基于滑軌機器人的風電智能巡檢策略

薛長奎 李勇 黃國微 薛小明 向天航

摘要：風電投運初期故障頻率偏高，人工巡檢困難。針對風機內部結構及設備診斷需求，本文結合無人機探測風機葉片損傷，提出了塔筒內滑軌機器人智能巡檢策略。根據塔筒內設備布置，設計空間S形軌道，機器人根據設定路線沿軌道垂直或水平方向自動巡檢，具有工作效率高，維護簡單可靠等特點，并可實現風場無人值守。

關鍵詞：風電;故障監測;滑軌機器人;智能巡檢

1.引言

隨著新能源行業的快速發展，我國風力發電裝機容量迅速增長，行業要求也不斷提高。風電機組長期外露，受環境及氣候影響大，葉片可能損傷，發電機及傳動系統也可能出現故障。機組結構及環境的復雜性，給風機的巡檢帶來很大挑戰。風機投運初期（前2年）是故障高發期，電氣故障可快速恢復，而齒輪箱、發電機等大型關鍵部件故障修復時間長，會造成機組長時間停機。加之設備常在高空修復，動用大型起重及運輸設備，維修費用巨大。風場急需一種全方位高效巡檢機制，以提高運維水平和效率，解放人工勞動，實現風場無人值守。

2.風機故障分析

目前機械設備故障多采用人工巡檢，定量和定性分析，包括FMECA分析法，振動噪聲，電氣參數，溫度，絕緣監測診斷法。徐穎劍[1]記錄了運維前2年某風場50臺2MW風機故障，根據FMECA分析結果，發電機、齒輪箱和變頻器故障為危害性最嚴重故障。

對于上述診斷需求，人工巡檢常用望遠鏡觀察和繩索垂降人工檢測葉片損傷，或運維人員定時到現場巡檢以獲得機組設備全面運行狀態，以確認灰塵、裂痕、發熱等異常情況。以下是某風場室內巡檢內容：

人工巡檢存在安全風險、人員配置嚴重不足、勞動強度大，工效低、時間長等缺點，不利于風場大面積巡檢。而機器人智能巡檢，可實現人工巡檢向智能無人巡檢方式、室內設備狀態檢修由周期性停電例行試驗轉換為不停電監測、應急巡視由事后處理向事前預警轉變。

3.風機滑軌機器人巡檢策略

近年來，無人機巡檢[2]和機器人巡檢[3]成為大數據時代故障監測新寵，前者可監測大空間的葉片異常，后者能對各系統關鍵環節進行全生命周期監測，通過預警，避免事故發生。

變電站巡檢機器人大量推廣，取得了良好的應用效果。風電機組不僅要巡檢室外，還需要巡檢室內;不僅需要巡檢一、二次設備，也對局部細節的巡檢提出了更高的要求。這就需要革新巡檢機器人的結構形式。風機葉片可采用無人機智能巡檢，本策略則主要監測風機室內設備及環境狀態。

3.1 巡檢系統組成及滑軌特性

（1）系統組成

室內軌道機器人智能巡檢系統為網絡分布式架構，整體分為三層，分別為后臺層、通信層和終端層。終端層由軌道系統及機器人移動終端構成;通信層由網絡交換機、電力線載波等設備組成，負責建立基站層與智能終端層的網絡通道;后臺包括服務器、顯示屏等硬件設備和應用軟件系統。系統可通過集控中心對多個室內軌道智能巡檢機器人實現遠程監控。軟件系統支持常用的通訊協議，便于現地監測信號的遠傳至DCS系統。

（2）滑軌模型

軌道的整體設計策略可以是在風電塔筒上下或側墻上架設一條鋁制過山車軌道，機器人移動終端掛載在水平、豎直軌道上運動。根據風機塔筒內實際結構特點，設計空間S形軌道，頂面分布吊裝固定孔，實現全方位巡檢。巡檢包括各表計、指示燈、開關、閥門、斷路器等狀態。人工巡檢時，需抄錄。

圖1巡檢系統結構及S形滑軌模型示意

3.2巡檢機制

機器人利用磁導航、激光導航等方式，搭載可見光攝像機、紅外熱像儀等傳感檢測設備，利用圖像識別、紅外帶電檢測、自動充電等智能技術，通過自主或遙控模式實現塔筒內設備、環境智能巡檢。

試運行時，先使用滑軌機器人對人工巡檢方式確定有故障的缺陷點進行巡檢，以確認機器人巡檢的可靠性。系統具備自動巡檢、自動預警、數據遠傳、趨勢分析、報表管理等功能，綜合主控系統及變流器監控等自動化反饋信號共同實現對室內各種不同設備的故障監測與診斷。

3.3電纜選用

場用電采用220VAC，配鎧裝電纜。通信線采用超五類網線或單模四芯光纖。

4.結論

本策略從設計及工藝結構上探討了滑軌機器人的巡檢策略，可代替人工完成風機設備巡檢，保證設備巡檢質量，且能減員增效。智能巡檢積累的大量運行數據，為后期故障診斷和預防維護打下基礎，符合智慧工業發展趨勢。

本策略雖已完成方案的可行性論證，尚無航線最優規劃，未探討圖像優化處理、故障自動定位及識別等，有待深化研究與開發。

參考文獻：

[1]徐穎劍.風電機組發電機故障分析診斷[C].河北：華北電力大學.2013

[2]王棟.基于無人機的風電葉片檢測應用[J].風能.2016（04）

[3]呂小文. 懸掛軌道式智能巡檢機器人研究[C].浙江大學. 2019

作者簡介：薛長奎（1987-），碩士，工程師，現就職于東方電機有限公司，從事電站系統設計及應用工作。Email：xuechangkui@126.com。