機(jī)電裝備健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗平臺設(shè)計

吳國新，徐小力，谷玉海，左云波

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100192）

0 引言

對大型機(jī)電裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警診斷技術(shù)研究是保障其可靠健康運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是典型的大型機(jī)電裝備，而其運(yùn)行環(huán)境往往處于邊遠(yuǎn)山區(qū)、沼澤、海島、風(fēng)口等人跡較少地區(qū)，因本身裝備的機(jī)械運(yùn)行故障發(fā)生事故導(dǎo)致重大財產(chǎn)損失時有發(fā)生，嚴(yán)重的安全事故甚至造成風(fēng)場大面積風(fēng)機(jī)停機(jī)整頓檢查，給國家的財產(chǎn)、人民的生命安全造成極大影響。目前，雙饋式水平軸類的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在整個風(fēng)電場中占據(jù)主流地位。該類型機(jī)電裝備安全事故絕大部分由葉片、增速齒輪箱等核心傳動機(jī)械部件產(chǎn)生故障造成。尤其是增速齒輪箱故障，在該部分故障中又占到主要原因。

針對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及健康預(yù)警的研究逐年增多，絕大部分研究往往采用新技術(shù)新方法，從科學(xué)理論層面入手。但在獲取現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)方面，還需要相關(guān)專業(yè)人員及風(fēng)電運(yùn)行企業(yè)配合，才能得到具體信息數(shù)據(jù)開展理論分析驗證工作。

提供一種技術(shù)可行的機(jī)電裝備健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗平臺架構(gòu)設(shè)計方案，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)特性，構(gòu)建動態(tài)實(shí)驗平臺，為理論研究提供必要的實(shí)驗基礎(chǔ)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗平臺系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動系統(tǒng)模擬實(shí)驗臺、動特性信號獲取傳感及數(shù)據(jù)采集裝置以及實(shí)驗臺運(yùn)行狀態(tài)健康監(jiān)測預(yù)警診斷系統(tǒng)，利用傳感單元進(jìn)行實(shí)驗臺振動、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等信號獲取是建立運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)測與預(yù)警診斷的首要任務(wù)。接著利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器信號，對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及預(yù)處理。本實(shí)驗平臺系統(tǒng)用到的狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)測與預(yù)警診斷軟件是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件V2.0。

1 功能模塊構(gòu)建

機(jī)電裝備健康監(jiān)測預(yù)警診斷的風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動系統(tǒng)能夠真實(shí)的模擬實(shí)際情況下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行速度和各種故障，包括軸承、轉(zhuǎn)子與齒輪箱故障燈。實(shí)驗平臺包含電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、增速齒輪箱、控制柜和整套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：電動機(jī)是模擬風(fēng)場風(fēng)力對低速軸的帶動作用，可以模擬風(fēng)機(jī)每分鐘十幾轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速要求；發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；齒輪箱是按照實(shí)際齒輪箱進(jìn)行一定比例設(shè)計，可以完成風(fēng)電機(jī)組中增速的要求；控制柜可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、緊急剎車等控制要求。

風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)振動實(shí)驗平臺主要用于模擬真實(shí)情況中風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和電氣控制等，可以滿足狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷實(shí)驗的要求。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的需求分析，風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動健康監(jiān)測預(yù)警診斷主要包括信號采集、狀態(tài)監(jiān)測及顯示、故障診斷、數(shù)據(jù)管理等。

1.1 信號采集功能

在風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動健康監(jiān)測預(yù)警診斷的實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)故障特征的診斷模型難以準(zhǔn)確獲得，每次都有不同的變化。因為對信號處理比故障診斷模型的建立采用信號分析處理的方法得到廣泛應(yīng)用。基于風(fēng)電機(jī)組的振動信號進(jìn)行研究分析，在構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)振動實(shí)驗平臺時也以振動信號為基礎(chǔ)，首要研究振動信號的獲取，只有具備各種故障的大量數(shù)據(jù)，才可繼續(xù)進(jìn)行理論分析與研究。信號采集部分主要包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器：傳感器主要涉及到型號選擇和測點(diǎn)位置布置及安裝等；數(shù)據(jù)采集器主要作用是完成信號之間的轉(zhuǎn)換，并傳遞給上位機(jī)軟件。

1.2 傳感器選擇

傳感器要根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行選擇。在風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動健康監(jiān)測預(yù)警診斷的研究中，將用到許多傳感器用于實(shí)驗現(xiàn)場振動信號數(shù)據(jù)的采集。傳感器種類很多，應(yīng)選擇既能滿足量程和精度的要求、又能與其他多種設(shè)備容易進(jìn)行連接的傳感器[5-6]。基于獨(dú)立分量分析的風(fēng)電機(jī)組故障研究，主要用到風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)零部件間采集的振動信號，然后進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測等，因此以振動類型的傳感器選擇為主。

綜合考慮風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)動態(tài)實(shí)驗平臺的實(shí)際運(yùn)行情況，主要選擇美國壓電公司（PCB）的加速度傳感器。因為主軸轉(zhuǎn)速一般為15 r/min左右，選用一個低頻加速度傳感器PCB601M51，其他的5個加速度傳感器選擇PCB608A116（表1）。還有1個傳感器測量轉(zhuǎn)速，選用雷奧公司的LE2121，其感應(yīng)距離為5 mm，最大開關(guān)頻率為1000 Hz，電源類型3線（10～40）V，工作溫度（-40～80）℃。

1.3 傳感器位置布置及安裝分析

合理安排傳感器的測點(diǎn)對振動信號的精度和采集效果影響很大。一情況下，傳感器的測點(diǎn)一般布置在轉(zhuǎn)軸的水平方向，垂直方向和軸向方向，并且根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件選擇固定方式。實(shí)驗室的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)模擬實(shí)驗平臺的傳感器安裝有7個主要位置：電機(jī)輸出軸前端，齒輪箱輸入軸水平，齒輪箱輸入軸垂直，行星輪輸出軸水平，行星輪輸出軸垂直，發(fā)電機(jī)輸入軸前段和低速電機(jī)輸出軸前段（圖2）。具體的傳感器監(jiān)測測點(diǎn)配置如表2所示。其中，Hv、Ha是一路傳感器，Hv為傳感器原始加速度信號，Ha為原始加速度信號的速度信號。

表1 加速度傳感器技術(shù)參數(shù)

圖2 傳感器分布

表2 各測點(diǎn)具體布置位置

利用螺紋連接方式固定于上述風(fēng)電機(jī)組指定的位置，各個指定位置需要預(yù)留螺紋孔，螺紋孔的尺寸與其傳感器底座安裝要求配合，自帶M6螺紋連接螺栓，將傳感器底座與機(jī)組預(yù)留螺紋孔進(jìn)行裝配。連接時，在傳感器底座與機(jī)組殼體結(jié)合面涂抹3MDP460金屬粘結(jié)劑，加強(qiáng)傳感器底座安裝強(qiáng)度，增加底座與客體接觸能力，增強(qiáng)信號采集效果。傳感器與傳感器底座采用螺紋連接，連接螺柱為雙頭螺柱，傳感器安裝完畢后，安裝傳感器保護(hù)罩（圖3）。

速度傳感器的安裝：速度傳感器的安裝采取支架固定的方式，支架的具體形式可根據(jù)現(xiàn)場具體情況制定，沒有固定的結(jié)構(gòu)形式（圖 4）。

1.4 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)振動實(shí)驗臺的核心器件，是健康監(jiān)測預(yù)警診斷系統(tǒng)中連接硬件與軟件的的中間器件，沒有數(shù)據(jù)采集器這些系統(tǒng)和硬件只能成為擺設(shè)。選擇數(shù)據(jù)采集器時，要綜合考慮多種因素，最主要的是通道數(shù)、模擬電壓、分辨范圍以及性價比等。

根據(jù)需要選用商業(yè)公司提供的數(shù)據(jù)采集器BH5000W-DAQ型號，其基本功能是信號的調(diào)理、數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器的各項運(yùn)行參數(shù)可以通過組態(tài)軟件設(shè)置，具體參數(shù)如表3所示。

該數(shù)據(jù)采集器設(shè)備支持16通道連續(xù)同步數(shù)據(jù)采集，每個通道的采樣率可以達(dá)到每秒100 k，支持2種信號之間的轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部采用16位分辨率轉(zhuǎn)換器，可以采集電壓、電流等信號，所以可以與不同廠商的傳感器連接使用，包括加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)工作。同時，該數(shù)據(jù)采集器提供一個標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)RJ45和RS485通信模式，可以與第三方系統(tǒng)進(jìn)行連接，簡單方便的與監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信等。

圖3 振動傳感器安裝

圖4 速度傳感器安裝

表3 數(shù)據(jù)采集器參數(shù)

2 健康監(jiān)測預(yù)警診斷功能

風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動健康監(jiān)測預(yù)警診斷具有多通道同步整周期實(shí)時在線數(shù)據(jù)采集功能，并且能夠?qū)崟r顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和分析風(fēng)電機(jī)組可能發(fā)生的故障特征。

2.1 狀態(tài)監(jiān)測

通過機(jī)組系統(tǒng)軟件實(shí)時監(jiān)測畫面，能夠?qū)崿F(xiàn)不同界面相互之間重組，研究人員能夠查看機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，查看風(fēng)電機(jī)組每個振動通道特征值實(shí)時變化的情況，包括風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的振動、沖擊、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，讓研究人員及時了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和做出相應(yīng)處理。通過軟件的操作可以隨時切換到風(fēng)電機(jī)組中每個測點(diǎn)對應(yīng)的信號頻譜顯示界面。如果有通道測點(diǎn)數(shù)值超標(biāo)，則該通道測點(diǎn)顯示顏色立刻區(qū)別于其他正常通道。

2.2 故障診斷

通過組態(tài)軟件的熟練操作，可以分析其中一個或多個通道參數(shù)相對于其他某個通道參數(shù)變化的趨勢，顯示的圖譜橫軸與縱軸可以任意選擇單位，時間段也可以任意設(shè)定；可以查看風(fēng)電機(jī)組的測量點(diǎn)（如加速度、速度）在每一個時間段的實(shí)時和歷史趨勢。

系統(tǒng)軟件中故障診斷功能可以在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)齒輪、軸承故障的早期征兆，對故障部位、故障類型、嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢做出初步判斷。風(fēng)電機(jī)組故障診斷功能在預(yù)測故障傾向超出限定值時，產(chǎn)生報警信息?？梢酝ㄟ^軟件設(shè)置并準(zhǔn)確規(guī)定報警點(diǎn)，顯示其報警時間前后的趨勢圖?？梢圆榭磮缶瘯r測量點(diǎn)的時域圖、頻域圖等，進(jìn)行同一測點(diǎn)的各個頻值比較或不同測點(diǎn)同一頻值的比較等。

3 數(shù)據(jù)管理功能

不管機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)情況如何，系統(tǒng)都具有日常振動信號的采集、分析、存儲功能，這樣建立風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行歷史資料，為以后研究做準(zhǔn)備。一般正常情況下，機(jī)組健康穩(wěn)定運(yùn)行，可設(shè)置采集頻率系統(tǒng)減少信號存儲量。對于緊急情況，需要設(shè)定較短間隔進(jìn)行采集，及時方便進(jìn)行故障診斷。

數(shù)據(jù)管理支持事故追蹤功能，能夠記錄事故發(fā)生前后長時間的動態(tài)數(shù)據(jù)，并能夠形成時域圖和頻域圖。是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組啟停機(jī)或發(fā)生報警信息時，前后多組被振動觸發(fā)的數(shù)據(jù)可以完整的保存。以上事故數(shù)據(jù)將存儲在數(shù)據(jù)庫中，不會立刻被刪除或被覆蓋，同時也可以生成趨勢圖等其他圖譜。

4 總結(jié)

機(jī)電裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警診斷技術(shù)是保障機(jī)電設(shè)備健康可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)典型機(jī)電裝備—風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性，同時考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要性、分散性和測點(diǎn)數(shù)量規(guī)模性特點(diǎn)，設(shè)計開發(fā)面向機(jī)電裝備的健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗平臺。實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的配合，完成了系統(tǒng)采樣設(shè)置、數(shù)據(jù)采集分析和特征提取等實(shí)驗功能。研究影響振動信號的多種因素，分析發(fā)生不同故障時產(chǎn)生振動信號的頻率特征，以及不同轉(zhuǎn)速情況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)動態(tài)實(shí)驗平臺運(yùn)行狀態(tài)的健康監(jiān)測與故障預(yù)警診斷分析研究提供必要的實(shí)驗基礎(chǔ)。