宋利宇，王明，李冰

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.華北電力大學(xué)科技學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

近年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)日益困擾著人類(lèi)的生活和生產(chǎn)，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，越來(lái)越得到世界各國(guó)的重視[1]。偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的系統(tǒng)組成之一。偏航系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；并提供必要的鎖緊力矩，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行[2]。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，偏航系統(tǒng)間歇啟動(dòng)比較頻繁，傳送扭矩較大，傳動(dòng)比高。因此，在運(yùn)行過(guò)程中，偏航系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鍵齒斷裂、軸斷裂、輸出軸鍵槽變形等故障。以某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)為例，該電廠使用的風(fēng)力機(jī)為維斯塔斯V-80的風(fēng)力機(jī)，在發(fā)電過(guò)程中多機(jī)多次發(fā)生鍵齒斷裂故障，造成了比較大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，需對(duì)造成故障的原因進(jìn)行分析并改進(jìn)，避免類(lèi)似事故的再次發(fā)生。

大型風(fēng)電場(chǎng)都安裝有SCADA（Supervisory control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)，但該系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵部位及信號(hào)的監(jiān)測(cè)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和風(fēng)電場(chǎng)對(duì)運(yùn)行可靠性要求的不斷提高，風(fēng)電場(chǎng)迫切需要增加對(duì)風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，為分析偏航系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行狀況提供依據(jù)[3]。

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，具有智能化程度高、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。偏航裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)程序應(yīng)用LabVIEW2012軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集器的通信。系統(tǒng)執(zhí)行效率高、數(shù)據(jù)接收可靠，擴(kuò)展性和可維護(hù)性都比較強(qiáng)[4,5]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要由上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。LabVIEW編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集分析程序在上位機(jī)運(yùn)行，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)卡與數(shù)據(jù)采集器連接并按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)程序控制數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)以及時(shí)域、頻域的分析處理等[6]。數(shù)據(jù)采集器用于將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，需要測(cè)量的參數(shù)主要包括偏航電機(jī)電流/電壓、偏航機(jī)構(gòu)滑板壓力、偏航爪振動(dòng)、偏航噪聲、偏航速率等。將傳感器/變送器安裝在機(jī)艙內(nèi)部相關(guān)位置，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)后送入數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)接口送至上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要包括安裝有LabVIEW2012軟件的工控一體機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和傳感器等。其中數(shù)據(jù)采集器采用的是中泰研創(chuàng)公司的EM-9636B以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器，采用了ARM9處理器和FPGA關(guān)鍵技術(shù)，CPU主頻可達(dá)400MHz，128MB DDR2 SDRAM內(nèi)存，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，通過(guò)10/100以太網(wǎng)控制器與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。信號(hào)輸入采用光電隔離技術(shù)，增強(qiáng)了采集模塊的抗干擾能力；16位A/D分辨率、單端32路模擬信號(hào)輸入；其輸入信號(hào)可為0～5V、0～10V、±5V、±10V、4~20mA等，本系統(tǒng)采用4-20mA的電流信號(hào)。電壓傳感器、電流傳感器、三向加速度傳感器、壓力傳感器、聲級(jí)計(jì)、偏航角傳感器等根據(jù)需要選擇合適型號(hào)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)LabVIEW程序主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能[7]，一是實(shí)現(xiàn)圖形化人機(jī)界面，方便用戶實(shí)時(shí)觀測(cè)偏航裝置運(yùn)行狀況，并進(jìn)行人機(jī)交互操作；二是通過(guò)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行控制命令與數(shù)據(jù)的傳輸；三是上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)分析等功能。

3.1 LabVIEW前面板程序設(shè)計(jì)

利用LabVIEW設(shè)計(jì)的運(yùn)行界面（前面板）如圖2所示。運(yùn)行界面通過(guò)選項(xiàng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)功能選擇的切換，主要包括與數(shù)據(jù)采集器的連接與斷開(kāi)、數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)與停止、網(wǎng)絡(luò)接口參數(shù)配置、A/D采樣參數(shù)配置、實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)分析等，其中網(wǎng)絡(luò)接口參數(shù)配置主要包括數(shù)據(jù)采集器IP地址設(shè)置、以太網(wǎng)端口選擇等；A/D采樣參數(shù)配置主要包括通道選擇、采樣頻率設(shè)置、采樣信號(hào)選擇、單端與差分選擇等。

3.2 LabVIEW后臺(tái)程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW圖形人機(jī)界面前面板的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，LabVIEW后臺(tái)程序需完成上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行TCP通信、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析等功能。在LabVIEW后臺(tái)中，將信號(hào)處理所需要的功能封裝為子VI，用戶利用信號(hào)處理子VI函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需功能。

1）LabVIEW與數(shù)據(jù)采集器的TCP數(shù)據(jù)傳輸

由于工控一體機(jī)的體積緊湊，無(wú)法直接在工控機(jī)內(nèi)部安裝采集卡，因?yàn)椴捎猛庵脭?shù)據(jù)采集器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因此需要在LabVIEW后面板程序?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集器的TCP通信及數(shù)據(jù)傳輸[8]。設(shè)計(jì)上采用服務(wù)器/客戶端通信模式，上位機(jī)工作于服務(wù)器模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收及相關(guān)后續(xù)處理；數(shù)據(jù)采集器工作于客戶端模式，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。服務(wù)器工作時(shí)，首先打開(kāi)TCP連接接收客戶端連接請(qǐng)求，建立連接后，接收客戶端發(fā)來(lái)的采集數(shù)據(jù)（電壓、電流、三向加速度、壓力等）。建立TCP連接實(shí)現(xiàn)程序如圖3所示。

圖1 偏航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 The yaw system diagram of the data acquisition system

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面Fig.2 Data acquisition system interface

圖3 建立TCP連接Fig.3 To establish a TCP connection

2）數(shù)據(jù)保存

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)偏航系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以便在偏航系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行分析。由于偏航系統(tǒng)只有在風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)才會(huì)運(yùn)行，如果對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷連續(xù)保存，會(huì)將偏航系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中，既占用了寶貴的存儲(chǔ)空間同時(shí)該部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)分析沒(méi)有意義，因此對(duì)于數(shù)據(jù)保存設(shè)置為偏航系統(tǒng)每次運(yùn)行時(shí)開(kāi)始保存數(shù)據(jù)，當(dāng)本次偏航結(jié)束后停止保存數(shù)據(jù)，并以開(kāi)始記錄時(shí)間作為該次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件名。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用TDMS文件存儲(chǔ)，TDMS文件是NI公司近年來(lái)首推的工程師和技術(shù)工作人員使用的測(cè)試測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式[9]。TDMS文件采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，占用磁盤(pán)空間小，且支持?jǐn)?shù)據(jù)流高速寫(xiě)盤(pán)。同時(shí)，TDMS文件中還內(nèi)建了有關(guān)采集例如文件、通道組、通道的相關(guān)屬性信息，有助于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分類(lèi)和有效檢索。偏航系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)保存部分程序如圖4所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程如下：當(dāng)偏航系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先建立一個(gè)TDMS文件并以當(dāng)前時(shí)刻命名，讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)寫(xiě)TDMS模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)上，當(dāng)偏航系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后，本次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)束，調(diào)用TDMS關(guān)閉模塊關(guān)閉數(shù)據(jù)文件。

圖4 偏航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)保存Fig.4 The yaw system data acquisition automatically saved

圖5 數(shù)據(jù)采集曲線實(shí)時(shí)顯示Fig.5 Data acquisition curve real-time display

3） 數(shù)據(jù)回放與分析

數(shù)據(jù)回放是為了使用戶在進(jìn)行采集存儲(chǔ)結(jié)束后，對(duì)偏航系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行重新觀察和深入分析以及在偏航系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)用于對(duì)故障原因進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)回放功能程序通過(guò)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存盤(pán)文件，由于數(shù)據(jù)是按照帶索引的二進(jìn)制TDMS文件形式存放于硬盤(pán)中，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時(shí)，回放程序根據(jù)數(shù)據(jù)中數(shù)組元素所對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻及采樣間隔，從第一個(gè)元素或用戶指定時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻開(kāi)始回放數(shù)據(jù)波形，直到最后一個(gè)數(shù)據(jù)或用戶指定結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。

數(shù)據(jù)分析可采用離線分析方式，從二進(jìn)制TDMS文件中將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，可根據(jù)需要進(jìn)行幅度相位譜和功率譜等分析，為操作人員對(duì)偏航裝置運(yùn)行狀況提供參考。

4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)應(yīng)用方案主要應(yīng)用于對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，其目的是為操作人員在分析不同風(fēng)力、風(fēng)向時(shí)偏航系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及在偏航系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)為分析故障原因提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)偏航實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)偏航實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)控制器控制偏航電機(jī)啟動(dòng)與停止，偏航電機(jī)運(yùn)行時(shí)可自動(dòng)建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，停止時(shí)結(jié)束數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線如圖5所示。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電偏航裝置數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用LabVIEW編程開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，能夠有效地完成信號(hào)的采集、自動(dòng)保存、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，在對(duì)多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)可以減少系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本。本系統(tǒng)上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集器之間采用以太網(wǎng)通信的方式，即插即用，應(yīng)用方便。整個(gè)系統(tǒng)體積小，可根據(jù)需要隨時(shí)安裝于需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組偏航裝置中完成信號(hào)采集、存儲(chǔ)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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