风力发电机组振动报警系统的设计与实现|风力发电机组

　　风能是一种很有价值的能源，与其他能源相比，风能不会污染空气，而且不会产生任何有害物质。现在风力发电不再是一种可有可无的补充能源，它已经成为最具有商业化发展前景的成熟技术和新兴产业。风力发电机是风电场的关键设备，其工作环境恶劣且受力复杂，随着野外装机规模的不断扩大，风力发电机状态监测也就越来越重要。齿轮箱是机组的关键部件，也是故障率较高的部件之一，其性能的好坏直接影响整个机组发电的效率。对齿轮箱振动信号进行监测，可以判断出齿轮箱产生故障的部位和损伤程度，从而在故障发生早期就采取措施进行维修，避免由于故障恶化所带来的经济损失。
　　风力发电机组振动报警系统是状态监测系统的重要组成部分。本文结合某风电场风力发电机组齿轮箱的实际振动情况，在LabVIEW软件平台下完成了DSP和上位机的数据通信、报警值的计算及报警显示、报警记录的存储及查询等功能。
　　系统结构
　　风力发电机组振动报警系统主要由以下几部分组成：振动信号拾取、信号调理、报警参数选取与计算、监测与报警等，如图1所示。通过在风力发电机组齿轮箱上选取合适的测点，然后安装速度传感器来实现对振动信号的拾取。振动速度信号经由传感器变为电压信号，然后将其送入DsP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理器)进行信号调理、采样等。最后，将振动信号通过光纤传输至上位机的LabVIEW软件平台下进行报警值的计算、振动报警和报警记录的存储。
　　数据通信
　　1　CAN总线协议
　　DSP需要通过一种虚拟接口技术来实现与上位机LabVIEW的通信。由于风力发电机组工作环境相对恶劣，本设计的初衷是将系统的可靠性放在首位，在对多种成熟的总线协议考察论证后，采用CAN总线协议。CAN总线的配置采用CAN数据包转换模式和CAN-bus转以太网通信方式。CAN数据包转换模式采用特定的数据报文的形式，实现CAN-bus与以太网或串口之间的数据传输，此模式采用20字节定长数据报文传输数据，封装了所有的CAN-bus2.0A／B报文信息，并且采用帧对帧转换传输模式，符合CAN-bus作特性，实时性极好。上位机软件通过Socket规范与设备直接建立TCP／IP连接，在成功建立TCP／IP连接后，上位机与设备就可以进行双向数据通信。
　　2　网络通信
　　网络通信是构建智能化分布式自动测试系统的基础，LabVIEw提供了强大的网络通信功能，包括TCP、UDP、NET、SMTP―Email、IrDA、DataSocket、ActiveX及远程面板等。其中基于TCP协议的通信方式是最为基本的网络通信方式。TCP从程序接收数据并将数据处理成字节流，将字节组合成段，然后TCP对段进行编号和排序以便传递。在两个TCP主机可以交换数据之前，必须先相互建立会话。TCP会话通过三向握手的过程进行初始化，这个过程使序号同步，并提供两个主机之间建立虚拟连接所需的控制信息。一旦初始的三向握手完成，在发送和接收主机之间将按顺序发送和确认段。关闭连接之前，TCP使用类似的握手过程验证两个主机都完成发送和接收全部数据。在数据传输中，TCP／IP通过提供通用网络服务，使得具体网络技术对用户或应用程序透明，从而将具体通信问题从网络细节中解放出来，使网络应用更加灵活方便。体现到LabVIEW应用中，我们可以直接调用TCP模块完成流程编写，而无须过多‘考虑网络的底层实现。根据IP协议内容和TCP的报文格式(见图2)，数据传输需确定各主机的IP地址及通信的源端口号、目标端口号，从而实现端口对端口基础上的面向连接的数据通信。
　　相对于其他网络协议，TCP／IP这种端对端的传输具有两大优点。第一，TCP／IP跟其他协议相比，显得简洁清晰。利用通用接口，实现方便。第二，TCP／IP的效率相当高。TCP／IP的IP协议是“尽力传递”方式，只有TCPN为保证传输可靠性而做必要的工作，这样的工作模式在物理网络可靠的环境下传输效率相当高，同时TCP实现的端对端连接也有效的保证了传输的正确率。
　　在本系统设计中，定义DSP为服务器(Server)，上位机监控系统为客户端(Client)。服务器端先对指定的端口进行监听，客户端向服务器端被监听的端口发出请求，服务器端接收到请求后便建立客户端与服务器端的连接，然后就可以利用该连接进行通信了。通信完毕后，两端通过关闭连接函数断开连接。由于TCP／IP与DSP通信接收的数据类型是字符串，必须要先进行数据类型转换和字符串偏移量的设置，从而获得振动报警值。利用LabVIEW提供的截取字符串节点和字符串至字节数组转换节点可实现此功能。如图3所示。
　　振动报警
　　1　报警值计算与设定
　　均方根值，又称有效值，是反映机组振动信号统计特性的重要时域参量。它是对信号取样段的总体能量的直接反映，只要取样长度足够，它就可反映信号的真实情况。如果均方根值明显高于报警限值，则说明齿轮箱有了故障。对于一组离散的测试信号，该参数的计算公式为：
　　
　　
　　参考国际标准化组织标准ISO2372，选取4.5mm／s为注意阈值，11.2mm／s为报警阈值。
　　2　报警程序设计
　　对于接收到的时域振动信号要进行零均值处理，以突出对故障诊断更有用的动态信号部分。然后根据公式(1)计算一组振动信号的统计均方根值。结果与所设定的标准值进行比较，以此判断风力发电机组当前运行状况。当均方根值≤4.5mm／s时，系统处于正常运行状态，报警指示灯的颜色为绿色。当4.5mm／s11.2mm／s时，表明系统故障相当严重，机组必须停机并采取维修措施，此时报警指示灯的颜色变为红色同时发出机组“报警”的报警铃声，警示操作人员做出停机的判断。
　　
　　
　　在上述程序运行的同时，我们需要把报警信息存储起来，以便于日后的历史查询和分析。通过统计数据量的大小，本系统采用Excel表作为存储文件。每天采集的数据存为一个excel表，以年月日作为Excel表的文件名。在LabVIEW开发平台下，报表生成技术众多，包括利用ActiveX自动化生成报表、利用DDE生成报表、表单文件和报告生成工具包(ReportGenerationToolkit)。相比于其他报表生成技术，LabVIEW自带的表单文件技术易编写，报表生成速度快，能自动根据文件名称创建Excel表，不用进行复杂的编程即可实现数据的自动换行存储。基于以上优点，采用表单文件技术进行编程实现对实时采集的数据存储，并在存储数据的同时把当前时间gXExcel表中。
　　对应的程序框图及前面板分别如图4和图5所示。
　　3　报警记录查询
　　报警记录查询是由按钮控件触发事件结构实现的，具体方法如下：首先在前面板上放置一个确定按钮并将其机械动作设置为保持转换直到释放，然后在程序框图中创建一个新的事件结构，事件源选择确定，事件选择值改变。当按下确定按钮，事件结构就被触发，此时运行“读取并显示报警记录”的程序。程序设计如图6所示。
　　风力发电机组振动报警记录查询的前面板如图7所示。
　　
　　
　　
　　报警记录查询有助于操作人员分析风力发电机组运行趋势，提前预防机组出现严重的机械故障。
　　总结
　　1)本文从对风力发电机组的远程状态监测和故障诊断目标出发，设计并实现了一种振动报警系统。系统具有振动信号采集、数据传输、报警值计算与存储、报警历史查询等多项功能，可以很好的实现实时振动报警，保障风力发电机组的正常运行。
　　2)本文所选的报警参数为均方根值，其稳定性较好，但对早期故障和对振动冲击的尖锐程度(振动冲击尖锐程度可直接反映齿轮箱故障严重程度)不敏感。峭度是一个四阶矩，它对信号的突变成分十分敏感，也就是说对于脉冲类故障敏感，特别是故障早期，有明显增加，如齿轮疲劳剥落和断齿等故障；但是随故障发展，敏感度下降，就是说整个劣化过程中，此指标稳定性不好。所以二者可以配合使用，即同时观察峭度指标的变化趋势。

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