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)處理中心和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心組成。信號采集傳輸單元實時采集風(fēng)力發(fā)電機組機艙傳動部件的振動信號，通過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號整合，通過網(wǎng)線連接到風(fēng)電場SCADA光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心實時顯示測量的轉(zhuǎn)速、振動等信號，并進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)分析和存儲；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心通過VPN連接到監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，專家可以對異常機組的故障進(jìn)行診斷分析。具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

風(fēng)力發(fā)電機組在線振動系統(tǒng)

1.信號采集單元

每臺風(fēng)力發(fā)電機組配有8個不同頻段的加速度振動傳感器和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ADC電壓信號，ADC轉(zhuǎn)換器將模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。數(shù)據(jù)采集器控制ADC轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，采樣頻率由控制程序設(shè)置。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，所有測量信號接入風(fēng)電場SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。振動采集單元的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

風(fēng)力發(fā)電機組在線振動系統(tǒng)

(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(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。本設(shè)計選用的振動傳感器性能滿足以下要求：通頻傳感器靈敏度為100mV/g，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍為50g，低頻傳感器靈敏度為500mV/g，應(yīng)用范圍為10g；頻率范圍：0.5 ~ 10千赫；范圍：不小于0 ~ 10g防護等級：IP65。具體選型結(jié)果和安裝位置見表1。

風(fēng)力發(fā)電機組在線振動系統(tǒng)

(2)信號調(diào)節(jié)器

設(shè)計了兩個JK343L加速度傳感器信號調(diào)理器，通過BNC和2針MIL-C5015連接器電纜連接到振動傳感器，為振動傳感器提供4mA恒流源。具有硬件濾波、去偏壓和抗混疊功能，可以輸出差分電壓信號。單個JK343L信號調(diào)理器有四個通道，24VDC恒流電源電壓，低頻下限0.08Hz，高頻上限1~100kHz，默認(rèn)設(shè)置30kHz，輸出電壓增益1~100，默認(rèn)設(shè)置1。

(3)速度傳感器

選用BESM18EI感應(yīng)接近開關(guān)，安裝在齒輪箱高速軸一側(cè)，用于測量電機轉(zhuǎn)速。信號連接到數(shù)據(jù)采集器增量編碼器的測速接口。

(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器

采用基于AD7606芯片的8通道16位ADC同步模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。所有通道的采樣速率最高可達(dá)200kSPS。它配有一個二階抗混疊模擬濾波器，具有8級數(shù)字濾波器的過采樣功能。輸出接口通過8080并行方式連接到數(shù)據(jù)采集器的GPIO接口。

(5)數(shù)據(jù)收集器

數(shù)據(jù)采集器為STM32F429BIT6/LQFP-208 ARM微處理器，主頻180MHz，板載通用GPIO接口，MicroSD數(shù)據(jù)卡存儲接口，RS232串行通信接口(SP3232)，CAN2.0通信接口(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路1Hz頻率的數(shù)據(jù)連續(xù)并行采樣，8路自定義頻率小于20kHz的1分鐘定時數(shù)據(jù)采樣，采集器離線時MicroSD卡的數(shù)據(jù)存儲，以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)的傳輸，編碼器通道的速度采集，與風(fēng)機主控制器的PLC CAN模塊通信傳輸風(fēng)機功率和溫度等附加信息。數(shù)據(jù)采集器使用100米CAT6網(wǎng)線連接到風(fēng)機底部監(jiān)控柜的線路開關(guān)，將采集到的信號發(fā)送到SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

風(fēng)力發(fā)電機在線振動系統(tǒng)

2.風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控主機攜帶的監(jiān)控軟件具有實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲與分析、故障預(yù)測等功能。主監(jiān)控界面采用Python編程環(huán)境的PyQT5模塊開發(fā)，SocketServer模塊接收和處理數(shù)據(jù)，SqlServer模塊將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用scipy、numpy和pandas庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，每隔1S采集一次各機組的循環(huán)數(shù)據(jù)，實時顯示風(fēng)機的運行狀態(tài)、振動值和振動曲線。

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、記錄數(shù)據(jù)的時域指標(biāo)(峰值、均方根值、偏斜度、峰度、波形因子、峰值因子、脈沖因子、余量因子)分析、時域分析、頻域分析等功能。

故障預(yù)測：用自學(xué)習(xí)的方法分析歷史數(shù)據(jù)的各種時域指標(biāo)，形成故障閾值，自動識別異常成分。根據(jù)部件的特征頻率設(shè)定記錄參數(shù)，定期采集振動數(shù)據(jù)，通過FFT變換和包絡(luò)解調(diào)分析識別故障位置和損傷程度。

(2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

服務(wù)器作為在線振動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建Postgre SQL 12數(shù)據(jù)庫，根據(jù)風(fēng)機名稱建立數(shù)據(jù)表，存儲風(fēng)機振動、轉(zhuǎn)速、功率、溫度等所有信息。由前端監(jiān)控軟件獲取，并以獨立文件的形式存儲定期采集的高頻錄波數(shù)據(jù)。

3.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心通過防火墻VPN連接到風(fēng)電場的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主機具有使用網(wǎng)頁訪問數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)的功能。振動分析專家可以利用專業(yè)的分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，檢查自動分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時生成監(jiān)測報告，保證設(shè)備的安全運行。