張健

（北京國電思達科技有限公司，北京 100039）

我國幅源遼闊，風(fēng)資源充足，作為清潔能源，風(fēng)能的利用成為節(jié)能減排低碳可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略組成，近年來風(fēng)力發(fā)電等新能源產(chǎn)業(yè)得到大力的發(fā)展，據(jù)國家能源局發(fā)布統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，風(fēng)電總裝機2.1億千瓦，年發(fā)電量4057億千瓦時，占全部發(fā)電量的5.5%。

受風(fēng)能分布影響，風(fēng)電場大多分布在自然環(huán)境相對復(fù)雜的地域，高熱、高寒、高海拔、風(fēng)沙、鹽霧等運行環(huán)境都會對機組部件造成嚴(yán)重影響，隨著運行時間增長，風(fēng)力發(fā)電機組的一些復(fù)雜的機械部件極容易被損壞，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。為此，降低各部件的故障率，提升風(fēng)電機組的可利用率，通過一些技術(shù)手段檢測機組運行狀態(tài)、在故障發(fā)生早期階段監(jiān)測到異常狀況，及時跟蹤部件損壞程度，制定維護檢修計劃，避免設(shè)備嚴(yán)重損壞所造成的備件成本增加與大部件更換時設(shè)備停工損失已成為一種趨勢。

風(fēng)力發(fā)電機組傳動部件常用的觀測指標(biāo)有溫度、噪聲、振動等，進行振動數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)早期故障，判斷傳動部件內(nèi)部故障發(fā)生位置及嚴(yán)重程度，同時也可預(yù)測故障發(fā)展趨勢并通過實時監(jiān)測數(shù)值變化推斷何時更換故障部件，具有較高的實用價值，因而越來越多的被利用到風(fēng)電機組的監(jiān)測中。早期開發(fā)的離線便攜式振動監(jiān)測設(shè)備可用于運行機組的定期檢查與故障部件的振動診斷，可滿足基本的振動觀測需求，但由于不具備實時觀測功能，數(shù)據(jù)存儲及分析過程較為繁瑣，因而采用具有實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)智能分析預(yù)警功能的CMS在線振動監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)前普遍的需求。

1 風(fēng)電機組傳動鏈振動的特性

風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)主要包含主軸、增速齒輪箱、發(fā)電機等部件，運行時所承受動態(tài)載荷較為復(fù)雜，受載荷沖擊、裝配不當(dāng)、過載、不對中、潤滑不當(dāng)、灰塵及腐蝕等影響，其使用壽命往往小于設(shè)計壽命。故障主要集中發(fā)生在齒輪、軸承、轉(zhuǎn)動軸中，常見形式有：齒輪的嚙合振動、齒輪的固有頻率振動、齒輪磨損引起的振動、齒輪或軸承局部異常引起的振動。

2 在線振動系統(tǒng)組成

風(fēng)力發(fā)電機組在線振動系統(tǒng)主要由振動信號采集單元、風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心、遠程數(shù)據(jù)診斷中心三部分組成。信號采集傳輸單元實時采集風(fēng)力機機艙傳動部件的振動信號，通過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，由數(shù)據(jù)采集器進行信號整合，通過網(wǎng)線接入風(fēng)場SCADA光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中；風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心實時顯示測量到的轉(zhuǎn)速、振動等信號，并進行簡單的數(shù)據(jù)分析與存儲；遠端數(shù)據(jù)診斷中心采用VPN方式接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由專家進行異常機組的故障診斷分析。具體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線振動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號采集單元

每臺風(fēng)力發(fā)電機組安裝8個不同頻段的加速度振動傳感器與一個電感式接近開關(guān)，振動傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理器后輸出直流電壓信號，由ADC轉(zhuǎn)換器進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集器控制ADC轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率由控制程序進行設(shè)定。接近開關(guān)信號接入數(shù)據(jù)采集器的編碼器通道，測量電機轉(zhuǎn)速，所有測量信號均接入風(fēng)電場SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。振動采集單元具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動信號采集單元結(jié)構(gòu)圖

（1）振動傳感器

振動傳感器選用壓電式IEPE/ICP振動加速度傳感器，具有測量精度高、安裝可靠、信號傳輸距離遠、環(huán)境適應(yīng)能力強等特點，本設(shè)計所選用振動傳感器性能滿足如下要求：①通頻傳感器靈敏度100mV/g，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍50g，低頻傳感器靈敏度500mV/g，應(yīng)用范圍10g；②頻率范圍：0.5～10kHz；③量程：不小于0～10g；④防護等級：IP65。具體選型結(jié)果及安裝位置見表1。

表1 振動傳感器選型

（2）信號調(diào)理器

設(shè)計選用2個XK343L型加速度傳感器信號調(diào)理器，通過BNC及2針MIL-C5015接頭電纜連接振動傳感器，為振動傳感器提供4mA恒流源供電電流，具有硬件濾波、去偏置電壓、抗混疊功能，同時可輸出差分電壓信號。單個XK343L信號調(diào)理器具有4個通道，24VDC恒流供電電壓，低頻下限0.08Hz，高頻上限1～100kHz，默認設(shè)置為30kHz，輸出電壓增益為1～100，默認設(shè)置為1。

（3）轉(zhuǎn)速傳感器

選用BESM18EI型電感式接近開關(guān)，安裝在齒輪箱高速軸側(cè)，用來測量電機轉(zhuǎn)速，信號接入數(shù)據(jù)采集器的增量式編碼器測速接口。

（4）ADC轉(zhuǎn)換器

采用基于AD7606芯片的8通道16位ADC同步模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，所有通道都具有高達200kSPS的采樣率，搭載二階抗混疊模擬濾波器，帶8檔數(shù)字濾波器過采樣功能，輸出接口通過8080并行方式接入數(shù)據(jù)采集器GPIO接口。

（5）數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器選用STM32F429BIT6/LQFP-208型ARM微處理器，主頻為180MHz，板載通用GPIO接口、MicroSD數(shù)據(jù)卡存儲接口、RS232串行通訊接口（SP3232）、CAN2.0通訊接口（SN65HVD230）、100M以太網(wǎng)傳輸接口（DM9000）。通過C語言編程實現(xiàn)以下功能：8通道1Hz頻率的數(shù)據(jù)連續(xù)并行采樣、8通道小于20kHz的自定義頻率1分鐘定時數(shù)據(jù)采樣、采集器離線時MicroSD卡數(shù)據(jù)存儲、以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸、編碼器通道轉(zhuǎn)速采集、與風(fēng)機主控PLC CAN模塊通訊傳輸風(fēng)電機組功率、溫度等附加信息。數(shù)據(jù)采集器使用100米CAT6型網(wǎng)線接入風(fēng)機底部監(jiān)控柜的線路交換機，將所采集的信號發(fā)送到SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.2 風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心

風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心由前臺監(jiān)控主機與后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩部分組成，根據(jù)風(fēng)電機組振動監(jiān)測與故障分析預(yù)警的需求分析、不同操作系統(tǒng)的可移植性及大數(shù)據(jù)分析的便利性，采用Python語言環(huán)境開發(fā)前臺監(jiān)控軟件。

（1）前臺監(jiān)控主機

前臺監(jiān)控主機所搭載的監(jiān)控軟件具備實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲分析、故障預(yù)測等功能，監(jiān)控主界面采用Python編程環(huán)境的PyQT5模塊開發(fā)，SocketServer模塊進行數(shù)據(jù)接收與處理，SqlServer模塊進行數(shù)據(jù)庫存儲，采用scipy、numpy、pandas庫進行數(shù)據(jù)分析。

圖3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

圖4 歷史數(shù)據(jù)指標(biāo)分析界面

①實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集各機組1S間隔的周期數(shù)據(jù)，實時顯示風(fēng)機運行狀態(tài)、振動數(shù)值及振動曲線。

②數(shù)據(jù)存儲分析，將實時數(shù)據(jù)存儲到后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出、時域指標(biāo)（峰值、均方根值、偏度、峭度、波形因子、峰值因子、脈沖因子、裕度因子）分析功能及錄波數(shù)據(jù)的時域分析、頻域分析功能。

③故障預(yù)測，通過自學(xué)習(xí)的方法分析歷史數(shù)據(jù)的各類時域指標(biāo)，形成故障閾值，自動識別異常部件。根據(jù)部件的特征頻率設(shè)定錄波參數(shù)，定時采集振動數(shù)據(jù)，通過FFT變換、包絡(luò)解調(diào)分析等識別故障部位及損壞程度。

（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為在線振動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，搭建PostgreSQL 12數(shù)據(jù)庫，按風(fēng)機名稱建立數(shù)據(jù)表，存儲前臺監(jiān)控軟件所獲取的風(fēng)機振動、轉(zhuǎn)速、功率、溫度等所有信息，同時也以獨立文件形式存儲定時采集的高頻錄波數(shù)據(jù)。

2.3 遠程數(shù)據(jù)診斷中心

遠程數(shù)據(jù)診斷中心通過防火墻VPN方式接入風(fēng)電場的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主機具備使用Web網(wǎng)頁連接訪問數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)的功能，振動分析專家可使用專業(yè)分析軟件對數(shù)據(jù)進行診斷分析，檢驗自動分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時生成監(jiān)測報告，保證設(shè)備安全運行。

3 結(jié)語

本文所開發(fā)的振動監(jiān)測系統(tǒng)為機組良好運行提供了另一種可靠的監(jiān)測方式，對于機組的運行狀態(tài)，尤其是對傳動鏈大機械部件的運行狀況趨勢的監(jiān)測分析具有優(yōu)秀的預(yù)報、診斷功能。為設(shè)備正常運行提供保障，提供精細化的設(shè)備管理依據(jù)，減少非計劃停機，提高設(shè)備可利用率，延長機組使用壽命。