機電裝備健康監測預警診斷實驗平臺設計

吳國新，徐小力，谷玉海，左云波

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

對大型機電裝備進行狀態監測與故障預警診斷技術研究是保障其可靠健康運行的關鍵技術之一。風力發電機組是典型的大型機電裝備，而其運行環境往往處于邊遠山區、沼澤、海島、風口等人跡較少地區，因本身裝備的機械運行故障發生事故導致重大財產損失時有發生，嚴重的安全事故甚至造成風場大面積風機停機整頓檢查，給國家的財產、人民的生命安全造成極大影響。目前，雙饋式水平軸類的風力發電機組在整個風電場中占據主流地位。該類型機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械部件產生故障造成。尤其是增速齒輪箱故障，在該部分故障中又占到主要原因。

針對風電機組狀態監測、故障診斷以及健康預警的研究逐年增多，絕大部分研究往往采用新技術新方法，從科學理論層面入手。但在獲取現場實際運行數據方面，還需要相關專業人員及風電運行企業配合，才能得到具體信息數據開展理論分析驗證工作。

提供一種技術可行的機電裝備健康監測預警診斷實驗平臺架構設計方案，并結合風電機組傳動系統特性，構建動態實驗平臺，為理論研究提供必要的實驗基礎。系統整體架構如圖1所示。

圖1 健康監測預警診斷實驗平臺系統整體架構

系統架構包括風電機組行星齒輪傳動系統模擬實驗臺、動特性信號獲取傳感及數據采集裝置以及實驗臺運行狀態健康監測預警診斷系統，利用傳感單元進行實驗臺振動、轉速、轉矩、溫度等信號獲取是建立運行狀態監控監測與預警診斷的首要任務。接著利用NI公司的數據采集卡獲取傳感器信號，對信號進行A/D轉換及預處理。本實驗平臺系統用到的狀態監控監測與預警診斷軟件是設備狀態監測診斷系統軟件V2.0。

1 功能模塊構建

機電裝備健康監測預警診斷的風電機組行星齒輪傳動系統能夠真實的模擬實際情況下風電機組運行速度和各種故障，包括軸承、轉子與齒輪箱故障燈。實驗平臺包含電動機、發電機、增速齒輪箱、控制柜和整套數據采集系統：電動機是模擬風場風力對低速軸的帶動作用，可以模擬風機每分鐘十幾轉的轉速要求；發電機將轉子運轉的機械能轉變為電能；齒輪箱是按照實際齒輪箱進行一定比例設計，可以完成風電機組中增速的要求；控制柜可以實現風機的正轉、反轉、緊急剎車等控制要求。

風電機組傳動系統振動實驗平臺主要用于模擬真實情況中風電機組的運行狀態和電氣控制等，可以滿足狀態監測和故障診斷實驗的要求。根據系統架構的需求分析，風電機組行星齒輪傳動健康監測預警診斷主要包括信號采集、狀態監測及顯示、故障診斷、數據管理等。

1.1 信號采集功能

在風電機組行星齒輪傳動健康監測預警診斷的實際應用中，發現故障特征的診斷模型難以準確獲得，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用?；陲L電機組的振動信號進行研究分析，在構建風電機組傳動系統振動實驗平臺時也以振動信號為基礎，首要研究振動信號的獲取，只有具備各種故障的大量數據，才可繼續進行理論分析與研究。信號采集部分主要包括傳感器和數據采集器：傳感器主要涉及到型號選擇和測點位置布置及安裝等；數據采集器主要作用是完成信號之間的轉換，并傳遞給上位機軟件。

1.2 傳感器選擇

傳感器要根據實際的需要進行選擇。在風電機組行星齒輪傳動健康監測預警診斷的研究中，將用到許多傳感器用于實驗現場振動信號數據的采集。傳感器種類很多，應選擇既能滿足量程和精度的要求、又能與其他多種設備容易進行連接的傳感器[5-6]。基于獨立分量分析的風電機組故障研究，主要用到風電機組傳動系統零部件間采集的振動信號，然后進行故障診斷與狀態監測等，因此以振動類型的傳感器選擇為主。

綜合考慮風電機組傳動系統動態實驗平臺的實際運行情況，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個傳感器測量轉速，選用雷奧公司的LE2121，其感應距離為5 mm，最大開關頻率為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，傳感器的測點一般布置在轉軸的水平方向，垂直方向和軸向方向，并且根據現場實際條件選擇固定方式。實驗室的風力發電機組傳動系統模擬實驗平臺的傳感器安裝有7個主要位置：電機輸出軸前端，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，發電機輸入軸前段和低速電機輸出軸前段（圖2）。具體的傳感器監測測點配置如表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 加速度傳感器技術參數

圖2 傳感器分布

表2 各測點具體布置位置

利用螺紋連接方式固定于上述風電機組指定的位置，各個指定位置需要預留螺紋孔，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，將傳感器底座與機組預留螺紋孔進行裝配。連接時，在傳感器底座與機組殼體結合面涂抹3MDP460金屬粘結劑，加強傳感器底座安裝強度，增加底座與客體接觸能力，增強信號采集效果。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現場具體情況制定，沒有固定的結構形式（圖4）。

1.4 數據采集器

數據采集器是風電機組傳動系統振動實驗臺的核心器件，是健康監測預警診斷系統中連接硬件與軟件的的中間器件，沒有數據采集器這些系統和硬件只能成為擺設。選擇數據采集器時，要綜合考慮多種因素，最主要的是通道數、模擬電壓、分辨范圍以及性價比等。

根據需要選用商業公司提供的數據采集器BH5000W-DAQ型號，其基本功能是信號的調理、數據采集。數據采集器的各項運行參數可以通過組態軟件設置，具體參數如表3所示。

該數據采集器設備支持16通道連續同步數據采集，每個通道的采樣率可以達到每秒100 k，支持2種信號之間的轉換。其內部采用16位分辨率轉換器，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速傳感器，便于系統的擴展和維護工作。同時，該數據采集器提供一個標準工業以太網RJ45和RS485通信模式，可以與第三方系統進行連接，簡單方便的與監控設備進行通信等。

圖3 振動傳感器安裝

圖4 速度傳感器安裝

表3 數據采集器參數

2 健康監測預警診斷功能

風電機組行星齒輪傳動健康監測預警診斷具有多通道同步整周期實時在線數據采集功能，并且能夠實時顯示機組的運行狀態和分析風電機組可能發生的故障特征。

2.1 狀態監測

通過機組系統軟件實時監測畫面，能夠實現不同界面相互之間重組，研究人員能夠查看機組的實際運行狀態，查看風電機組每個振動通道特征值實時變化的情況，包括風電機組運行過程中的振動、沖擊、轉速等參數，讓研究人員及時了解風電機組運行狀態和做出相應處理。通過軟件的操作可以隨時切換到風電機組中每個測點對應的信號頻譜顯示界面。如果有通道測點數值超標，則該通道測點顯示顏色立刻區別于其他正常通道。

2.2 故障診斷

通過組態軟件的熟練操作，可以分析其中一個或多個通道參數相對于其他某個通道參數變化的趨勢，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定；可以查看風電機組的測量點（如加速度、速度）在每一個時間段的實時和歷史趨勢。

系統軟件中故障診斷功能可以在風電機組正常運行狀態下，發現齒輪、軸承故障的早期征兆，對故障部位、故障類型、嚴重程度、發展趨勢做出初步判斷。風電機組故障診斷功能在預測故障傾向超出限定值時，產生報警信息?？梢酝ㄟ^軟件設置并準確規定報警點，顯示其報警時間前后的趨勢圖?？梢圆榭磮缶瘯r測量點的時域圖、頻域圖等，進行同一測點的各個頻值比較或不同測點同一頻值的比較等。

3 數據管理功能

不管機組運轉情況如何，系統都具有日常振動信號的采集、分析、存儲功能，這樣建立風電機組運行歷史資料，為以后研究做準備。一般正常情況下，機組健康穩定運行，可設置采集頻率系統減少信號存儲量。對于緊急情況，需要設定較短間隔進行采集，及時方便進行故障診斷。

數據管理支持事故追蹤功能，能夠記錄事故發生前后長時間的動態數據，并能夠形成時域圖和頻域圖。是當風電機組啟停機或發生報警信息時，前后多組被振動觸發的數據可以完整的保存。以上事故數據將存儲在數據庫中，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

機電裝備狀態監測與故障預警診斷技術是保障機電設備健康可靠運行的關鍵技術之一。根據典型機電裝備—風力發電機組運行特性，同時考慮實際應用環境下，風力發電機組的重要性、分散性和測點數量規模性特點，設計開發面向機電裝備的健康監測預警診斷實驗平臺。實現硬件與軟件的配合，完成了系統采樣設置、數據采集分析和特征提取等實驗功能。研究影響振動信號的多種因素，分析發生不同故障時產生振動信號的頻率特征，以及不同轉速情況下系統的運行狀態，為進行風電機組傳動系統動態實驗平臺運行狀態的健康監測與故障預警診斷分析研究提供必要的實驗基礎。

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