陳 欽

（福建省三川海上風電有限公司，福建 莆田 351100）

0 前言

近年來，風電項目的建設規(guī)模越來越大，風機也朝著大型化和高性能化的方向發(fā)展，因此作為風機重要的受力部件，葉片就需要承受更大的風力荷載。風機葉片應力監(jiān)測系統(tǒng)在保證風機葉片具有良好性能的過程中發(fā)揮了重要的作用，它實現(xiàn)了全面、準確地對風機葉片應力進行分析、判斷和監(jiān)管的功能，而風機葉片應力監(jiān)測系統(tǒng)的實踐應用是該文的主要研究內(nèi)容。

1 系統(tǒng)概述

在風力發(fā)電項目中，吊裝位置不同的風機葉片所承受的風荷載也不同，而葉片直接影響風機的效率，進而影響發(fā)電機組的效率。準確地確認風機載荷可以促進其機組的優(yōu)化操作且便于維護；同時，結(jié)合載荷監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，還能夠掌握機組的運行情況和壽命，判斷其繼續(xù)運行以及運行壽命的狀態(tài)。根據(jù)上述需求，該文設計了一種葉片應力監(jiān)測系統(tǒng)，在葉片根部位置設置應力監(jiān)測傳感器，獲取葉片在扭轉(zhuǎn)以及拉伸時所受荷載的實時變化情況，從而獲取轉(zhuǎn)子的葉根載荷。

借助該系統(tǒng)可以對葉片、葉輪所受風力的荷載進行記錄和保存并結(jié)合實際情況和管控要求借助變槳的控制設施來實時調(diào)整漿葉的角度，實現(xiàn)葉片和軸承所受荷載的最小化控制，促進其運行效率的優(yōu)化與提升[1]。同時，該系統(tǒng)以PLCnext 架構(gòu)平臺為基礎，研發(fā)了風機葉片的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控柜模塊，對所采集的數(shù)據(jù)進行處理與管控，并且能夠通過通信接口把數(shù)據(jù)傳輸、共享給上級單元。該系統(tǒng)是以模塊化理念為基礎而研發(fā)的，便于以后對其進行擴展、升級和優(yōu)化改造。

2 系統(tǒng)應力測量的原理

風機葉片在受力過程中所受的應力主要有2 種，分別是翼面應力和邊緣應力。其中，翼面應力指風機葉片在迎風受力狀態(tài)下呈現(xiàn)的應力；邊緣應力指因葉輪的旋轉(zhuǎn)遭受空氣作用影響而使葉片遭受的應力。系統(tǒng)在采集應力情況時，將應變傳感器設置在風機葉片的根部位置并在每個葉片的翼面、邊緣方向各安裝2 個傳感器，以構(gòu)建正交回路體系，通過模擬量的信號對電路進行調(diào)整，達到采集、分析和計算相關(guān)數(shù)據(jù)的目的。同時，使用PLC 完成裸值處理以及剔除壞值等任務，最終獲取準確的應力值。在測量應力情況時，針對應變片首先須進行電橋連接；其次，對電橋進行加電處理；最后，通過加電處理后，將應變片所產(chǎn)生的電阻變化信號進行電信號轉(zhuǎn)化并輸出[2]。在實際運用中，要根據(jù)圖1 中的回路方式給具有同一方向狀態(tài)的傳感器接入模塊，從而實現(xiàn)搭建電橋回路的目標[3]。電橋搭建的回路如圖1 所示。

圖1 電橋搭建的回路

3 監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案

3.1 系統(tǒng)主要構(gòu)成

該系統(tǒng)的主要功能是對風機葉片的應力進行監(jiān)測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并借助相應通信協(xié)議根據(jù)要求將數(shù)據(jù)對外傳輸?shù)街付ㄎ恢没蛘咻d體。在該系統(tǒng)內(nèi)，所包括的系統(tǒng)部件主要有1 個葉片監(jiān)控控制柜、12 根10 m的傳感器電纜以及12 個應力傳感器。該系統(tǒng)具備的主要功能包括通過PLCnext 平臺對葉片應力監(jiān)測的傳感器所采集數(shù)據(jù)進行預處理；系統(tǒng)在使用的過程中具備無線通信的功能，能夠接入WLAN；系統(tǒng)內(nèi)的電源進線、內(nèi)部的電源回路、信號處理和控制柜的內(nèi)部空間等都設置有浪涌保護措施。系統(tǒng)內(nèi)的控制柜參數(shù)如下：控制柜的輸入電源為220 V AC；控制柜的規(guī)格為480 mm×480 mm×250 mm；控制柜的材料為不銹鋼304；控制柜的防護等級為IP54；工作溫度為-25 ℃～60 ℃；存儲溫度為-40 ℃～70 ℃。

3.2 葉片應力監(jiān)測傳感器布置

該系統(tǒng)所用的葉片傳感器為德國菲尼克斯研發(fā)的RM-S 傳感器，在每個葉片根部安裝4 個傳感器，且安裝的位置一般位于距離葉根部約0.4 m 的地方。該傳感器便于安裝，當應變處于±1 000 μm/m 時，其疲勞壽命能夠達到108次。該傳感器的主要參數(shù)包括連接為A 編碼的M12 連接器；最大工作延伸率為1 500 μm/m；斷裂延伸率為2 500 μm/m；電阻值為（350±0.3%）Ω；防護等級為IP68[4]。在連接器的引腳分配中，傳感器主要與具有控制柜指定孔式的連接器相連。

3.3 PLCnext 控制器及I/O 實現(xiàn)

該控制器為開放式的平臺，主要包括模塊化的工程軟件、開放式的控制平臺以及系統(tǒng)云等部分，滿足功能變化和擴展的需求，因此在現(xiàn)有以及后續(xù)軟件的服務中都具有很好的應用效果。該控制器具有許多功能，主要包括使PLC 實時數(shù)據(jù)與性能保持一致，在高級語言以及基于模型代碼中也具有良好的適用性；能夠有效集成開放源的代碼軟件以及應用程序，在調(diào)整方面具有無限的可能性；能夠融合目前以及將來的通信標準，借助云連接達到智能聯(lián)網(wǎng)的效果；不同開發(fā)人員能夠通過不同編程語言進行獨立開發(fā)，達到快速開發(fā)相關(guān)應用的目的。

該控制器的硬件參數(shù)包括Cyclone 5與ARM Cortex-A9 CPU 2×800 MHz；512 MB RAM，OEM 可選擇升級到1 GB；SD 閃存卡插槽；1 個ETH-MAC 接口（2×10/100 MB） 和2 個IP 交換；C 型Micro-USB；實時時鐘；Axio 現(xiàn)場總線，最多支持63 個模塊；左側(cè)擴展能力；安全可信平臺模塊 （TPM）；溫度范圍為-25 ℃～60 ℃。

該控制器的SGI 模塊的主要參數(shù)包括菲尼克斯Axioline F I/O 系統(tǒng)，它是應變計的測量與采集模塊；本地總線的傳輸速率為100 Mbit/s；保護等級為IP20，涉及總線的基礎模塊以及Axioline F 的連接器。該模塊具有許多的功能，主要包括2 個用在應力測量中高精度的輸入；在交付期間測量的范圍能夠按照名義的特征值進行調(diào)整；以人工方式輸入特征值；在更新過程數(shù)據(jù)時，可以對200 μs與100 ms 間的增量數(shù)據(jù)進行設置；可以對環(huán)境過程的路徑進行調(diào)整處理；具備2 點調(diào)節(jié)能力；通過4 線與6 線連接技術(shù)連接應變儀；先期開路檢測；傳感器的電源能夠達到115 mA，稱重的傳感器共有8 個，且每通道具有350 Ω；每個通道都是低電阻，使用浮地式N/O 觸點方式；借助總線系統(tǒng)能夠分別對各個通道的參數(shù)進行設置。

系統(tǒng)用WLAN2100 路由器接入無線，該設備客戶端存在2 個MIMO（內(nèi)部天線），它們都是單孔安裝，參數(shù)分別是IP66/IP68 和WLAN 802.11 a、b、g、n，天線頻率分別為2.4 GHz 和5 GHz；RJ45 是傳感器的連接器，主要用在局域網(wǎng)中。

4 系統(tǒng)的安裝

在安裝系統(tǒng)的過程中，主要涉及的安裝部件有安裝控制柜、安裝及連接應力監(jiān)測的傳感器和傳感器的線纜布線等。

在安裝控制柜時，將其打孔安裝在輪轂內(nèi)，控制柜要結(jié)合機型的需要對結(jié)構(gòu)進行合理設計。

安裝及連接應力監(jiān)測的傳感器包括基板準備、傳感器對齊、傳感器粘貼、電纜安裝以及連接器的引腳分配等環(huán)節(jié)。在安裝前，要做好基板的準備工作，清理基板，通過清潔劑有效清除基板表面的油污、油脂與灰塵等物質(zhì)；有時還需要借助工具對基板進行打磨處理，使其具有良好的平整性和光滑度。在安裝時，要對傳感器進行對齊處理，與RM-S 型號評估單元進行搭配時，要求每個葉片的根部要設置4 個傳感器（分別在葉片0°、90°、180°以及270°的位置安裝），并且傳感器表面的箭頭朝發(fā)電機的輪轂方向，安裝時還要讓其盡量與葉片軸保持平行。

完成傳感器的對齊和定位工作后，要粘貼傳感器，粘貼前要先了解黏合劑的生產(chǎn)信息并閱讀黏合劑的使用注意事項，通過黏合劑在葉片相應位置粘貼傳感器，保證傳感器具有牢固的安裝效果。在安裝電纜時需要按照要求路徑對電纜進行無張力鋪設，同時借助電纜將傳感器與評估單元的底部位置指定孔式的連接器進行內(nèi)連接，達到連接器和評估單元有效連接的目的。在傳感器的線纜布線中，要結(jié)合機型選擇布線方式，通常選擇蛇形方式進行布線，該布線方式主要是在輪轂和葉片之間設置彈簧。

5 系統(tǒng)的軟件設計與實踐

5.1 系統(tǒng)點表

該系統(tǒng)軟件部分的系統(tǒng)點表情況見表1。

表1 系統(tǒng)點表

5.2 系統(tǒng)的參數(shù)設置

系統(tǒng)采用基于BS 架構(gòu)的框架設計，因此可以方便地使用瀏覽器進行訪問，控制器IP 地址后加上“/ wbm”即可訪問，例如https：//192.168.0.11/wbm/Login.html。建議使用火狐瀏覽器打開HMI 頁面。頁面登錄的用戶名為admin，密碼為控制器的密碼，可以在控制器的本體正面找到該密碼。

用戶在HMI 頁面中可單擊“Configuration Mode” （配置模式）按鈕對參數(shù)文件配置進行修改。在頁面中的Search框內(nèi)輸入需要查詢的變量名稱即可查詢變量。每個參數(shù)的左側(cè)都有相關(guān)描述，用戶可以輸入所需要的參數(shù)值，下面灰色的數(shù)值是系統(tǒng)當前在線值。

更改參數(shù)文件中的變量設置后，單擊“Apply Parameters”（應用參數(shù)）按鈕，系統(tǒng)將驗證所有參數(shù)文件，并確保系統(tǒng)重啟后應用新的參數(shù)文件。通過Progress of initialization 狀態(tài)條可以實時顯示當前配置狀態(tài)。

需要特別注意的是，在新系統(tǒng)的調(diào)試過程中，需要對風機3 支葉片的參數(shù)進行配置，需要確認3 支葉片的以下配置信息：1） 葉片根部的厚度。2） 葉片根部的楊氏模量。3） 葉片根部的橫向收縮系數(shù)。4） 葉片根部的等效空氣動力點距離。5） 葉片長度。6） 葉根半徑。7） 輪轂半徑。8） 葉片錐角。

確認以上參數(shù)信息后，打開相應的參數(shù)文件頁面，填入相關(guān)參數(shù)。

用戶可以單擊“Calibration”（校準）組中的“Calibrate zero point”（零點校準）按鈕來校準當前葉片。在按鈕前一列，用戶可以觀察葉片的校準狀態(tài)。 如果顯示“Zero point calibrated”（零點已校準），則校準成功。如果葉片已經(jīng)校準，則用戶必須單擊“Reset zero point”（重置零點）才能觸發(fā)新的校準程序。

將3 支葉片分別旋轉(zhuǎn)到葉尖垂直于地面的角度并采用相同的步驟對這些葉片進行校準。重復該操作，直到所有葉片都經(jīng)過校準。

在頁面中可以對不同葉片的揮舞方向和擺陣方向的形變尺度因子進行校準。由風機設計廠家給出風機已知的參考應變點，通過設定每只葉片相應的尺度因子，對數(shù)據(jù)進行預處理，使其接近參考應變值。當3 支葉片的揮舞方向和擺陣方向的形變數(shù)值經(jīng)過零點校準后依然相差較大時，可以確認葉片處于完全健康的狀態(tài)，也可以設定相應的尺度因子對數(shù)據(jù)進行預處理，使其大致在同一區(qū)間范圍。

參數(shù)存儲在SD 卡中的文件系統(tǒng)中。在將參數(shù)加載到程序之前，將由CRC 校驗對每個文件進行驗證。如果用戶在HMI 上登錄，則用戶修改部分或全部參數(shù)時，系統(tǒng)會自動進行CRC 校驗。

5.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

在HMI 中可以在線查看系統(tǒng)的實時值。用戶可以在窗口左側(cè)的樹形視圖中選擇或取消選擇數(shù)據(jù)點，還可以分別通過單擊“啟動”“暫停”或“停止”按鈕來啟動或停止數(shù)據(jù)可視化。在HMI 頁面中可以實時查看3 支葉片的應變、應力和載荷等數(shù)據(jù)曲線。在頁面中可以勾選系統(tǒng)的主要變量，以便用戶有選擇性地查看相關(guān)信息。通過實時比對查看曲線還能及時發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)據(jù)的異常。

通過單擊“Datalogger”（數(shù)據(jù)記錄器）按鈕可以對RM-S 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲文件及數(shù)據(jù)進行設置，默認有3種數(shù)據(jù)存儲方式，分別是快速（High Frequency Logger）、中速（Mid Frequency Logger）以及慢速（Low Frequency Logger）存儲。通過修改數(shù)據(jù)記錄器參數(shù)文件可以對需要記錄的文件名稱、數(shù)據(jù)的時長、數(shù)據(jù)的采樣頻率以及是否激活存儲等參數(shù)進行設置。參數(shù)設定完成后，在控制器相應的文件夾下就會定期生成數(shù)據(jù)記錄文件，方便查看系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)支持有線通信接口（LAN），還支持常用的通信協(xié)議，例如Modbus TCP、PROFINET 以及OPC UA，可與主控/其他上級系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，也可通過SFTP 登入訪問PLC 數(shù)據(jù)，具備較高的兼容性。

系統(tǒng)以開放的PLCnext 平臺為基礎，可靈活擴展I/O或通信組件，編程符合IEC 61131-3 標準，且可以進行高級語言或Matlab Simulink 模型聯(lián)合開發(fā)運行，系統(tǒng)具備較高的可擴展性，可方便、高效地進行二次開發(fā)。

系統(tǒng)軟件模型采用新一代的PLCnext 平臺，系統(tǒng)可自由、開放地開發(fā)基于該平臺的葉片監(jiān)測單機軟件，該軟件采用多編程語言合作開發(fā)，根據(jù)不同的應用場景選擇不同的開發(fā)語言，使其不僅可作為葉片監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集平臺，也可作為風機大部件和運行參數(shù)的驗證平臺，從而實現(xiàn)葉片監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)更加契合的目標，發(fā)揮各自的最大價值，實現(xiàn)葉片狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)分析以及狀態(tài)預警等多維度功能。

6 結(jié)語

綜上所述，該文闡述了風機葉片應力監(jiān)測系統(tǒng)及系統(tǒng)應力測量的原理，從系統(tǒng)的主要構(gòu)成、葉片應力監(jiān)測傳感器布置、PLCnext 控制器及I/O 實現(xiàn)等方面對監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案進行詳細分析并對系統(tǒng)的安裝過程進行說明，希望為相關(guān)項目的建設和技術(shù)的研發(fā)提供參考。