李洪鵬，蔣全勝，殷新培，張其凱，許杰

（蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

綠色裝備技術(shù)

基于LabVIEW的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李洪鵬，蔣全勝，殷新培，張其凱，許杰

（蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

為了提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性、高效率及風(fēng)電機(jī)組的壽命，基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)示系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，獲取能描述風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和故障嚴(yán)重程度的特征信息，給出將來(lái)可能發(fā)生的故障預(yù)示以及相應(yīng)的維護(hù)建議，從而改善風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率和使用壽命。該系統(tǒng)對(duì)于降低風(fēng)電機(jī)組的故障率以及減少因故障帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失具有重要的意義。

LabVIEW；風(fēng)電機(jī)組；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障預(yù)示；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，沒(méi)有傳統(tǒng)的火力發(fā)電存在的資源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題，因此得到了世界各國(guó)極大的關(guān)注和發(fā)展。由于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常被安裝在戈壁灘、草原、海洋和沙漠等偏遠(yuǎn)平曠地區(qū)，所處的運(yùn)行環(huán)境較惡劣，很容易發(fā)生停機(jī)等故障。因此，為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，有必要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)示的開(kāi)發(fā)，提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性和使用壽命[[1-2]。

本系統(tǒng)利用LabVIEW設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，對(duì)信號(hào)進(jìn)行定量分析，進(jìn)而對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及預(yù)估出將來(lái)可能發(fā)生的故障，并及時(shí)的提供維護(hù)信息。該系統(tǒng)采用傳感器作為下位機(jī)，傳感器和計(jì)算機(jī)采用串口單向通信。該系統(tǒng)采用美國(guó)LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析處理采集的數(shù)據(jù)。LabVIEW是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程語(yǔ)言，它在數(shù)據(jù)采集和工程控制方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。系統(tǒng)的核心工作原理是將采集的不同工況風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)于異常狀態(tài)或可能出現(xiàn)的故障，給出故障預(yù)示分析，以及相應(yīng)的維護(hù)建議。

1 LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)

理想選擇[4]。LabVIEW平臺(tái)包含了快速搭建絕大多數(shù)應(yīng)用所需的所有工具，能夠幫助設(shè)計(jì)人員快速解決工程問(wèn)題、提高工作效率。

LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具，采用的圖形化程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為"G"語(yǔ)言。這種語(yǔ)言編程模式為快速構(gòu)建工程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和儀器編程提供了方便。LabVIEW的優(yōu)勢(shì)在于易學(xué)易用、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)具有高性能的模塊化硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)，結(jié)合高效靈活的軟件可完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。

2 風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分：一是由將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的風(fēng)力機(jī)；二是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、控制器及輔助裝置組成，其作用是將轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的風(fēng)能傳遞至齒輪箱，通過(guò)齒輪箱增速，帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)工作。風(fēng)電機(jī)組的類(lèi)型有雙饋型風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組等，其中雙饋型風(fēng)電機(jī)組在我國(guó)實(shí)際運(yùn)行數(shù)量最多，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

LabVIEW是一種用于程序開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言環(huán)境，采用圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)程序，是開(kāi)發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的

圖1 雙饋型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)示系統(tǒng)方案如圖2所示，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

首先，在機(jī)組各個(gè)關(guān)鍵部位安裝不同傳感器，采集振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等信號(hào)。如低速軸位置選擇低速加速度傳感器，在高速軸部分選擇壓電加速度傳感器。然后通過(guò)調(diào)整單元和信號(hào)采集卡，輸入到在LabVIEW上開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)運(yùn)用小波消噪的方法進(jìn)行消噪，然后通過(guò)快速傅里葉變換將輸入信號(hào)進(jìn)行分解，通過(guò)曲線擬合、時(shí)域分析、頻域分析等步驟，將數(shù)據(jù)以圖形的形式呈現(xiàn)出來(lái)，并根據(jù)分析得到的結(jié)果對(duì)照正常運(yùn)行時(shí)的信號(hào)，如果出現(xiàn)信號(hào)異常，進(jìn)行故障原因分析，并在系統(tǒng)界面上給出故障預(yù)示以及故障維護(hù)建議。

圖2 風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)示系統(tǒng)方案

3 系統(tǒng)Labview平臺(tái)構(gòu)建

LabVIEW的平臺(tái)構(gòu)建主要分為前面板和后面板，即主界面和源程序。本系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，主界面主要分為：登錄區(qū)、波形顯示區(qū)、文件記錄區(qū)、維護(hù)建議區(qū)。系統(tǒng)功能模塊主要分為信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號(hào)處理模塊、故障預(yù)示與診斷模塊。

3.1 用戶登錄模塊設(shè)計(jì)

用戶登錄模塊是進(jìn)入系統(tǒng)的第一個(gè)步驟，采用密碼登錄主要是對(duì)用戶的使用權(quán)利進(jìn)行限制，防止未授權(quán)用戶進(jìn)入系統(tǒng)，只有登錄成功的用戶才能進(jìn)入相應(yīng)的操作。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行登錄設(shè)置，可以防止非管理人員使用這臺(tái)電腦時(shí)，由于一些錯(cuò)誤的操作，導(dǎo)致刪除一些系統(tǒng)文件、記錄的數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)登錄界面如圖3.

圖3 系統(tǒng)登錄界面

利用波形圖表顯示控件時(shí)刻監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)狀況，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)記錄。在波形圖表上方有四個(gè)復(fù)選按鈕，當(dāng)擬顯示某一部位的波形圖時(shí)，只需將這個(gè)部位的復(fù)選框勾上，可以在波形圖表中任意顯示幾條波形。

系統(tǒng)自動(dòng)將信號(hào)記錄自動(dòng)的保存在電腦。點(diǎn)擊設(shè)置按鈕之后，可以修改信號(hào)記錄保存的位置，便于文件的管理和數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)程序前面板如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序前面板

3.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集是信號(hào)分析的第一步，采集到適當(dāng)?shù)男盘?hào)是信號(hào)分析的前提。這里主要通過(guò)壓電式加速度傳感器進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)采集。系統(tǒng)信號(hào)采集程序圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)信號(hào)采集模塊程序

3.3 信號(hào)處理模塊

LabVIEW提供了各種數(shù)據(jù)處理函數(shù)，包括信號(hào)消噪、功率譜分析、包絡(luò)譜分析等。利用LabVIEW自帶的濾波器可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通、高通、帶通、帶阻濾波處理。

本系統(tǒng)信號(hào)處理模塊主要進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻譜分析。對(duì)于時(shí)域圖，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出峰值、均值、峭度、脈沖因子等波形指標(biāo)，通過(guò)跟正?；蚬收锨闆r下的歷史波形指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，確定出齒輪箱故障狀態(tài)。

3.4 故障預(yù)示與診斷模塊

故障預(yù)示與診斷模塊分為兩個(gè)部分，一個(gè)是故障預(yù)警，另一個(gè)是故障診斷。

（1）故障預(yù)警

故障預(yù)警模塊將采集來(lái)的信號(hào)與設(shè)定的閥值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)量時(shí)進(jìn)行提示和報(bào)警。本系統(tǒng)選取峭度指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)預(yù)警的特征參數(shù)，選取溫度參數(shù)作為對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)，將二者有效結(jié)合能夠起到保護(hù)和故障判斷的作用。

（2）故障診斷模塊

因?yàn)楣收显\斷模塊的計(jì)算量比較大，單純使用LabVIEW進(jìn)行計(jì)算顯得有些困難。所以將LabVIEW和Matlab結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)LabVIEW軟件對(duì)Matlab的調(diào)用。其調(diào)用過(guò)程如圖6所示。

圖6 LabVIEW調(diào)用Matlab程序

當(dāng)故障預(yù)警模塊發(fā)出預(yù)警信息時(shí)，故障診斷模塊開(kāi)始工作，自動(dòng)提取振動(dòng)信號(hào)的故障特征值，并將故障特征值輸入到推理機(jī)，推理模塊計(jì)算后將診斷結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面。診斷結(jié)果顯示在前面板的輸出控件中，根據(jù)輸出來(lái)判斷是哪個(gè)位置故障和故障類(lèi)型以及可能產(chǎn)生故障的原因。

3.5 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用是一個(gè)系統(tǒng)所必須具備的一項(xiàng)功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的目的一是能夠分析數(shù)據(jù)得到被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)變化趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)的狀況，二是分析某些異常狀況的數(shù)據(jù)特征。因此對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存針對(duì)性的采取了兩種存儲(chǔ)方式：

（1）定時(shí)存儲(chǔ)

定時(shí)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一種最常見(jiàn)的存儲(chǔ)方式。定時(shí)存儲(chǔ)就是當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)一個(gè)連續(xù)工作的對(duì)象的時(shí)候，每隔一定的時(shí)間間隔對(duì)被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄。

（2）異常狀況存儲(chǔ)

當(dāng)被測(cè)對(duì)象發(fā)生異常狀況時(shí)，例如設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的記錄下設(shè)備異常這段時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄程序如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄程序

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障多發(fā)部位設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)示系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)信號(hào)采集，采用工程中較常用的時(shí)域、頻域的分析方法進(jìn)行信號(hào)分析和特征提取，并根據(jù)所提取的信號(hào)特征對(duì)照識(shí)別人工設(shè)置的仿真故障來(lái)確定故障部位、故障預(yù)示以及維護(hù)建議。本文對(duì)其他的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究具有參考指導(dǎo)意義。

[1]高羽．?dāng)?shù)字信號(hào)處理在風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J]．上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，13（5）：258-261．

[2]崔偉．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2014．

[3]胡乾苗.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2016．

[4]豈興明，田京京，朱洪崎．LabVIEW入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)開(kāi)發(fā)100例[M]．2版.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5]高志偉．風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)與實(shí)現(xiàn)[D]．上海：上海電機(jī)學(xué)院，2015．

[6]李和平，陳育新．基于LabVIEW工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．機(jī)床與液壓，2015，43（9）：90-93．

Design of Wind Turbine Condition Monitoring and Fault Prediction System Based on LabVIEW

LI Hong-peng，JIANG Quan-sheng，YIN Xin-pei，ZHANG Qi-kai，XU Jie
（School of Mechanical Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215009，China）

In order to improve the reliability and efficiency of the wind turbine，the condition monitoring and fault prediction system of the wind turbine based on the LabVIEW platform is designed.In the system，vibration signal analysis system of wind turbine operation in real-time acquisition is implemented，the time domain and frequency domain analysis are complied，and the feature information of running status or failure degree of the wind turbine is obtained.The system indicates the possible failure in the future，and provides s maintenance information in a timely manner，so as to optimize the operation and working life of the wind turbine.The system is of great significance for the safe operation and economic benefit of the wind turbine.

LabVIEW；wind turbine；condition monitoring；fault prediction；monitoring system

TP216

A

1672-545X（2017）06-0067-03

2017-03-06

蘇州科技大學(xué)科研基金項(xiàng)目（XKZ201408）；江蘇省本科生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510332054X）

李洪鵬（1996-），男，江蘇淮安人，在讀本科生，研究方向：機(jī)電設(shè)備檢測(cè)技術(shù)；蔣全勝（1978-），男，湖北洪湖人，副教授，博士，研究方向：機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。