風機運維機器人的上位機控制界面設計方法*

張 靜

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

0 引 言

近年來，國家為了推動能源轉型和提高非化石能源的消費比重，風力發電領域迅猛發展。同時，風機作為風力發電的重要組成部件，定期檢測其葉片和螺栓的可靠性和穩定性尤為重要。傳統上，針對風機檢測采取人工操作的方式，主要是利用了維護人員中的視覺功能。同時，維護人員通過工具擰動螺栓來判斷風機中螺栓是否有松動的情況，存在安全隱患和測量誤差。

文獻[1-2]提出通過主動輪、從動導向輪和導向帶，幫助維護人員攀爬風機省力的方法。這種方法仍是針對傳統的人工操作進行改善，只能減小維護人員跌落風險。文獻[3]提出一種通過智能頭盔和智能工作服，保障維護人員長時間作業時的舒適度的方法。但是，只能作為維護人員的輔助工具，仍然無法避免人員跌落的風險，也無法避免維護人員帶來的檢測誤差。文獻[4]提出了一種舒適、平穩和安全的救助平臺方法。該方法通過主船體、步橋以及運動補償平臺，實現了人員和物資的轉移，降低了運維船自身的維護成本。但是，無法解決風機檢測中人身傷害的風險問題。文獻[5]分析了海上風電運維安全管理的主要風險因素和難點。海上風電運維主要風險點主要包括人員登乘落水、擠壓風險和高處墜落風險。文獻[6]提出一種適用于農業田間作業的遠程控制檢測系統。基于Qt5.0開發平臺構建一個上位機界面，并融合數傳模塊與圖傳模塊，使該界面實現實時的數據傳輸與圖像傳輸，最終實現遠程監控旅行家IV號機器人。但是，應用于風電領域的運維機器人還沒有相關的資料。文獻[7]針對風機監控系統的現狀，應用組態王開發了風機的上位機監控系統，主要包括風機運行安全信息的實時監測、顯示與報警，監測數據的實時處理與風機性能曲線的繪制，為實現風機的安全、高效自動運行提供保證。

目前，人身傷害的風險只能是通過外界設備來預防，不能完全地避免此風險的發生。現有技術中的助爬器、智能可穿戴設備及風電運維船等屬于人工操作中的輔助設備，確實可有效地提高維護人員在運維操作中的舒適度。但是，無法從根本上保障維護人員的安全。

隨著智能制造的推廣，利用機器人替代人工操作的方案成為了風力發電行業中運維的大趨勢。風機運維機器人方便地實現遠程控制機器人對風機中的螺栓進行自動檢測的功能。本文所提風電運維機器人是一種具備螺栓檢修功能的爬行機器人。風電運維機器人從根本上解決了風機在運維過程中可能造成的人身傷害。螺栓檢測作為風電運維機器人的子系統，需要用戶在上位機控制界面上操控，然后實現遠程控制過程。為此，本文采用了一種風電運維機器人的上位機控制界面方法。

1 檢測系統整體框架

上位機即控制系統，采用了研華的工控機ARK-1124H。同時，在工控機安裝Visual Studio、視覺處理軟件VisionBank和磁測量處理軟件IN-01R軟件。下位機包含視覺系統、磁測量系統和驅動系統等子系統。

將上位機控制界面安裝在控制系統中，由控制系統分別發送命令1～3給下位機子系統。子系統向控制系統發送反饋值1～3，由控制系統中的上位機控制界面決定下位機的下一個動作。上位機和下位機集合成為檢測系統，整個檢測系統的硬軟件環境示意圖如圖1所示。

圖1 風機運維機器人的檢測系統示意圖

2 上位機控制界面初始處理

風機中的螺栓在初始安裝時其受力情況是最佳的狀態，但受外界因素的影響，會出現松動和損壞的情況。如果不及時進行檢修，則將可能造成很大的經濟損失，甚至人身傷害。

為此，可將在最佳狀態下的螺栓中某個特定標識的角度偏移角度作為判定其是否有松動的基準值。同時，為了節省檢測時間，可將N個螺栓的坐標偏差累計和作為坐標基準值。為了判斷螺栓是否有損壞，在螺栓最佳狀態下，以磁測量系統測得到的磁通量和應力數值的最大值和最小值作為基準值范圍。

2.1 坐標系的選定

為了準確地測量坐標偏差值，需要將照相機中心與螺栓中心所在的坐標系進行確認[8-9]。

該方案中選取第一個螺栓中心為世界坐標系原點o，x軸為由N個螺栓的中心連接形成的圓切線方向，y軸為由N個螺栓的中心連接形成的圓法線方向，z軸為N個螺栓的中心連接形成的圓平面的法線方向。智能小車中心為基坐標原點o1，x1、y1、z1的方向與前者相同。照相機中心為坐標系原點o2，x2、y2、z2的方向同前者。整個檢測系統和風機中的螺栓的坐標系示意圖如圖2所示。

圖2 坐標系示意圖

為了實現檢測螺栓是否有松動和損壞的功能，需將照相機中心與螺栓中心對齊。這種坐標系定義下，選取的坐標系軸方向是一致的，則可通過視覺系統拍照，并處理得到的坐標偏差值X=x-x2和Y=y-y2，即為驅動系統中智能小車的移動距離。

2.2 基準值的判定

2.2.1 坐標和角度的基準值判定

通過視覺系統，在上位機控制界面上，設置坐標采集和角度采集的命令按鈕。在設置端口號和波特率之后，進行打開端口的動作。在坐標采集命令按鈕被觸發之后，視覺系統軟件反饋坐標數據。在上位機控制界面的后臺程序里，對反饋數據進行處理，并以串口通信的方式將處理完成的坐標值發送至驅動系統，驅動系統根據X和Y坐標值進行移動。

當X≤1且Y≤1時，驅動系統停止移動；否則，繼續進行坐標采集的動作，且驅動系統根據X1和Y1坐標值進行移動，直到X和Y坐標值均≤1。針對當前螺栓的檢測，保存驅動系統移動的坐標偏差值累加和Xsp=X+X1+…+Xn和Ysp=Y+Y1+…+Yn，并把Xsp和Ysp作為當前螺栓的坐標基準值Xb和Yb。

視覺系統開始角度采集。在上位機控制界面的后臺程序里，對反饋角度值進行處理，保存當前的初始角度值，將其作為角度基準值Ab。

2.2.2 磁通量和應力的基準值判定

待應力傳感器移至被測螺栓位置處后，開始檢測螺栓應力。磁測量系統進行磁通量B的測量，連續測量3次的偏差值≤0.1 mT時，作為測量的最終值。依據該測量方式，測得B的最大值Bmax和最小值Bmin，并以此最值作為磁通量的基準值。磁測量軟件根據磁通量計算出對應的應力值σmax和σmin，并以此作為應力的基準值。以磁通量和應力的基準值作為變量，確定磁通量與應力之間的基準值線性關系函數[10-11]：

(1)

該函數可作為螺栓是否損壞的判定條件。

2.2.3 基準值判定流程圖

螺栓的坐標基準值、角度基準值、磁通量和應力的基準值判定過程如圖3所示。

圖3 檢測系統中基準值判定流程圖

在第一個螺栓的基準值測試完畢后，進行第二、第三……和第N個螺栓的基準值測試。在測試完基準值之后，將全部的坐標偏差基準值、角度基準值、磁通量與應力的基準值進行保存處理。這些基準值數據可作為定期檢測螺栓是否松動和損壞的檢測標準。

3 上位機中的控制界面流程

在上位機控制界面初始處理完成后，需定期進行風機中的螺栓檢測。螺栓檢測流程如圖4所示。

圖4 螺栓檢測流程圖

3.1 判斷螺栓是否松動

上位機控制界面通過串口通信的方式，將坐標基準值Xb和Yb發送至驅動系統。驅動系統根據坐標基準值Xb和Yb移動到固定的螺栓位置后，上位機控制界面向視覺系統發送角度采集指令。

在上位機控制界面的后臺程序里，對視覺系統反饋的角度實際值As進行處理，并與角度基準值Ab進行對比。若是角度實際值As與基準值Ab相等，則說明螺栓沒有松動；否則，說明螺栓存在松動，進行報警處理，并顯示出旋轉的角度值。

3.2 判斷螺栓是否損壞

上位機控制界面發送應力傳感器移動指令給驅動系統，待移動動作完成后，磁測量系統開始對螺栓進行充磁的動作。充磁結束后，進行磁通量的測量動作，若連續3次測量的偏差值≤0.1 mT，則將最后一次的測量值作為最終磁通量實際值Bs。

磁測量系統通過磁通量實際值Bs計算出應力實際值σs，將磁通量和應力實際值代入到式(1)基準值線性關系函數中。若實際值滿足此基準值線性關系函數，則說明螺栓沒有損壞；否則，說明螺栓存在損壞，并進行報警處理。

當被測的螺栓完成磁通量測量之后，可通過上位機控制界面對螺栓進行消磁處理。當磁通量測量值≤0.1 mT，則說明螺栓消磁成功；否則，將再一次對螺栓進行消磁處理，直到磁通量的測量值≤0.1 mT。

4 上位機控制界面試驗結果

在Visual Studio軟件開發環境中，利用C#語言，對本文提出的上位機控制界面方法進行了設計，輸出的上位機控制界面實物圖，如圖5所示。上位機界面功能簡介如下。

圖5 上位機控制界面的實物圖

(1)界面在功能上實現了串口通信的基本操作，如打開端口、關閉端口、設置端口號和波特率。利用虛擬串口軟件，實現了COM端口之間的連接功能。從而，實現了控制系統與子系統之間的數據通信。

(2)作為指令按鈕的坐標采集、角度采集和應力測量實現了由控制系統向子系統發送控制指令的功能。

4.1 通信及基本子系統功能驗證

首先，將單個螺栓作為被檢測的對象，驗證視覺系統、磁測量系統與驅動系統的通信功能以及基本子系統功能。在實際工況中，為了保障視覺系統采集和處理的準確性，需要進行打光燈的補光操作。風電運維機器人系統組成實物圖如圖6所示。

圖6 風電運維機器人系統組成實物圖

驗證通信功能的結果圖，如圖7所示。視覺系統設置為com9，波特率設置為57 600；驅動系統設置為com12，波特率設置為19 200。2個USB端口與工控機實現串口通信成功之后，進行試驗操作。

圖7 通信功能的結果圖

在點擊“坐標采集”之后，會輸出對應的總坐標偏差，即Xsp1:3.03Ysp1:2.22。在當前坐標偏差實際值滿足精度要求之后，即X0.72Y0.47，X和Y軸的坐標偏差實際值均≤1，直接進入“角度采集”。在顯示框中，輸出A1：349.46。試驗輸出結果與設計思路的預期結果一致。

4.2 整體系統功能驗證

針對風電運維機器人，需要在多個螺栓的測試平臺上進行整體系統功能的驗證，從而保證該檢測系統可以自動地進行多個螺栓的檢測。試驗平臺如圖8所示。

圖8 試驗平臺

連續5次測量的試驗結果如圖9所示。

圖9 連續5次測量的試驗結果

在用戶點擊“保存坐標”的操作后，可將坐標基準值保存至自命名的.txt文檔中。角度基準值的操作與此相同。點擊“讀取基準”和“讀取實測”，保存的坐標值可以顯示在文本框中,如圖10所示。

圖10 讀取基準值和實測值的結果圖

點擊“開始對比”，實測值與基準值進行做對比，結果如圖11所示。

圖11 基準值和實測值的對比結果圖

試驗結果中，Xsp1和Ysp1是被檢測螺栓1的坐標偏差基準值，Xsp2和Ysp2是被檢測螺栓2的坐標偏差基準值，以此類推。以坐標偏差基準值作為螺栓是否松動的判斷依據，在風機螺栓定期檢測中，將坐標偏差實際值與坐標偏差基準值進行對比。若實際值與基準值的偏差一致，則判定螺栓沒有松動；否則，則判定螺栓出現松動。

以角度基準值作為螺栓是否損壞的判斷依據。若實際值與基準值的偏差一致，則判定螺栓沒有損壞；否則，則判定螺栓出現損壞。

5 結 語

針對風機檢測工作，傳統的方式是通過人工操作，對維護人員存在著人身傷害的風險。為此，本文采用視覺系統和磁測量系統替代維護人員的操作，從根本上保障了維護人員的安全。

上位機控制界面方便地實現了控制系統對視覺系統、磁測量系統和驅動系統進行遠程操控，避免了維護人員在惡劣環境下進行現場檢測工作的情況。