風(fēng)力發(fā)電機組在線(xiàn)振動(dòng)系統主要由振動(dòng)信號采集單元、風(fēng)電場(chǎng)數據處理中心和遠程數據診斷中心組成。信號采集傳輸單元實(shí)時(shí)采集風(fēng)力發(fā)電機組機艙傳動(dòng)部件的振動(dòng)信號，通過(guò)信號調理轉換成電壓信號，通過(guò)ADC轉換器轉換成數字信號，由數據采集器進(jìn)行信號整合，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接到風(fēng)電場(chǎng)SCADA光纖監控網(wǎng)絡(luò )；風(fēng)電場(chǎng)數據處理中心實(shí)時(shí)顯示測量的轉速、振動(dòng)等信號，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數據分析和存儲；遠程數據診斷中心通過(guò)VPN連接到監控網(wǎng)絡(luò )，專(zhuān)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 )拓撲如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電機組在線(xiàn)振動(dòng)系統

1.信號采集單元

每臺風(fēng)力發(fā)電機組配有8個(gè)不同頻段的加速度振動(dòng)傳感器和一個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)。振動(dòng)傳感器信號經(jīng)過(guò)信號調理器后輸出ADC電壓信號，ADC轉換器將模擬轉換為數字。數據采集器控制ADC轉換器采集數據，采樣頻率由控制程序設置。接近開(kāi)關(guān)信號接入數據采集器的編碼器通道，測量電機轉速，所有測量信號接入風(fēng)電場(chǎng)SCADA監控網(wǎng)絡(luò )。振動(dòng)采集單元的具體結構如圖2所示。

風(fēng)力發(fā)電機組在線(xiàn)振動(dòng)系統

(1)振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器選用壓電式IEPE/ICP振動(dòng)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)境適應性強等特點(diǎn)。本設計選用的振動(dòng)傳感器性能滿(mǎn)足以下要求：通頻傳感器靈敏度為100mV/g，標準應用范圍為50g，低頻傳感器靈敏度為500mV/g，應用范圍為10g；頻率范圍：0.5 ~ 10千赫；范圍：不小于0 ~ 10g防護等級：IP65。具體選型結果和安裝位置見(jiàn)表1。

風(fēng)力發(fā)電機組在線(xiàn)振動(dòng)系統

(2)信號調節器

設計了兩個(gè)JK343L加速度傳感器信號調理器，通過(guò)BNC和2針MIL-C5015連接器電纜連接到振動(dòng)傳感器，為振動(dòng)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(gè)JK343L信號調理器有四個(gè)通道，24VDC恒流電源電壓，低頻下限0.08Hz，高頻上限1~100kHz，默認設置30kHz，輸出電壓增益1~100，默認設置1。

(3)速度傳感器

選用BESM18EI感應接近開(kāi)關(guān)，安裝在齒輪箱高速軸一側，用于測量電機轉速。信號連接到數據采集器增量編碼器的測速接口。

(4)模數轉換器

采用基于A(yíng)D7606芯片的8通道16位ADC同步模擬數據轉換器。所有通道的采樣速率最高可達200kSPS。它配有一個(gè)二階抗混疊模擬濾波器，具有8級數字濾波器的過(guò)采樣功能。輸出接口通過(guò)8080并行方式連接到數據采集器的GPIO接口。

(5)數據收集器

數據采集器為STM32F429BIT6/LQFP-208 ARM微處理器，主頻180MHz，板載通用GPIO接口，MicroSD數據卡存儲接口，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(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現以下功能：8路1Hz頻率的數據連續并行采樣，8路自定義頻率小于20kHz的1分鐘定時(shí)數據采樣，采集器離線(xiàn)時(shí)MicroSD卡的數據存儲，以太網(wǎng)TCP/IP數據的傳輸，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。數據采集器使用100米CAT6網(wǎng)線(xiàn)連接到風(fēng)機底部監控柜的線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，將采集到的信號發(fā)送到SCADA監控網(wǎng)絡(luò )。

風(fēng)力發(fā)電機在線(xiàn)振動(dòng)系統

2.風(fēng)電場(chǎng)數據處理中心

數據處理

監控主機攜帶的監控軟件具有實(shí)時(shí)數據監控、數據存儲與分析、故障預測等功能。主監控界面采用Python編程環(huán)境的PyQT5模塊開(kāi)發(fā)，SocketServer模塊接收和處理數據，SqlServer模塊將數據存儲在數據庫中，使用scipy、numpy和pandas庫進(jìn)行數據分析。

實(shí)時(shí)數據監控，每隔1S采集一次各機組的循環(huán)數據，實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機的運行狀態(tài)、振動(dòng)值和振動(dòng)曲線(xiàn)。

數據存儲分析，將實(shí)時(shí)數據存儲到后臺服務(wù)器的數據庫中，具有數據導出、記錄數據的時(shí)域指標(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(shí)域分析、頻域分析等功能。

故障預測：用自學(xué)習的方法分析歷史數據的各種時(shí)域指標，形成故障閾值，自動(dòng)識別異常成分。根據部件的特征頻率設定記錄參數，定期采集振動(dòng)數據，通過(guò)FFT變換和包絡(luò )解調分析識別故障位置和損傷程度。

(2)數據庫服務(wù)器

服務(wù)器作為在線(xiàn)振動(dòng)系統的數據中心，構建Postgre SQL 12數據庫，根據風(fēng)機名稱(chēng)建立數據表，存儲風(fēng)機振動(dòng)、轉速、功率、溫度等所有信息。由前端監控軟件獲取，并以獨立文件的形式存儲定期采集的高頻錄波數據。

3.遠程數據診斷中心

遠程數據診斷中心通過(guò)防火墻VPN連接到風(fēng)電場(chǎng)的監控網(wǎng)絡(luò )，主機具有使用網(wǎng)頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)數據庫，導出歷史數據和錄波數據的功能。振動(dòng)分析專(zhuān)家可以利用專(zhuān)業(yè)的分析軟件對數據進(jìn)行診斷分析，檢查自動(dòng)分析結果的準確性，及時(shí)生成監測報告，保證設備的安全運行。