fēng)力發(fā)電機組成為了關(guān)注的重點領(lǐng)域。

風(fēng)力發(fā)電機組對于控制系統(tǒng)有嚴(yán)格的環(huán)境需求。它需要進(jìn)行高低溫HALT測試，以確保其在低溫環(huán)境（如零下40℃）下依然可以運行。而另一方面，海裝設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)也要通過船級社的認(rèn)證—如前所述，X20系列的PLC都已經(jīng)獲得了全球主要的船級社認(rèn)證。

圖12-貝加萊海裝風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)

功能安全系統(tǒng)

在風(fēng)力發(fā)電機組上，功能安全需要確保機組和人員的安全，它需要達(dá)到IEC61508的SIL3安全等級認(rèn)證，以確保機組在“風(fēng)速超速”、“通信中斷”、“急停動作”等各種危險情況下的設(shè)備及人員安全，如圖13位功能安全模塊。

圖13-功能安全產(chǎn)品

貝加萊有著完整的功能安全系統(tǒng)，包括SafeLOGIC，它提供安全邏輯的控制，它可以支持?jǐn)?shù)字量/模擬量的安全信號采樣。openSAFETY確保安全的通信連接，對于通信中潛在的數(shù)據(jù)丟包、失真、差值等進(jìn)行處理。而SafeDesigner-為安全系統(tǒng)設(shè)計提供經(jīng)過認(rèn)證的工具與軟件模塊。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，貝加萊的功能安全系統(tǒng)保障重值資產(chǎn)和人員的安全。

光伏發(fā)電

光伏發(fā)電正在成為新能源的主力軍，而光伏本身的生產(chǎn)屬于長流程制造業(yè)。貝加萊在光伏領(lǐng)域更多聚焦在光伏電池制造環(huán)節(jié)。從單晶硅爐拉制、開方切片、制絨/清洗、擴散、PECVD、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)到組件的組裝。光伏涵蓋了眾多的設(shè)備制造。

光伏領(lǐng)域隨著鈍化工藝從鋁背場、PERC、HJT、TOPcon，以及組件技術(shù)的BC、IBC等，不斷的提升著其發(fā)電效率。而更大、更薄的晶片等技術(shù)的進(jìn)步，使得光伏制造的均量化度電成本（LCOE）持續(xù)下降。今天，光伏領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了較高的經(jīng)濟性，使得其在各個能源競爭中得以處在領(lǐng)先地位。

貝加萊自2008年在中國進(jìn)入光伏設(shè)備領(lǐng)域，借助于智能溫控在單晶爐/擴散/PECVD領(lǐng)域、張力控制技術(shù)在多線切割領(lǐng)域的應(yīng)用，也獲得了該領(lǐng)域業(yè)務(wù)的長足進(jìn)步。

圖14-光伏發(fā)電場

圖15-單晶爐結(jié)構(gòu)簡圖

圖16-單晶爐控制系統(tǒng)功能設(shè)計

在光伏拉單晶的過程中（如圖15），需要有穩(wěn)定的溫度梯度控制，以確保長晶工藝過程的一致性。而在這個過程中對于晶體直徑、重量的控制，也使得晶棒良好的生長，為后續(xù)加工提供可靠的品質(zhì)保障?？紤]到長晶過程的能耗，需要對溫度進(jìn)行有策略的控制，以避免不必要的能源消耗，以及內(nèi)耗造成的損耗，圖16是該系統(tǒng)的一些功能設(shè)計。

圖17-PECVD設(shè)備控制

對于如圖17的PECVD設(shè)備而言，它需要根據(jù)不同的配方提供不同的溫度、壓力控制，以獲得最佳品質(zhì)。溫度的控制主要聚焦在如何提供溫度的穩(wěn)定性、斜變能力。氣體壓力高精度閉環(huán)，以及在電池的處理中配方的管理。針對不同的晶圓提供不同的沉積材料和工藝的控制。

除此之外，貝加萊在光伏切片、激光焊接、電池的電路測試、電場的監(jiān)測也同樣有著應(yīng)用。

除了以上，貝加萊也在新興的儲能、制氫、燃料電池領(lǐng)域的生產(chǎn)，開始發(fā)力，在后續(xù)將針對鋰電儲能、制氫等進(jìn)行應(yīng)用方案的專題介紹。