淺談一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

張健

（北京國電思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

我國幅源遼闊，風(fēng)資源充足，作為清潔能源，風(fēng)能的利用成為節(jié)能減排低碳可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略組成，近年來風(fēng)力發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)得到大力的發(fā)展，據(jù)國家能源局發(fā)布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，風(fēng)電總裝機(jī)2.1億千瓦，年發(fā)電量4057億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的5.5%。

受風(fēng)能分布影響，風(fēng)電場大多分布在自然環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的地域，高熱、高寒、高海拔、風(fēng)沙、鹽霧等運(yùn)行環(huán)境都會(huì)對(duì)機(jī)組部件造成嚴(yán)重影響，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一些復(fù)雜的機(jī)械部件極容易被損壞，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，降低各部件的故障率，提升風(fēng)電機(jī)組的可利用率，通過一些技術(shù)手段檢測機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、在故障發(fā)生早期階段監(jiān)測到異常狀況，及時(shí)跟蹤部件損壞程度，制定維護(hù)檢修計(jì)劃，避免設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞所造成的備件成本增加與大部件更換時(shí)設(shè)備停工損失已成為一種趨勢。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)部件常用的觀測指標(biāo)有溫度、噪聲、振動(dòng)等，進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)早期故障，判斷傳動(dòng)部件內(nèi)部故障發(fā)生位置及嚴(yán)重程度，同時(shí)也可預(yù)測故障發(fā)展趨勢并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)值變化推斷何時(shí)更換故障部件，具有較高的實(shí)用價(jià)值，因而越來越多的被利用到風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測中。早期開發(fā)的離線便攜式振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備可用于運(yùn)行機(jī)組的定期檢查與故障部件的振動(dòng)診斷，可滿足基本的振動(dòng)觀測需求，但由于不具備實(shí)時(shí)觀測功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析過程較為繁瑣，因而采用具有實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)智能分析預(yù)警功能的CMS在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)前普遍的需求。

1 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈振動(dòng)的特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)主要包含主軸、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件，運(yùn)行時(shí)所承受動(dòng)態(tài)載荷較為復(fù)雜，受載荷沖擊、裝配不當(dāng)、過載、不對(duì)中、潤滑不當(dāng)、灰塵及腐蝕等影響，其使用壽命往往小于設(shè)計(jì)壽命。故障主要集中發(fā)生在齒輪、軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)軸中，常見形式有：齒輪的嚙合振動(dòng)、齒輪的固有頻率振動(dòng)、齒輪磨損引起的振動(dòng)、齒輪或軸承局部異常引起的振動(dòng)。

2 在線振動(dòng)系統(tǒng)組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線振動(dòng)系統(tǒng)主要由振動(dòng)信號(hào)采集單元、風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心三部分組成。信號(hào)采集傳輸單元實(shí)時(shí)采集風(fēng)力機(jī)機(jī)艙傳動(dòng)部件的振動(dòng)信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)整合，通過網(wǎng)線接入風(fēng)場SCADA光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中；風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)顯示測量到的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等信號(hào)，并進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)；遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)診斷中心采用VPN方式接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由專家進(jìn)行異常機(jī)組的故障診斷分析。具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線振動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.1 信號(hào)采集單元

每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝8個(gè)不同頻段的加速度振動(dòng)傳感器與一個(gè)電感式接近開關(guān)，振動(dòng)傳感器信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理器后輸出直流電壓信號(hào)，由ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集器控制ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率由控制程序進(jìn)行設(shè)定。接近開關(guān)信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集器的編碼器通道，測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，所有測量信號(hào)均接入風(fēng)電場SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。振動(dòng)采集單元具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)信號(hào)采集單元結(jié)構(gòu)圖

（1）振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器選用壓電式IEPE/ICP振動(dòng)加速度傳感器，具有測量精度高、安裝可靠、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)所選用振動(dòng)傳感器性能滿足如下要求：①通頻傳感器靈敏度100mV/g，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍50g，低頻傳感器靈敏度500mV/g，應(yīng)用范圍10g；②頻率范圍：0.5～10kHz；③量程：不小于0～10g；④防護(hù)等級(jí)：IP65。具體選型結(jié)果及安裝位置見表1。

表1 振動(dòng)傳感器選型

（2）信號(hào)調(diào)理器

設(shè)計(jì)選用2個(gè)XK343L型加速度傳感器信號(hào)調(diào)理器，通過BNC及2針MIL-C5015接頭電纜連接振動(dòng)傳感器，為振動(dòng)傳感器提供4mA恒流源供電電流，具有硬件濾波、去偏置電壓、抗混疊功能，同時(shí)可輸出差分電壓信號(hào)。單個(gè)XK343L信號(hào)調(diào)理器具有4個(gè)通道，24VDC恒流供電電壓，低頻下限0.08Hz，高頻上限1～100kHz，默認(rèn)設(shè)置為30kHz，輸出電壓增益為1～100，默認(rèn)設(shè)置為1。

（3）轉(zhuǎn)速傳感器

選用BESM18EI型電感式接近開關(guān)，安裝在齒輪箱高速軸側(cè)，用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集器的增量式編碼器測速接口。

（4）ADC轉(zhuǎn)換器

采用基于AD7606芯片的8通道16位ADC同步模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，所有通道都具有高達(dá)200kSPS的采樣率，搭載二階抗混疊模擬濾波器，帶8檔數(shù)字濾波器過采樣功能，輸出接口通過8080并行方式接入數(shù)據(jù)采集器GPIO接口。

（5）數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器選用STM32F429BIT6/LQFP-208型ARM微處理器，主頻為180MHz，板載通用GPIO接口、MicroSD數(shù)據(jù)卡存儲(chǔ)接口、RS232串行通訊接口（SP3232）、CAN2.0通訊接口（SN65HVD230）、100M以太網(wǎng)傳輸接口（DM9000）。通過C語言編程實(shí)現(xiàn)以下功能：8通道1Hz頻率的數(shù)據(jù)連續(xù)并行采樣、8通道小于20kHz的自定義頻率1分鐘定時(shí)數(shù)據(jù)采樣、采集器離線時(shí)MicroSD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸、編碼器通道轉(zhuǎn)速采集、與風(fēng)機(jī)主控PLC CAN模塊通訊傳輸風(fēng)電機(jī)組功率、溫度等附加信息。數(shù)據(jù)采集器使用100米CAT6型網(wǎng)線接入風(fēng)機(jī)底部監(jiān)控柜的線路交換機(jī)，將所采集的信號(hào)發(fā)送到SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.2 風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心

風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心由前臺(tái)監(jiān)控主機(jī)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩部分組成，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測與故障分析預(yù)警的需求分析、不同操作系統(tǒng)的可移植性及大數(shù)據(jù)分析的便利性，采用Python語言環(huán)境開發(fā)前臺(tái)監(jiān)控軟件。

（1）前臺(tái)監(jiān)控主機(jī)

前臺(tái)監(jiān)控主機(jī)所搭載的監(jiān)控軟件具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、故障預(yù)測等功能，監(jiān)控主界面采用Python編程環(huán)境的PyQT5模塊開發(fā)，SocketServer模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與處理，SqlServer模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，采用scipy、numpy、pandas庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

圖4 歷史數(shù)據(jù)指標(biāo)分析界面

①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集各機(jī)組1S間隔的周期數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、振動(dòng)數(shù)值及振動(dòng)曲線。

②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出、時(shí)域指標(biāo)（峰值、均方根值、偏度、峭度、波形因子、峰值因子、脈沖因子、裕度因子）分析功能及錄波數(shù)據(jù)的時(shí)域分析、頻域分析功能。

③故障預(yù)測，通過自學(xué)習(xí)的方法分析歷史數(shù)據(jù)的各類時(shí)域指標(biāo)，形成故障閾值，自動(dòng)識(shí)別異常部件。根據(jù)部件的特征頻率設(shè)定錄波參數(shù)，定時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過FFT變換、包絡(luò)解調(diào)分析等識(shí)別故障部位及損壞程度。

（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為在線振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，搭建PostgreSQL 12數(shù)據(jù)庫，按風(fēng)機(jī)名稱建立數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)前臺(tái)監(jiān)控軟件所獲取的風(fēng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、功率、溫度等所有信息，同時(shí)也以獨(dú)立文件形式存儲(chǔ)定時(shí)采集的高頻錄波數(shù)據(jù)。

2.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心通過防火墻VPN方式接入風(fēng)電場的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)具備使用Web網(wǎng)頁連接訪問數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)的功能，振動(dòng)分析專家可使用專業(yè)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，檢驗(yàn)自動(dòng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時(shí)生成監(jiān)測報(bào)告，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

本文所開發(fā)的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)為機(jī)組良好運(yùn)行提供了另一種可靠的監(jiān)測方式，對(duì)于機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，尤其是對(duì)傳動(dòng)鏈大機(jī)械部件的運(yùn)行狀況趨勢的監(jiān)測分析具有優(yōu)秀的預(yù)報(bào)、診斷功能。為設(shè)備正常運(yùn)行提供保障，提供精細(xì)化的設(shè)備管理依據(jù)，減少非計(jì)劃停機(jī)，提高設(shè)備可利用率，延長機(jī)組使用壽命。