史 偉，竇玉祥，田 仁，何 明，陳 波

（國電聯合動力技術（連云港）有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

在人們不斷探索人與人的現代通信技術的同時，視覺也在物與物的通信角度悄然翻開。為了更好地服務電子信息傳遞，人們最初在部分物體打上條形碼，這大大提高了物品識別的效率，隨著RFID、藍牙、ZigBee等近場通信技術的發(fā)展，RFID、二維碼等各種現代識別技術逐步得到推廣應用。在摩爾定律的推動下，芯片體積不斷縮小，功能更加強大，傳感器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸趨向集成化、微型化和網絡化。隨著云計算技術的不斷發(fā)展成熟，對海量數據的處理問題也將得到解決，物品自身的網絡與人的網絡相連通已經成為大勢所趨。

在風電系統中，螺栓作為風機部件的連接件，其鎖緊的質量至關重要，螺栓的力矩值作為鎖緊質量中一個重要的參數，是否滿足風電系統的工藝安裝要求，決定了風機是否能夠長期安全穩(wěn)定的運行。所以本文根據傳統套筒在螺栓擰緊過程中存在的缺陷，指出現在工藝的不足，從物聯網、設備安全、網絡通信、數據傳輸等方面綜合考慮，提出開發(fā)一套風機螺栓力矩智能化管理監(jiān)測平臺。通過實踐證明，該平臺大幅度提高了風機螺栓力矩擰緊的生產效率，為企業(yè)降低了生產成本，保障了螺栓的裝配質量和風機安全性能，對于風電系統整機企業(yè)的智能制造具有一定的參考意義［1］。

1 傳統套筒螺栓擰緊工藝現狀

傳統小螺栓通常用活扳手和套筒（呆）扳手緊固，大螺栓用加長臂套筒扳手緊固，有些人只是用錘子敲擊套筒扳手來緊固螺栓。后來，螺栓的緊固方式由氣動、電動、液壓扳手和液壓擔架緊固。對于一些高強度的螺栓，只能通過螺栓中心孔加熱，使螺栓伸長，然后擰緊螺母，如螺栓冷卻收縮，達到擰緊的目的。手動擰緊時，只能用扳手轉動螺母，直到固定為止。螺栓擰緊后的預緊力無法控制，只取決于施工人員的強度和習慣。

傳統的液壓扳手擰緊時，雖然可以通過液壓泵站設定輸出的壓力來對應旋轉螺栓的力矩，但為了防止螺栓轉動，必須使驅動力與反作用臂平衡。根據力矩平移規(guī)律，產生一定的偏載。由于螺栓與螺母的接觸螺紋之間存在間隙，擰緊時螺紋間的表面接觸會變成線接觸，大大增加了螺紋間的摩擦。反作用臂支點的變化也會引起螺栓摩擦力和正壓力的變化。因此，盡管傳統的液壓扳手為每個螺栓提供了相似的擰緊力矩，但每個螺栓的實際預緊力并不相同。

由此可見，傳統的緊固方法無法保證螺栓的預緊力，并且在工作過程中無法有效記錄螺栓擰緊的力矩值。因此，要保證螺栓的工藝并提升工作效率，實時記錄力矩值，需要從以下幾個方面著手解決。第一，在法蘭和墊片質量通過的前提下，螺栓的預緊力和偏差是決定法蘭是否泄漏的重要因素。第二，控制螺栓的預緊力，選擇正確的螺栓擰緊工藝是非常重要的。第三，螺栓擰緊過程中需要添加智能化傳輸設備，能夠實時有效地記錄螺栓的力矩值，這樣才能保證螺栓鎖緊的質量［2］。

2 智能套筒在力矩平臺中的工藝研究

智能套筒集成了無線動態(tài)力矩傳感器，取代傳統的套筒，它可以通過藍牙或者WiFi的形式，將數據傳輸至配套的液壓泵站的PLC，PLC通過內部邏輯設定與采集的力矩值及其他各項數據指標的范圍作出判斷分析，從而發(fā)出相關指令，消除因設備的過載運行等導致的鎖緊質量缺陷及安全隱患。同時PLC通過無線通信模塊將數據傳輸至工控機，工控機通過無線傳輸方式通過無線網關將數據傳輸至力矩平臺，這樣所有的設備數據都能保存在平臺服務器，實現工廠設備操作的合理化記錄，大大減少了人為的誤操作概率，提高了生產效率。

智能力矩套筒上緊時，不僅應過度拉伸螺栓，而且智能力矩套筒上緊螺栓的預緊力精度較低。液壓扳手和智能力矩套筒緊固螺栓的試驗結果表明，預緊精度分別為（+15%）和（+51%）。

3 基于智能套筒的力矩監(jiān)測平臺設計

風機螺栓力矩智能化監(jiān)測平臺設計分為軟件平臺設計、硬件設計、網絡架構3部分，為了滿足平臺運行條件，采用軟硬結合方式，系統功能如圖1所示，該平臺可采集風電工廠的螺栓套筒實時力矩值、泵站壓力、PLC設備在線率等實時數據，生成文本和圖表形式的各項報告，實現對螺栓、泵站、PLC的控制和監(jiān)測［3］。

圖1 系統功能

平臺硬件部分主要有智能套筒、中繼網關接收器、壓力變送器等現場采集設備和PLC控制器［4］、服務器及終端顯示設備構成，其中PLC是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的電子裝置，通過數字量和模擬量輸入/輸出來控制各種類型機械的生產過程，是工業(yè)控制的核心部分。為方便客戶隨時掌控套筒力矩和泵站壓力等信息，該平臺采用C/S體系結構，利用壓力傳感器、RFID射頻［5］等物聯網技術采集實時數據，通過工業(yè)以太網將信息傳送到中控室的服務器，使服務器與硬件設備通信并進行數據處理和運算，并制定友好的大數據人機交互界面，支持計算機的瀏覽和操作。硬件組成如圖2所示。

圖2 平臺硬件構成

網絡硬件架構設計根據現場環(huán)境確定采用樹形以太網架構，樹形網絡也叫多星級型網絡。樹形網絡是由多個層次的星型結構縱向連接而成，樹的每個節(jié)點都是計算機或轉接設備。一般來說，越靠近樹的根部，節(jié)點設備的性能就越好。樹形拓撲從總線拓撲演變而來，形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支［6-7］。

本網絡架構設計易于擴展，故障隔離較容易，但是各個節(jié)點對根的依賴性太大，一旦根節(jié)點出現問題，將導致網絡的全部癱瘓。網絡架構如圖3所示。

網絡軟件架構設計對網絡感知層、傳輸層和應用層進行安全設計［8］，提高信息采集、傳輸和控制的可靠性。在感知層，采用多位置、多方向和穩(wěn)定的無線路由節(jié)點［9］進行分布，形成全面的網絡監(jiān)測系統；在傳輸層，采用工業(yè)以太網和I/O總線來提高信息傳輸的及時性、完整性和抗干擾性；在應用層，采用J2EE中間件、WebService、數據分析及挖掘等網絡安全技術來實現信息控制和管理［10-11］。

該平臺軟件采用JAVA語言開發(fā)，利用MySQL數據庫存儲各類數據，集成了大屏幕遠程控制、綜合數據分析、設備報警分析、設備在線率統計等功能，支持電力系統多種類型的通信規(guī)約。平臺采用模塊化設計方法，利用表現層、業(yè)務邏輯層、數據訪問層3層架構進行設計，實現了平臺軟件的“高內聚，低耦合”，使平臺具有良好的可擴展性。系統軟件功能如圖4所示。

圖3 樹形網絡

圖4 系統軟件功能

在系統軟件功能中，傳感器等設備采集到的數據經通信網絡傳輸至服務器，服務器后臺處理程序通過WebSocket等接口將各項數據進行運算和整合，生成曲線圖，通過客戶端實現報警事件的顯示，實現歷史存儲、控制運算、事件記錄、報警檢查、數據處理等功能。客戶通過瀏覽客戶端進行套筒力矩值和壓力變送器的壓力值進行監(jiān)測，當監(jiān)測到數據異常時，可以讀取實時庫數據，向PLC控制器發(fā)送控制指令來響應，實現平臺的報警聯動監(jiān)控功能。

風機螺栓力矩智能化監(jiān)測平臺優(yōu)勢有以下方面：

（1）在線監(jiān)測，可實時監(jiān)測力矩套筒擰緊螺栓的力矩值、壓力值等相關參數。

（2）定位追溯，基于物聯網無線通信技術，精確定位螺栓擰緊工位位置。

（3）報警聯動，主要提供事件報警和提示，基于工作流和規(guī)則引擎進行硬件聯動。

（4）趨勢預警，基于預先設定的規(guī)則進行事件處置和預警分析。

（5）安全隱私，采用自組局域網通信傳輸，保障了企業(yè)數據安全。

4 結語

物聯網技術為風電行業(yè)的發(fā)展帶來了前所未有的機遇，促進了風電行業(yè)的信息化、自動化和互動化建設，使風電系統具有智能計算、網絡通信、精確控制、遠程協作等功能，加強了設備間的聯系，讓多個設備能與計算機相連，使監(jiān)測、管理更加集中化和智能化，為維護人員及時反饋設備信息，讓風電的生產得到低成本和高效率的發(fā)展。

風機螺栓力矩智能化管理監(jiān)測平臺雖然利用了現今的物聯網技術實現螺栓力矩的智能管理，但也存在一些問題。在套筒精確定位螺栓方面，由于當前國內GPS技術限值導致無法精確定位套筒所打螺栓的位置。在網絡安全方面，由于數據采集和傳輸一般都是在無人值守環(huán)境下，所以在原有的傳統網絡上加強網絡安全將會成為一個挑戰(zhàn)，這需要從網絡感知層、傳輸層和應用層進行安全設計來提高信息的有效采集、可靠傳輸和及時控制。在控制方面，方泵站對套筒供給壓力過大或出現故障問題時，雖然系統能進行自行分析和及時報警，但大部分問題還是需要工作人員趕赴現場才能解決，離真正的無人值守和完全自動控制還有一定的差距。這些問題將會在一定時間內合理地存在，要解決這些問題，就要建立一個統一的框架，把技術、網絡信息資源及終端進行有機融合，提高自主研發(fā)能力，逐步推進物聯網在風電行業(yè)的應用［12］。