基于LabVIEW的風機偏航數據采集系統

宋利宇，王明，李冰

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，內蒙古 赤峰 024000；2.華北電力大學科技學院，河北 保定 071003）

0 引言

近年來，隨著世界經濟的持續發展，能源危機與環境危機日益困擾著人類的生活和生產，風能作為一種可再生的清潔能源，越來越得到世界各國的重視[1]。偏航系統是水平軸式風力發電機組必不可少的系統組成之一。偏航系統與風力發電機組的控制系統相互配合，使風力發電機組的風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高風力發電機組的發電效率；并提供必要的鎖緊力矩，保障風力發電機組的安全運行[2]。在風力發電機中，偏航系統間歇啟動比較頻繁，傳送扭矩較大，傳動比高。因此，在運行過程中，偏航系統經常會出現鍵齒斷裂、軸斷裂、輸出軸鍵槽變形等故障。以某風力發電場為例，該電廠使用的風力機為維斯塔斯V-80的風力機，在發電過程中多機多次發生鍵齒斷裂故障，造成了比較大的經濟損失。為此，需對造成故障的原因進行分析并改進，避免類似事故的再次發生。

大型風電場都安裝有SCADA（Supervisory control and Data Acquisition，SCADA）系統，但該系統只是實現了關鍵部位及信號的監測。隨著風力發電技術的發展和風電場對運行可靠性要求的不斷提高，風電場迫切需要增加對風力機偏航系統的監測，為分析偏航系統產生故障時的系統運行狀況提供依據[3]。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發的圖形化開發環境，它作為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，具有智能化程度高、處理能力強等特點，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受。偏航裝置數據采集系統的上位機程序應用LabVIEW2012軟件進行開發，通過網絡接口實現與數據采集器的通信。系統執行效率高、數據接收可靠，擴展性和可維護性都比較強[4,5]。

1 系統總體結構

數據采集分析系統主要由上位機、數據采集器和傳感器等組成，結構框圖如圖1所示。LabVIEW編寫的數據采集分析程序在上位機運行，上位機通過以太網卡與數據采集器連接并按照網絡協議進行通信，上位機程序控制數據采集器進行信號的采集與數據傳輸，并對傳輸來的數據進行顯示、存儲以及時域、頻域的分析處理等[6]。數據采集器用于將傳感器采集到的數據傳送至上位機，需要測量的參數主要包括偏航電機電流/電壓、偏航機構滑板壓力、偏航爪振動、偏航噪聲、偏航速率等。將傳感器/變送器安裝在機艙內部相關位置，傳感器的輸出信號經過變送器轉換為4-20mA的標準電流信號后送入數據采集器，再經過以太網接口送至上位機。

2 系統硬件設計

數據采集系統的硬件主要包括安裝有LabVIEW2012軟件的工控一體機、數據采集器和傳感器等。其中數據采集器采用的是中泰研創公司的EM-9636B以太網數據采集器，采用了ARM9處理器和FPGA關鍵技術，CPU主頻可達400MHz，128MB DDR2 SDRAM內存，內嵌實時嵌入式操作系統，通過10/100以太網控制器與上位機進行實時通信。信號輸入采用光電隔離技術，增強了采集模塊的抗干擾能力；16位A/D分辨率、單端32路模擬信號輸入；其輸入信號可為0～5V、0～10V、±5V、±10V、4~20mA等，本系統采用4-20mA的電流信號。電壓傳感器、電流傳感器、三向加速度傳感器、壓力傳感器、聲級計、偏航角傳感器等根據需要選擇合適型號。

3 數據采集系統的軟件設計

上位機LabVIEW程序主要實現三個功能[7]，一是實現圖形化人機界面，方便用戶實時觀測偏航裝置運行狀況，并進行人機交互操作；二是通過設計以太網通信程序，實現上位機與數據采集器進行控制命令與數據的傳輸；三是上位機軟件可以實現并對采集到的數據進行曲線顯示、存儲及數據分析等功能。

3.1 LabVIEW前面板程序設計

利用LabVIEW設計的運行界面（前面板）如圖2所示。運行界面通過選項卡來實現功能選擇的切換，主要包括與數據采集器的連接與斷開、數據采集啟動與停止、網絡接口參數配置、A/D采樣參數配置、實時曲線顯示、數據分析等，其中網絡接口參數配置主要包括數據采集器IP地址設置、以太網端口選擇等；A/D采樣參數配置主要包括通道選擇、采樣頻率設置、采樣信號選擇、單端與差分選擇等。

3.2 LabVIEW后臺程序設計

在LabVIEW圖形人機界面前面板的程序設計基礎上，LabVIEW后臺程序需完成上位機與數據采集器進行TCP通信、數據傳輸、數據保存、數據分析等功能。在LabVIEW后臺中，將信號處理所需要的功能封裝為子VI，用戶利用信號處理子VI函數實現所需功能。

1）LabVIEW與數據采集器的TCP數據傳輸

由于工控一體機的體積緊湊，無法直接在工控機內部安裝采集卡，因為采用外置數據采集器，通過網絡接口實現數據的傳輸。因此需要在LabVIEW后面板程序實現上位機與數據采集器的TCP通信及數據傳輸[8]。設計上采用服務器/客戶端通信模式，上位機工作于服務器模式，實現數據接收及相關后續處理；數據采集器工作于客戶端模式，用于實現數據傳送。服務器工作時，首先打開TCP連接接收客戶端連接請求，建立連接后，接收客戶端發來的采集數據（電壓、電流、三向加速度、壓力等）。建立TCP連接實現程序如圖3所示。

圖1 偏航系統數據采集系統框圖Fig.1 The yaw system diagram of the data acquisition system

圖2 數據采集系統界面Fig.2 Data acquisition system interface

圖3 建立TCP連接Fig.3 To establish a TCP connection

2）數據保存

為了能夠實現對偏航系統運行狀況進行分析，需要對采集到的數據進行保存以便在偏航系統出現故障時進行分析。由于偏航系統只有在風向發生變化時才會運行，如果對采集到的數據進行不間斷連續保存，會將偏航系統未運行時的數據保存到數據存儲文件中，既占用了寶貴的存儲空間同時該部分數據對于系統分析沒有意義，因此對于數據保存設置為偏航系統每次運行時開始保存數據，當本次偏航結束后停止保存數據，并以開始記錄時間作為該次數據存儲的文件名。數據存儲采用TDMS文件存儲，TDMS文件是NI公司近年來首推的工程師和技術工作人員使用的測試測量數據存儲格式[9]。TDMS文件采用二進制數據格式，占用磁盤空間小，且支持數據流高速寫盤。同時，TDMS文件中還內建了有關采集例如文件、通道組、通道的相關屬性信息，有助于數據的準確分類和有效檢索。偏航系統運行數據保存部分程序如圖4所示。數據存儲過程如下：當偏航系統開始運行時，首先建立一個TDMS文件并以當前時刻命名，讀取的數據通過寫TDMS模塊將數據存儲到硬盤上，當偏航系統運行結束后，本次數據存儲結束，調用TDMS關閉模塊關閉數據文件。

圖4 偏航系統數據采集自動保存Fig.4 The yaw system data acquisition automatically saved

圖5 數據采集曲線實時顯示Fig.5 Data acquisition curve real-time display

3） 數據回放與分析

數據回放是為了使用戶在進行采集存儲結束后，對偏航系統運行情況進行重新觀察和深入分析以及在偏航系統發生故障時用于對故障原因進行分析。數據回放功能程序通過打開對應的數據存盤文件，由于數據是按照帶索引的二進制TDMS文件形式存放于硬盤中，因此在進行數據回放時，回放程序根據數據中數組元素所對應的采樣時刻及采樣間隔，從第一個元素或用戶指定時間點所對應的時刻開始回放數據波形，直到最后一個數據或用戶指定結束時間點。

數據分析可采用離線分析方式，從二進制TDMS文件中將數據導入后，可根據需要進行幅度相位譜和功率譜等分析，為操作人員對偏航裝置運行狀況提供參考。

4 系統測試與實驗

本系統應用方案主要應用于對風電機組偏航系統運行狀態的監測，其目的是為操作人員在分析不同風力、風向時偏航系統運行狀態以及在偏航系統出現故障時為分析故障原因提供數據支持。通過在實驗室對偏航實驗裝置進行實驗，對偏航實驗過程數據進行采集與監測，結果表明：系統能較好的實現對各項數據進行采集及運行狀態的監測。通過控制器控制偏航電機啟動與停止，偏航電機運行時可自動建立數據存儲文件并存儲數據，停止時結束數據存儲。采集時的部分數據曲線如圖5所示。

5 結論

本文所設計的風力發電偏航裝置數據采集監測系統，使用LabVIEW編程開發環境進行系統的設計、測試，通過實驗證明，能夠有效地完成信號的采集、自動保存、歷史數據查詢等功能，在對多臺風電機組進行監測時可以減少系統的開發時間、降低成本。本系統上位機與數據采集器之間采用以太網通信的方式，即插即用，應用方便。整個系統體積小，可根據需要隨時安裝于需要進行監測的風電機組偏航裝置中完成信號采集、存儲及狀態監測，具有較強的實用性。

[1]Zhang Haitao,Gao Jinhong,Wu Guoxin,etc.,Antcolony optimization appliedinthefault detection of wind power[J].Renewable Energy Resources,2013.11,31(11):48-55.

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[3]王之華,王志新.大型風力發電機組狀態監測與控制技術研究[J].機電一體化,2008.

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