王惠中 沈燕妮
(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)
近年來,風(fēng)能作為可再生能源得到了很大利用,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一直處于持續(xù)增長態(tài)勢(shì),裝機(jī)容量不斷增加。然而,風(fēng)電機(jī)組長期受到嚴(yán)寒、風(fēng)沙、臺(tái)風(fēng)、腐蝕等條件的影響,隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長,機(jī)組就會(huì)出現(xiàn)一些故障,從而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī),嚴(yán)重影響發(fā)電量,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。
長期以來,風(fēng)電機(jī)組一直采用計(jì)劃維修和事后維修的方式。計(jì)劃維修即運(yùn)行2500h和5000h后的例行維護(hù),該維修體制無法全面、及時(shí)的了解設(shè)備運(yùn)行狀況,而且在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),也要按時(shí)實(shí)行例行維護(hù),造成經(jīng)濟(jì)損失。事后維修則因事前準(zhǔn)備不足,往往造成維修工作曠日持久,損失重大。
而使用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常,掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),全面提高生產(chǎn)力、減少損失。因此,研究安全可靠的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。
目前,風(fēng)電設(shè)備的在線監(jiān)控水平已經(jīng)有了很大提高,但還需要進(jìn)一步完善。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,使用較多的處理器有單片機(jī)和工控機(jī)。這些系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理能力有限,使得系統(tǒng)在實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷中存在不足。而DSP處理器的計(jì)算能力強(qiáng)、精度高、總線速度快、吞吐量大,將其應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以極大地縮短數(shù)字濾波和小波變換的時(shí)間。ARM處理器提供了多種通訊接口及外設(shè)資源,且功耗低,速度快,便于信息的傳遞和實(shí)時(shí)顯示。將DSP與ARM的有效結(jié)合,充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì),達(dá)到優(yōu)劣互補(bǔ),使得狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度大大提高、性能有所提升。
目前,我國使用最多的是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī),該機(jī)組主要由塔架、葉片、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制等組成,基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[10,11]。其特點(diǎn)是采用了多級(jí)齒輪箱驅(qū)動(dòng)雙饋式異步發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、重量輕、體積小,變流器容量小。本文主要以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象。
根據(jù)目前風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況可知:主軸軸承、齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機(jī)及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件。
軸承的常見故障有兩類:一類為表面損傷故障,如點(diǎn)蝕、剝落、擦傷等;另一類為磨損故障。造成這些故障的原因有:不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)等機(jī)械問題;及潤滑不良,裝配不當(dāng),載荷過大等。
由于,軸承承載著機(jī)器的負(fù)荷,許多典型的問題,如不平衡、不對(duì)中等,都會(huì)將振動(dòng)信號(hào)傳給軸承。因此,通過監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng),就會(huì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組典型的故障及軸承缺陷。
圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖
振動(dòng)信號(hào)頻率、幅值、相位的不同,可以反映出不同的故障類型。所以,本系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)主軸軸承和齒輪箱軸承的振動(dòng)信號(hào)。
在風(fēng)電機(jī)組中,主軸軸承和齒輪箱的振動(dòng)頻率范圍為0.1Hz~10kHz以上[2]。一般情況下,主軸軸承、齒輪箱行星級(jí)軸承(此處需要改嗎?)、齒輪箱支撐工作在低頻范圍(工頻5倍以上),齒輪箱中間級(jí)軸承、高速級(jí)軸承工作在高頻范圍(1kHz以上)。
由于低頻信號(hào)的方向性較強(qiáng),各種故障引起的振動(dòng)發(fā)生在不同的方向上,例如,不平衡一般是水平方向振動(dòng)出現(xiàn)異常,松動(dòng)是垂直方向異常,不對(duì)中是軸向異常;而高頻信號(hào)對(duì)方向不敏感,只要選擇最容易測(cè)的一個(gè)方向即可,這是因?yàn)闈L動(dòng)軸承上產(chǎn)生的振動(dòng)是全方位各方向傳遞的。故在采集機(jī)械振動(dòng)信號(hào)時(shí),對(duì)于低頻信號(hào)分垂直、水平、軸向3個(gè)方向;對(duì)高頻信號(hào),只測(cè)垂直或水平一個(gè)方向。因此,對(duì)主軸前后軸承、齒輪箱行星級(jí)軸承和齒輪箱支撐進(jìn)行三個(gè)方向測(cè)量,對(duì)齒輪箱中間級(jí)軸承、高速級(jí)軸承進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量[3]。
根據(jù)系統(tǒng)的功能需求,設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
其中,DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和分析處理。ARM負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、故障診斷功能、人機(jī)接口和各種通信功能。
1.3.1振動(dòng)傳感器的選擇
振動(dòng)可以用位移、速度和加速度三種運(yùn)動(dòng)量來表示。在實(shí)際測(cè)量工作中,由于位移、速度或加速度的傳感器及其微分或積分電路特性等方面的差別,引起的誤差不同;同時(shí),選用什么傳感器,還與頻率的大小有關(guān)。所以,一定要慎重選擇傳感器。
一般,位移傳感器適合于低頻測(cè)量,10Hz以下的低頻振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)可觀的位移。速度傳感器適合于中頻測(cè)量,范圍為10Hz~1kHz。加速度適合于高頻測(cè)量,頻率范圍在2Hz~10kHz之間或更高。高頻振動(dòng)和寬頻帶測(cè)量、沖擊試驗(yàn)及譜分析時(shí),宜選用加速度作標(biāo)量。本次設(shè)計(jì)選用的是位移傳感器和加速度傳感器。
1.3.2通訊及人機(jī)接口
由于風(fēng)電場(chǎng)比較大,每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)相距較遠(yuǎn),要將各風(fēng)電機(jī)的狀態(tài)信息有效可靠的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行分析,就要采用先進(jìn)的通訊工具。在本次設(shè)計(jì)中,主要采用無線通訊方式完成通訊功能。人機(jī)接口包括鍵盤、液晶顯示器、報(bào)警系統(tǒng)。通過人機(jī)接口可以顯示信號(hào)的特征參數(shù)、時(shí)域波形圖和小波分析圖、顯現(xiàn)故障的判斷結(jié)果;還可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù);在有故障時(shí),可以進(jìn)行報(bào)警。
1.3.3輸出控制與擴(kuò)展
當(dāng)監(jiān)測(cè)到嚴(yán)重故障時(shí),系統(tǒng)輸出控制信號(hào),聯(lián)動(dòng)風(fēng)機(jī)控制端,采取一些保護(hù)措施,比如風(fēng)機(jī)飛車、超速時(shí),脫網(wǎng)停機(jī)。
在系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí),可通過擴(kuò)展輸入模塊將其它監(jiān)測(cè)器(標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或無源開關(guān)量信號(hào))接入本系統(tǒng),方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成;可通過擴(kuò)展輸出模塊,方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制外部設(shè)備。
風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分,即DSP數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件、基于ARM的事務(wù)處理與故障診斷軟件[1]。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。
圖3 風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件框圖
1.4.1DSP數(shù)據(jù)采集與處理軟件
由于當(dāng)損傷點(diǎn)與其他軸承元件表面發(fā)生接觸時(shí),將產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力,從而導(dǎo)致軸承系統(tǒng)瞬時(shí)高頻共振。所以故障軸承的振動(dòng)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào),這種瞬時(shí)頻率突變信號(hào)往往被較大的振動(dòng)信號(hào)所掩蓋,從而很難提取故障特征。此次對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析主要從以下兩個(gè)域進(jìn)行考慮。
(1)時(shí)域分析
本系統(tǒng)中,數(shù)字信號(hào)處理器DSP對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行必要的數(shù)字濾波,然后在時(shí)域上分析信號(hào),提取特征信息,即:均方根值、峰值、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)、歪度指標(biāo)、峭度指標(biāo)。
(2)頻域分析
常用的時(shí)頻分析方法包括:瞬時(shí)自相關(guān)、短時(shí)傅里葉變換、Wigner-Vill分布(WVD)等。雖然這些方法對(duì)信號(hào)的時(shí)頻分析具有一定的效果,但都或多或少存在著一些問題。而小波分析是一種優(yōu)良的時(shí)頻分析法,它是一種窗口大小固定但其形狀可改變的時(shí)頻局部化分析方法,在處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí),精確度較高。通過小波變換把振動(dòng)信號(hào)正交分解到獨(dú)立的頻帶內(nèi),同時(shí)從時(shí)域和頻域給出信號(hào)特征,可以在不同頻帶內(nèi)監(jiān)測(cè)軸承故障。
各種小波算法中,小波包變換是一種新興的時(shí)頻分析方法,不但能分解低頻部分,還能對(duì)高頻部分進(jìn)一步分解,并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征,自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶,使之與信號(hào)頻譜相匹配,從而提高時(shí)—頻分辨率,因此選用小波包分析算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析非常適合。系統(tǒng)在DSP上實(shí)現(xiàn)小波包分析,既可以有效診斷設(shè)備故障,又滿足了實(shí)時(shí)分析的要求。
小波包頻帶分析技術(shù)的理論依據(jù)是Parseval能量積分等式。小波變換系數(shù)d(j,k)的平方具有能量的量綱,可以用于軸承故障診斷的能量特征提取。提取步驟如下[4,5]
①對(duì)信號(hào)進(jìn)行j層小波分解。
②計(jì)算各頻帶的信號(hào)能量,其公式為
其中,E(j,k)表示第j層第k個(gè)子頻帶上的信號(hào)能量。
③將各個(gè)頻帶的信號(hào)能量組成特征向量,即
④當(dāng)能量較大時(shí),E(j,k)通常是一個(gè)較大的數(shù)值,給數(shù)據(jù)分析帶來了一些方便,為此將能量特征向量進(jìn)行歸一化處理。
其中,E(0,0)為信號(hào)總能量。假定原信號(hào)按某一小波包分解樹分解后由M個(gè)子頻帶組成,則:
1.4.2 ARM事務(wù)處理與故障診斷軟件
本系統(tǒng)中,ARM事務(wù)處理與故障診斷軟件包括四個(gè)部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊把采樣數(shù)據(jù)及分析結(jié)果存儲(chǔ)到大容量非易失閃存上,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放和進(jìn)一步處理。故障診斷主要是ARM處理器根據(jù)DSP提取的振動(dòng)信號(hào)特征,診斷風(fēng)電機(jī)組的顯現(xiàn)故障。人機(jī)接口部分完成顯示、鍵盤響應(yīng)等工作。通訊模塊主要將采集的數(shù)據(jù)及提取的特征參數(shù)打包,完成無線通訊。
1.4.3 DSP和ARM之間的通訊
由于DSP和ARM各有不同的硬件特點(diǎn),兩種處理器的運(yùn)算速度各不相同,所以DSP和ARM之間的數(shù)據(jù)通訊問題就成了一個(gè)難題。在DSP與ARM結(jié)合時(shí),既要考慮數(shù)據(jù)交換時(shí)的高效率,又要做到系統(tǒng)功能穩(wěn)定,功耗小,讓兩者的工作達(dá)到最好的狀態(tài)。本系統(tǒng)將通過DSP的HPI(Host Port Interface)接口完成兩者的通訊工作。HPI是DSP上配置的與主機(jī)進(jìn)行通信的片內(nèi)外設(shè),它是一個(gè)并行接口。HPI接口的訪問主要通過三個(gè)專用寄存器來實(shí)現(xiàn),它們分別是HPI控制寄存器(HPIC)、HPI地址寄存器(HPIA)和HPI數(shù)據(jù)寄存器(HPID)。而DSP則用片上的DMA來進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)讀/寫。HPI的數(shù)據(jù)、控制引腳都是專用的,它保證了HPI和DSP操作的并行性,提高了系統(tǒng)的處理速度。
本次研究設(shè)計(jì)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),是一個(gè)功能豐富、性能可靠的風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組重要部件的運(yùn)行狀態(tài),診斷風(fēng)電機(jī)組的顯現(xiàn)故障,顯示信號(hào)的特征參數(shù)和分析診斷結(jié)果;還可以通過無線通訊方式,為上位機(jī)進(jìn)一步診斷和預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的故障提供可靠數(shù)據(jù)。
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