廖高華，樂韻斐，周 文

(1.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330099；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804)

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風(fēng)電機(jī)組葉片疲勞加載綜合測試系統(tǒng)

廖高華1，樂韻斐2，周 文2

(1.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330099；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804)

利用LabVIEW研制了風(fēng)電葉片疲勞加載綜合測試系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)存儲和通信控制等功能。采用激光傳感器測距，虛擬儀器軟件采集數(shù)據(jù)處理，PLC趨勢二分法搜索頻率，執(zhí)行相關(guān)程序算法對頻率跟蹤、輸出控制，完成葉片疲勞加載測試過程。試驗結(jié)果表明：使用圖形化軟件編程，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，操作簡便，檢測效率得到很大提高，降低了設(shè)備成本，為風(fēng)電葉片檢測與分析提供一種的實(shí)用手段。

虛擬儀器；PLC；風(fēng)電葉片；疲勞試驗

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，是最具有開發(fā)潛力和發(fā)展優(yōu)勢的新生能源。風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機(jī)組最重要的零部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量是決定風(fēng)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵[1-2]。近年來，葉片的檢測和認(rèn)證越來越受到人們的關(guān)注，其中，葉片疲勞檢測是葉片檢測中的一項重要內(nèi)容。虛擬儀器技術(shù)作為一種新型的、富有生命力的儀器種類，已成為當(dāng)今儀器儀表領(lǐng)域發(fā)展的一個重要研究和應(yīng)用方向[3]。基于虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計風(fēng)電葉片疲勞加載綜合測試系統(tǒng)，選用Leuze激光測距傳感器檢測葉片的位移，采用高可靠性的PLC控制葉片共振頻率的搜索和跟蹤。在工控機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并可繪制葉片振動曲線，使用LabVIEW的圖形化軟件編程，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，操作簡便，測控效率得到很大提高。

1 葉片疲勞加載測試系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)的上位機(jī)為PC機(jī)，基于LabVIEW人機(jī)界面環(huán)境，主要包括3個模塊：傳感器通信模塊用于接收激光傳感器的位移信號，通信模塊用于和PLC通信，數(shù)據(jù)存儲模塊用于記錄系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)。葉片綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 葉片綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下位機(jī)使用高可靠性的PLC控制器，主要包括3個模塊：葉片共振頻率的搜索和跟蹤模塊、與上位機(jī)通信模塊、控制電機(jī)的變頻器通信控制模塊。上下位機(jī)通信選擇接線簡單、傳輸穩(wěn)定可靠的RS485通信。

2 疲勞加載測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件

疲勞加載測試系統(tǒng)的上位機(jī)是由LabVIEW編寫的人機(jī)界面，主要實(shí)現(xiàn)的功能包括上位機(jī)和激光測距傳感器的通信與數(shù)據(jù)采集，和PLC的通信以及數(shù)據(jù)存儲記錄。上位機(jī)和激光傳感器的通信是為了獲得葉片實(shí)時的位移，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲取葉片振動的頻率和振幅等參數(shù)。上位機(jī)和PLC通信是發(fā)送設(shè)置參數(shù)和指令到PLC并接收來自PLC的系統(tǒng)狀態(tài)，整個程序采用基于LabVIEW生產(chǎn)者/消費(fèi)者的設(shè)計模式。

2.1 傳感檢測模塊設(shè)計

傳感檢測模塊主要從數(shù)據(jù)幀中提取位移和處理位移數(shù)據(jù)獲取葉片振動的振幅和頻率等信息。LDS30激光測距傳感器可以設(shè)置模擬量、數(shù)字量或者開關(guān)量輸出，而數(shù)字量傳輸模式有ASCII、14位、16位、20位和遠(yuǎn)程控制模式等。系統(tǒng)選擇RS485數(shù)字量輸出，傳輸模式為16位傳輸模式，測量得到的是16位的數(shù)值，測量范圍是0～30 m，測量精度1 mm，但是測量范圍受到測量時間的限制。在得到葉片的位移后，經(jīng)過計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理可以得到葉片振動的振幅和頻率等信息。

在持續(xù)接收激光測距傳感器的數(shù)據(jù)后，提取位移數(shù)值就得到振動波形圖，進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理后可以得到相應(yīng)的振動參數(shù)，數(shù)據(jù)處理如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理示意圖

(1) 葉片振動頻率：記錄2次位移正向穿越零點(diǎn)(前一個點(diǎn)位移小于零，后一個點(diǎn)位移大于或等于零)之間的采樣點(diǎn)數(shù)N.由于傳感器采樣時間為ts(ms)，則葉片振動頻率f=1/(N×ts×10-3)。

(2) 葉片振幅：取一定數(shù)量的點(diǎn)(選定大約2個周期內(nèi)的點(diǎn))組成數(shù)組，將數(shù)組中最大值減去最小值得到的數(shù)除以2，得到葉片振動振幅A=(xMAX-xMIN)/2。

(3) 葉片振動次數(shù)：在葉片振動過程中，如果振動沒有達(dá)到一定的幅值，加載就不會達(dá)到要求的疲勞效果，因此在記錄振動次數(shù)時，要在振幅達(dá)到要求后才可以累加振動次數(shù)。即在位移正向穿越90%指定振幅點(diǎn)的時候(前一個點(diǎn)位移小于90%指定振幅，后一個點(diǎn)位移大于或等于90%指定振幅)，振動次數(shù)加1。如果振幅沒有達(dá)到要求，振動次數(shù)不累加。

2.2 PLC通信模塊

LabVIEW和PLC的通信是基于RS485的異步串行通信，采用基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計模式的通信模塊，程序框圖主要由2個隊列(接收隊列和發(fā)送隊列)和4個while循環(huán)(接收數(shù)據(jù)循環(huán)、處理接收數(shù)據(jù)循環(huán)、處理發(fā)送數(shù)據(jù)循環(huán)和發(fā)送數(shù)據(jù)循環(huán))構(gòu)成。通信模塊的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 通信模塊結(jié)構(gòu)原理

2.3 數(shù)據(jù)記錄模塊設(shè)計

利用LabSQL訪問數(shù)據(jù)庫Microsoft Access，LabSQL VIs按照功能可以分為4類：Command VIs，Connection VIs，Recordset VIs和Top Level Vis?；贚abSQL數(shù)據(jù)記錄模塊的步驟如下[4]：

(1) 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源。在應(yīng)用LabSQL之前，需要預(yù)先創(chuàng)建數(shù)據(jù)源。也就是使用Microsoft Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件，建立數(shù)據(jù)表單和設(shè)置相應(yīng)的字段。

(2) 建立與數(shù)據(jù)庫的連接。首先通過ADO Connection Create.vi創(chuàng)建一個Connection對象，然后利用ADO Connection Open.vi建立與數(shù)據(jù)庫的連接。

(3) 執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作。將相應(yīng)SQL命令(插入、查詢和刪除等)連接到ADO Connection Execute.vi即可執(zhí)行命令。

(4) 斷開與數(shù)據(jù)庫的連接。利用ADO Connection Close.vi關(guān)閉Connection對象，并使用ADO Connection Destroy.vi銷毀Connection對象。

3 疲勞加載系統(tǒng)下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)共振頻率的搜索和跟蹤，共振頻率搜索首先根據(jù)試驗葉片的已有參數(shù)確定共振頻率所在頻率區(qū)間，然后設(shè)計搜索策略在區(qū)間中找到共振頻率。在找到共振頻率之后，系統(tǒng)保持在共振頻率下運(yùn)行。此外，下位機(jī)還需接收上位機(jī)的參數(shù)設(shè)置或指令并將系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)顯示或記錄，實(shí)現(xiàn)與變頻器的通信，通過Modbus傳輸數(shù)字量給變頻器去控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.1 頻率搜索模塊設(shè)計

疲勞加載系統(tǒng)需要在共振頻率下運(yùn)行，獲取葉片共振頻率有頻率掃描法和趨勢二分法。用于獲取葉片的共振頻率而非固有頻率，在系統(tǒng)阻尼很小時，固有頻率和共振頻率才近似相等。頻率掃描法思路是：選取一個搜索區(qū)間，然后從區(qū)間下限頻率逐步搜索到上限頻率。頻率掃描法在搜索區(qū)間較大，掃描點(diǎn)數(shù)較多時，掃描時間就會很長。在搜索規(guī)模較大時，考慮使用二分法搜索，但二分法使用的前提是掃描區(qū)間的振幅是單調(diào)的，適用于有序數(shù)列。因此，提出改進(jìn)的二分法：帶趨勢判斷的“趨勢二分法”。

趨勢二分法的思路是：選取搜索區(qū)間[flow，fhigh]，計算區(qū)間中點(diǎn)fmid=(flow+fhigh)/2，判斷在中點(diǎn)位置振幅是遞增還是遞減。如果中點(diǎn)振幅等于下一點(diǎn)振幅，即Afmid+fp，那么共振頻率fr=fmid.如果遞增，將搜索區(qū)間下限頻率替代為fmid；如果遞減，將搜索區(qū)間上限頻率替代為fmid。直到搜索區(qū)間小于搜索步長fp，此時共振頻率fr=flow。趨勢二分法流程如圖4所示。

圖4 趨勢二分法流程圖

3.2 頻率跟蹤模塊設(shè)計

頻率跟蹤模塊在系統(tǒng)的共振頻率發(fā)生變化時，能夠跟蹤共振頻率。頻率跟蹤需要調(diào)用頻率搜索模塊，其基本思路為：將傳感器位移信號經(jīng)上位機(jī)處理后得到的實(shí)際振幅與共振振幅相比較，得到振幅偏差，當(dāng)偏差|e|≥ep時，啟動共振頻率點(diǎn)搜索以獲取新的共振頻率和對應(yīng)的共振振幅；當(dāng)偏差|e|

3.3 通信模塊設(shè)計

系統(tǒng)關(guān)注的主要指標(biāo)是通信穩(wěn)定性而非通信速率，PLC和上位機(jī)通信采用自由口通信模式。系統(tǒng)中PLC和變頻器通信，PLC作為主站，變頻器作為從站，主站向變頻器發(fā)送運(yùn)行指令，同時接收變頻器反饋的運(yùn)行狀態(tài)及故障報警狀態(tài)的信號。PLC的Port1和變頻器構(gòu)成Modbus總線，通過PLC控制變頻器完成系統(tǒng)控制要求，實(shí)現(xiàn)對變頻器的速度設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)交換等。通信需要做如下設(shè)置：在PLC端，通過在STEP7中調(diào)用Modbus RTU主站協(xié)議庫，可以使S7-200的通信口工作在自由口模式下，成為Modbus RTU的主站。在變頻器端將變頻器參數(shù)9802設(shè)置為STD-MODBUS通信(標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信)，參數(shù)5202設(shè)置波特率等。

4 疲勞加載系統(tǒng)試驗

試驗采用擺錘式疲勞加載系統(tǒng)對玻璃纖維復(fù)合材料的葉片進(jìn)行翼向加載，設(shè)備使用環(huán)境為室內(nèi)環(huán)境。激光測距傳感器測量距離為0.2～30 m，精度為1 mm，葉片長度為9 m.在現(xiàn)場試驗進(jìn)行的過程中，利用界面的數(shù)據(jù)記錄功能記錄測試數(shù)據(jù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、擺臂轉(zhuǎn)動頻率、葉片振動頻率、葉片振動振幅等參數(shù)，運(yùn)行中的上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)上位機(jī)界面

連接硬件并設(shè)置相應(yīng)的軟件參數(shù)，啟動頻率搜索功能。在不同的轉(zhuǎn)速激勵下，使用激光測距傳感器讀取位移數(shù)值，經(jīng)過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理后得到相應(yīng)的振幅，繪制電機(jī)轉(zhuǎn)速-葉片振幅曲線。通過理論計算及實(shí)際試驗測試得出該系統(tǒng)垂直方向的固有頻率為3.67 Hz，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速為220 r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)速-葉片振幅曲線如圖6所示，可以看出當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為230 r/min時，系統(tǒng)獲得最大的振幅，即系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。系統(tǒng)固有頻率稍小于系統(tǒng)共振頻率，計算機(jī)處理數(shù)據(jù)得到的振幅與實(shí)際振幅較符合，表明激光測距傳感器工作正常、計算機(jī)提取位移數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法合理。在頻率搜索完成后啟動頻率跟蹤功能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在230 r/min，系統(tǒng)以最大振幅振動，頻率跟蹤程序正常發(fā)揮作用。

圖6 轉(zhuǎn)速-振幅曲線

5 結(jié)束語

利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了風(fēng)電葉片加載測試系統(tǒng)，提出LabVIEW上位機(jī)與PLC下位機(jī)的軟件架構(gòu)，選擇RS485作為上下位機(jī)的通信方式。上位機(jī)和激光測距傳感器完成通信、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)記錄，PLC接收上位機(jī)的通信指令，實(shí)現(xiàn)頻率搜索和跟蹤功能。系統(tǒng)使用圖形化編程，為操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)分析及監(jiān)控提供了一種清晰、友好的界面。通過對葉片加載的試驗并采集試驗數(shù)據(jù)，驗證了疲勞加載系統(tǒng)的硬件連接、數(shù)據(jù)通信和軟件功能的正確性和可靠性，為風(fēng)電葉片疲勞加載的試驗和實(shí)際工程提供了基礎(chǔ)。

[1] 張磊安，烏建中，陳州全，等.兆瓦級風(fēng)電葉片靜力加載控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗.中國機(jī)械工程，2011，22(18)：2182-2186.

[2] 李德源，葉枝全，陳嚴(yán)，等.風(fēng)力機(jī)葉片載荷譜及疲勞壽命分析.太陽能學(xué)報，2004，21(6)：118-123.

[3] 劉德輝，廖高華，唐剛.面向機(jī)械參量集成測試的虛擬儀器.儀表技術(shù)與傳感器，2008(2)：92-94.

[4] 金星，巢勇，王盛慧.LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問工具包的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自熱科學(xué)版)，2010，31(3)：324-326.

Research on Fatigue Loading Integrated Test System for Wind Turbine Blade

LIAO Gao-hua1，LE Yun-fei2，ZHOU Wen2

(1.Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China;2.Tongji University，Shanghai 201804，China)

A fatigue loading test system for wind turbine blade using virtual instrument software LabVIEW was developed successfully, including the function of data acquisition and display, data storage and communication control. The laser sensor was used to measure the distance, and the virtual instrument software was used to collect the data. The frequency was searched with PLC trend dichotomy. Frequency tracking and output control were realized by implementing related procedure algorithm, thus the fatigue test process was finished. The experimental results show that the system is powerful in data processing and simple to operate by using the graphical programming software, the detection efficiency is greatly improved and the equipment cost was reduced, thus providing a practical way for the test and analysis of wind turbine blade.

Virtual instrument; PLC; wind turbine blade; fatigue test

2013-12-31 收修改稿日期：2014-10-27

TP274

A

1002-1841(2015)02-0043-03

廖高華(1978—)，副教授，在讀博士，從事機(jī)電液控制及儀器儀表的研究工作。E-mail：wfm_77@163.com