萬(wàn)慧明 陳玨良 王 星 肖冬梅

1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司 四川 德陽(yáng) 618000 2.國(guó)家能源集團(tuán)江西電力有限公司萬(wàn)安水力發(fā)電廠 江西 萬(wàn)安 343800

1 引言

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)的核心部件,直接關(guān)系到水電站的安全運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子受到離心力、電磁力、熱應(yīng)力等因素影響,會(huì)出現(xiàn)如磁極引出線變形、磁極線圈匝間開(kāi)裂、螺栓松動(dòng)等故障造成安全隱患[1]。為此,機(jī)組每次檢修時(shí),轉(zhuǎn)子的檢修都是重中之重。

目前,轉(zhuǎn)子的巡檢主要是通過(guò)人工的方式完成,需要技術(shù)人員在停機(jī)檢修時(shí)鉆進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部,手持燈光設(shè)備逐處完成檢查。該種方式檢修時(shí)間長(zhǎng)、人員工作量大,且由于燈光等原因造成漏檢。另外種方式是通過(guò)人工光纖內(nèi)窺鏡的方式[2],該方式能夠巡查的范圍更大,但仍有圖像不清晰,需要人工手動(dòng)操作的問(wèn)題。

本文提出了一種轉(zhuǎn)子視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可在線對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測(cè)、實(shí)時(shí)分析并報(bào)警。立足工程實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求,詳述了轉(zhuǎn)子視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,提出了該系統(tǒng)應(yīng)注意的要點(diǎn)。

2 工程應(yīng)用場(chǎng)景及需求

2.1 工程應(yīng)用場(chǎng)景 國(guó)內(nèi)某水電廠發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為76.9r/min,磁極數(shù)量為78個(gè),磁極處線速度約為50m/s,采用傳統(tǒng)大回風(fēng)結(jié)構(gòu)(無(wú)玻璃鋼擋風(fēng)板),局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子局部示意圖

定子與轉(zhuǎn)子區(qū)域?yàn)閺?qiáng)磁場(chǎng)所區(qū)域,正上方風(fēng)溫在70度左右。上機(jī)架上方為冷風(fēng)區(qū),風(fēng)溫在40度左右。

2.2 工程應(yīng)用需求 為了能夠減少人工巡檢量,需要設(shè)計(jì)一套視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁極上端部的在線巡檢,主要要求如下:

(1)系統(tǒng)安全可靠,不會(huì)對(duì)原系統(tǒng)造成額外的風(fēng)險(xiǎn);

(2)能夠在機(jī)組運(yùn)行時(shí)完成磁極上端部所有畫面的監(jiān)測(cè);

(3)采集的畫面清晰明亮,磁極端部特征無(wú)模糊現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置方案設(shè)計(jì) 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭和光源,結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)需綜合考慮空間、磁場(chǎng)、環(huán)境溫度等因素的影響。

圖2為本方案的結(jié)構(gòu)布置方案。方案中在磁極正上方的機(jī)架上固定一個(gè)鋁制屏幕罩,罩子內(nèi)封裝了相機(jī)和光源,屏蔽罩下方采用了一塊有機(jī)玻璃作為結(jié)構(gòu)光學(xué)通道。該方案能夠保證無(wú)異物掉落到轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi),且不受主磁場(chǎng)影響。由于處在冷風(fēng)區(qū)域,相機(jī)能夠長(zhǎng)期工作。

圖2 結(jié)構(gòu)布置方案

3.2 關(guān)鍵硬件選型 本文針對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件相機(jī)、鏡頭和光源進(jìn)行了選型分析。

(1)相機(jī)選型。相機(jī)選型首先要確定需要的工程應(yīng)用需要的視野范圍。本方案初選用兩張照片覆蓋一個(gè)完整磁極,兩張照片重合30%左右,此時(shí)圓周方向視野在350mm左右,徑向視野需求在500mm左右。按精度1/3mm設(shè)計(jì),至少需求橫向分辨率500*3=1500,縱向分辨率350*3=1050,分辨率=1500*1050=157.5W像素。機(jī)器視覺(jué)需求一般需要在此基礎(chǔ)上乘以4,因此相機(jī)至少需要600到800W像素之間。按4倍考慮,相機(jī)像素為3000*2100。

機(jī)組轉(zhuǎn)速為76.9r/min,每轉(zhuǎn)需要0.78s。一共78個(gè)磁極,每轉(zhuǎn)需求至少拍攝156張照片,因此相機(jī)幀率最少為156/0.78=200幀。

由于轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn),曝光時(shí)間的正確選取是清晰成像的關(guān)鍵,過(guò)大時(shí)圖像會(huì)產(chǎn)生拖影。曝光時(shí)間<(精度1/3mm)/(運(yùn)動(dòng)速度50m/s)=6.6us,選取6us。

(2)鏡頭選型。相機(jī)像元尺寸一般在0.005mm左右,鏡頭放大倍率為0.005/(1/3*0.5)=0.03。按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),相機(jī)距離磁極的工作距離在850mm左右。根據(jù)光學(xué)成像原理,鏡頭焦距為850*0.03/(1+0.03)=24.75mm,因此選擇常見(jiàn)的24mm焦距鏡頭。相機(jī)傳感器橫向尺寸為3000*0.005=15mm,縱向尺寸2100*0.005=10.5mm,對(duì)角線尺寸為18.3mm。鏡頭傳感器尺寸一般要求大于等于相機(jī)傳感器尺寸,此時(shí)選擇常見(jiàn)的17.6mm。

本項(xiàng)工程應(yīng)用中,由于拍攝的視野廣,磁極端面并非平面,需要考慮一定的景深需求,初步按60mm設(shè)計(jì)。景深計(jì)算公式如下:

△L=2f2FδL2/(f4-F2δ2L2) (1)

f-鏡頭焦距

F- 鏡頭的拍攝光圈值

式中

δ- 容許彌散圓直徑δ=d/1730,d為傳感器尺寸

L- 對(duì)焦距離

根據(jù)計(jì)算公式,可以反推出光圈值F在2.4左右,選用F2.8的光圈可以滿足系統(tǒng)需求。如果需要增大景深,在別的參數(shù)不變的情況下,需要相應(yīng)的提高F值。

(3)光源選型。此處選用高速光源,其為無(wú)頻閃光源,能夠應(yīng)對(duì)微秒級(jí)、納秒級(jí)的拍攝。由于安裝環(huán)境復(fù)雜,其選型需結(jié)合具體相機(jī)、具體場(chǎng)景并經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)才能確定,具體過(guò)程此處不再贅述。

3.3 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)上述選型,本方案最終采用了一款200幀/s@3200x2200像素光纖接口像機(jī),鏡頭為24-85mm F2.8-4D,光源為一款120W的高速光源。

轉(zhuǎn)子視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由相機(jī)、光源、屏蔽罩、現(xiàn)地PLC柜、圖像存儲(chǔ)服務(wù)器、圖像處理服務(wù)器等組成,系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

需要監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子時(shí),圖像處理服務(wù)器通過(guò)光纖和PLC啟動(dòng)相機(jī)和光源的電源,相機(jī)正常工作,拍攝的圖片通過(guò)光纖直接上傳到圖像存儲(chǔ)服務(wù)器,后續(xù)圖片處理、結(jié)果分析在圖像處理器上完成。

3.4 應(yīng)用效果 圖4為機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)拍攝到的實(shí)物圖,實(shí)物效果基本達(dá)到了工程應(yīng)用需求。

圖4 轉(zhuǎn)子視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拍攝實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文立足工程實(shí)際,為水輪發(fā)電機(jī)定制開(kāi)發(fā)了一套轉(zhuǎn)子視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用戶能夠通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控到以前檢修期才能監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)子,有效避免如磁極螺栓松動(dòng)、磁極線圈開(kāi)裂、引出線變形等常見(jiàn)故障的擴(kuò)展。

實(shí)際工程應(yīng)用中,除了文中提到的關(guān)鍵設(shè)備選型,還應(yīng)注意如信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、抗干擾、光源反光和系統(tǒng)工作模式等問(wèn)題。本工程應(yīng)用的最終成功實(shí)現(xiàn),為水輪發(fā)電機(jī)開(kāi)展視覺(jué)監(jiān)測(cè)提供了重要參考,同時(shí)對(duì)同類高速視覺(jué)項(xiàng)目有較大的借鑒意義。