基于無線數(shù)據(jù)傳輸及遠程功能的風電機組監(jiān)測診斷系統(tǒng)

摘 要：由于風電機組分布廣泛而發(fā)散的特點，以及未來開發(fā)海上風電場的趨勢，致使在線監(jiān)測系統(tǒng)的通訊距離遠，通訊結(jié)點眾多，通訊網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)等問題的出現(xiàn)。為此，提出以無線數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)的在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。介紹了整個系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，支持監(jiān)測和診斷的數(shù)據(jù)采集功能，二級網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的無線傳輸方案，并且介紹了該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫和虛擬儀器庫為基礎(chǔ)的遠程診斷功能的工作模式與實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：風電機組；在線監(jiān)測；無線傳輸；遠程診斷；虛擬儀器

Wireless-based Remote Monitoring and Diagnosis System for Wind Turbines

CHEN Mingze1，2，YU Gang1

(1.Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen，518055，China，2.Alstom Strongwish Ltd.，Shenzhen，518057，China)

Abstract：Because wind turbines are scattered in a widely distributed area，and will be established in the sea in the future，this situation will cause on-line monitoring system for wind turbines to have to deal with the issues of long communication distance，many communication nodes and difficulties to establish a communication network.This paper proposes a wireless-based remote monitoring and diagnosis system，and introduces the whole system architecture，data acquisition functions for both monitoring and diagnosis，wireless transmission scheme for second level network configuration，working mode and realization scheme for remote diagnosis based on database and virtual instruments.

Keywords：wind turbines;on-line monitoring;wireless transmission;remote diagnosis;virtual instrument

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1 引 言

故障診斷技術(shù)作為一門綜合性很強的技術(shù)，已經(jīng)在很多工廠中得到了應(yīng)用。最初手段是，基于現(xiàn)場儀表進行故障定位。這種方法至今在絕大多數(shù)工廠中尤其非關(guān)鍵設(shè)備中仍然在廣泛應(yīng)用。它不僅需要大量人力來進行定期巡檢，而且在進行故障定位時還需要診斷專家必須攜大量笨重的專業(yè)儀器到現(xiàn)場，十分不方便，缺乏實時性。

隨著計算機技術(shù)的突飛猛進，虛擬儀器技術(shù)迅速崛起，它在故障診斷技術(shù)中也帶來了翻天覆地的變化。診斷專家不再需要笨重而昂貴的儀器，僅僅有一臺計算機和相應(yīng)的軟件就可以進行診斷，診斷技術(shù)的成本大幅下降。并且通信手段的發(fā)展又給診斷技術(shù)帶來了新動力，開始由在線監(jiān)測替代人工巡檢，節(jié)省了大量的人力物力，工作人員只需要在辦公室中就可以實現(xiàn)對設(shè)備實時的性能評估或診斷。目前，國內(nèi)很多企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備都已經(jīng)實現(xiàn)了在線監(jiān)測。

而近年來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進步，又使得診斷技術(shù)走向遠程診斷。通過Internet，甚至通過手機，工作人員或是管理者可以隨時隨地了解設(shè)備的運行狀況，診斷專家也可以實現(xiàn)遠程診斷，不需要回到工廠，實時性進一步提高。這些故障診斷技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，已經(jīng)在很多文章中都有所論述^［1，2］。

故障診斷技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，其應(yīng)用面也越來越廣泛，遇到的問題也將會越來越多。風電行業(yè)是近年來國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向，風電產(chǎn)業(yè)也正在經(jīng)歷著跳躍式的發(fā)展。但是，風電行業(yè)中，機組的安裝維護將是十分困難的，不僅要增加人力，還增加了人員傷亡的風險，尤其，在不久的將來，風力發(fā)電將進軍海上之后，困難程度將是可想而知的。故障診斷技術(shù)的應(yīng)用將使這些問題迎刃而解，并且，在國外已經(jīng)有所研究^［3，4］，然而對于風電場中上百個高空作業(yè)的風電機組來講，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝本身又將是一個浩大而昂貴的工程。如果是海上風電場，那么現(xiàn)有的有線通訊方式在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，更要面臨如何實現(xiàn)眾多機組的信息到監(jiān)控室的傳輸問題。海上鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)基本上是不可能的。為此，一個基于無線數(shù)據(jù)采集與傳輸方式的監(jiān)測診斷系統(tǒng)將是一個很好的選擇，雖然某些領(lǐng)域已經(jīng)有少量的應(yīng)用^［5，6］，但是在對于風電產(chǎn)業(yè)中，這仍然是個空白。所以，本文提出一個以無線數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)的，分布式集群化故障診斷與性能監(jiān)測模式，用以解決風電機組的監(jiān)測與診斷問題。

2 系統(tǒng)功能要求與整體結(jié)構(gòu)

雖然故障診斷技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)能夠通過多種信號途徑提取設(shè)備的性能特征，定位故障部位，但是由于設(shè)備出現(xiàn)異常后，首先反映在設(shè)備的振動異常，并且由于振動傳感器造價低廉，安裝方便，振動信號仍然是目前最容易獲取的信號。為此，它也仍然是現(xiàn)代診斷技術(shù)中的主流手段，應(yīng)用最為廣泛。本文以振動信號為基礎(chǔ)，并在阿爾斯通創(chuàng)為實技術(shù)發(fā)展有限公司開發(fā)的S8100泵群在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出針對風電機組監(jiān)測的模型。而由于風電機組齒輪箱工作環(huán)境十分惡劣，并且安裝在狹小空間，安裝困難，要求可靠性要比普通機械高很多，很可能成為風電機組的薄弱環(huán)節(jié)之一^［7］，為此，我們以對機組齒輪箱的監(jiān)測診斷為目的構(gòu)造整個系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)以中心服務(wù)器為中心進行運作。它能夠采集特征值與波形數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型，以分別實現(xiàn)在線性能監(jiān)測與故障診斷兩大基本功能。并且，將特征值和波形數(shù)據(jù)通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中供人使用查詢。中心服務(wù)器負責數(shù)據(jù)的存儲與管理，接收并響應(yīng)客戶端的各種請求，為客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)和診斷工具服務(wù)。在線監(jiān)測模塊與中心服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，接收中心服務(wù)器的指令，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。客戶端通過Internet網(wǎng)絡(luò)對中心服務(wù)器進行遠程訪問，查詢機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)用所需虛擬診斷工具，判斷機組性能，定位故障。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體結(jié)構(gòu)可分為在線監(jiān)測模塊、中心服務(wù)器、客戶端三個部分。其中在線監(jiān)測模塊是機組與系統(tǒng)的接口，考慮到風電機組分布分散，每個在線監(jiān)測模塊負責一臺機組的信號采集。眾多的在線監(jiān)測模塊，與中心服務(wù)器組態(tài)成無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。中心服務(wù)器又包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、虛擬儀器服務(wù)器和數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器三大功能模塊。客戶端不能直接在線監(jiān)測模塊中獲得所需數(shù)據(jù)，而是通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以路由到中心服務(wù)器，間接的獲得所關(guān)注機組的信息和服務(wù)。客戶端采用B/S構(gòu)架，允許用戶通過瀏覽器便可進行一系列的分析操作。

3 在線監(jiān)測功能

在線監(jiān)測功能由安裝在現(xiàn)場的在線監(jiān)測模塊實現(xiàn)。它以單片機為中心與機組形成一對一的對應(yīng)關(guān)系，對機組進行不間斷地實時監(jiān)測。機組的振動信號通過安裝在關(guān)注部位的振動傳感器采集獲得，先后通過放大電路和濾波電路的調(diào)理過程，使得信號適合A/D芯片對其進行后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。在線監(jiān)測功能如圖2所示。

對于特征值的采集，完全由單片機控制，單片機按上位機(中心服務(wù)器)所要求的時間間隔去控制A/D芯片的工作，讀取一段連續(xù)的A/D芯片數(shù)據(jù)，使用該段數(shù)據(jù)根據(jù)上位機要求計算出相應(yīng)的特征值數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)(外部寄存器)中。上位機會按照一定的時間間隔向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當單片機接收到請求后，會將存儲數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取出來，發(fā)送給上位機。為了保障特征值數(shù)據(jù)的實時性，緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)將會被下一個新讀取的特征值數(shù)據(jù)覆蓋。

而對于波形數(shù)據(jù)的采集，由于單片機能力有限，所以不能實時地進行波形采集，要由上位機來觸發(fā)。當需要采集波形數(shù)據(jù)時，上位機會像單片機發(fā)送請求。單片機接收到請求后，會對A/D芯片發(fā)出指令，并連續(xù)讀取A/D芯片的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到波形數(shù)據(jù)的緩存區(qū)中。上位機會定期對單片機發(fā)送波形數(shù)據(jù)的請求，單片機收到請求后對該緩存區(qū)訪

問，并讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送回上位機。

4 無線數(shù)據(jù)傳輸

如今現(xiàn)場中的在線監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，應(yīng)用最為廣泛的通訊模式是RS 485串口通訊。RS 485接口總線速度快，傳送距離遠，以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾能力。該標準雖然規(guī)定了最大負載數(shù)為32個，并可以通過增大結(jié)點輸入電阻的辦法增多收發(fā)器數(shù)量^［8，9］，如果結(jié)點數(shù)仍然不能滿足需求，還可以通過串口擴展的方法來擴展監(jiān)測分站數(shù)量。并且因為RS 485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線。現(xiàn)場的在線監(jiān)測模塊通過RS 485總線連接，再經(jīng)過串口轉(zhuǎn)換模塊，將RS 485標準轉(zhuǎn)換為RS 232標準連接到中心服務(wù)器的串口上，實現(xiàn)通訊，這是現(xiàn)場最常用的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

但是由于風電場中單個機組容量比較小，數(shù)量眾多，分布廣泛，導(dǎo)致現(xiàn)場工作站數(shù)量眾多，通訊距離遠，分布分散，并且一般都在10 m左右的高空作業(yè)，監(jiān)測診斷系統(tǒng)本身的安裝與維護都將是很困難的。為此，我們通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)滿足以上諸多要求。同時，考慮到頻段的申請問題等，我們選用UM192無線通訊模塊，工作原理如圖4所示。

該模塊采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，體積精簡，僅為47 mm×26 mm×10 mm，便于安裝；使用ISM頻段，無須申請頻率點，載頻位433 MHz，工作頻率為429.00~434.90 MHz，最多可提供32個信道，不同的信道僅需在硬件上跳線開關(guān)便可實現(xiàn)；通訊距離遠，視距情況下，天線放置位置>2 m，可靠傳輸距離可達1 000 m，并且通過適當?shù)奶炀€配置方案進一步擴大通訊距離；具備較大數(shù)據(jù)緩存區(qū)；提供多種數(shù)據(jù)接口，包括現(xiàn)在現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛的RS 485和RS 232串口通訊接口；對底層協(xié)議透明，用戶只需要在接口進行收發(fā)數(shù)據(jù)即可，無需考慮該通訊模塊的編程問題；并且該模塊已經(jīng)對抗干擾、誤碼率等問題進行了足夠的考慮。數(shù)據(jù)通過MUC的處理，轉(zhuǎn)發(fā)到射頻芯片上，發(fā)向接收端^［10］。

我們在圖3的基礎(chǔ)上，添加一級無線網(wǎng)絡(luò)層，達到無線傳輸?shù)哪康摹Ｖ行姆?wù)器仍然通過485總線與各個無線網(wǎng)絡(luò)通訊，而我們之前提到過，UM192最多能夠32個信道，那么，我們就最多能夠組態(tài)32個無線網(wǎng)絡(luò)，以解決大量機組的在線監(jiān)測問題。各個無線網(wǎng)絡(luò)采用點對多點的通訊模式，設(shè)定掛接在485總線上近服務(wù)器端的無線模塊為主站，其余掛接在近機組端的在線監(jiān)測模塊均為從站，各個無線網(wǎng)絡(luò)中的從站都有惟一的地址編碼，互不重復(fù)。而各個無線網(wǎng)絡(luò)的主站在485總線上又是以中心服務(wù)器為主站的從站。這樣就形成了二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

中心服務(wù)器通過轉(zhuǎn)換后的串口通訊方式掛接到總線上。整個網(wǎng)絡(luò)通過廣播方式進行通訊，中心服務(wù)器通過485總線發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，各個無線網(wǎng)絡(luò)的接收端收到廣播信息后，再向各自的從站發(fā)送廣播信息。中心服務(wù)器采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，所有無線網(wǎng)絡(luò)中的從站全部都接收，并將接收到的地址碼與本地地址碼比較，不同則將數(shù)據(jù)全部丟掉，不做任何響應(yīng)；地址碼相同，則證明數(shù)據(jù)是給本地的，從站根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù)或命令進行不同的響應(yīng)，將響應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。這些工作都由上層協(xié)議來完成，并可保證在任何一個瞬間，通信網(wǎng)中只有一個電臺處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾。

5 遠程功能

中心服務(wù)器包括虛擬儀器(VI)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器三部分。由無線網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)服務(wù)器中。根據(jù)信息論原理，數(shù)據(jù)中的波動越大所包換的信息量也就越多，而服務(wù)器磁盤空間是有限的，為此應(yīng)當配以適當?shù)臄?shù)據(jù)管理算法，以使得保存的數(shù)據(jù)中能夠包含最大信息量，能夠?qū)θ蘸蟮脑u估診斷工作提供最大的幫助。

數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器采用基于網(wǎng)頁發(fā)布的B/S構(gòu)架。HTML，HTTP，TCP/IP協(xié)議是現(xiàn)今Internet中最普遍應(yīng)用的協(xié)議，可以說，只要有Internet的地方必然會有這些協(xié)議，他們組成了Internet的基礎(chǔ)。而現(xiàn)代企業(yè)中，絕大多數(shù)企業(yè)都很容易通過寬帶或撥號接入Internet，這為診斷與監(jiān)測系統(tǒng)的遠程功能提供了良好基礎(chǔ)。基于網(wǎng)頁發(fā)布的B/S構(gòu)架，使得用戶不需安裝任何專用客戶端程序，只要在HTML，HTTP，TCP/IP協(xié)議之上，便能夠在任何接入Internet的地方對中心服務(wù)器進行訪問。用戶不必關(guān)心系統(tǒng)本身的升級與修改問題，可以完全專注于故障診斷過程。另一方面，隨著故障診斷技術(shù)的進一步發(fā)展，新的診斷手段不斷出現(xiàn)，隨之而來的將是新的虛擬儀器工具的出現(xiàn)。這樣B/S構(gòu)架也為將來虛擬儀器數(shù)據(jù)庫的擴充或修改提供了方便，體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的擴展性能。

用戶在訪問過程中，會通過Internet向中心服務(wù)器發(fā)送請求。數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器講請求解析后，分別向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和虛擬儀器(VI)服務(wù)器發(fā)送請求，請求所需的數(shù)據(jù)和虛擬儀器(VI)工具。VI工具服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分別根據(jù)請求提取所需工具和數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器和Internet反饋到客戶端瀏覽器。通過這樣一個鏈路，將所需的工具和數(shù)據(jù)下載到客戶端瀏覽器中，從而滿足用戶的各項需求，完成診斷工作。如圖6所示。

整個系統(tǒng)對客戶端的惟一要求就是，瀏覽器能夠支持數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器的數(shù)據(jù)類型。同時，客戶端可以是在多種平臺，只要該平臺能夠接入Internet，并且可以運行瀏覽器，比如在無線上網(wǎng)的筆記本電腦中。

6 結(jié) 語

采用無線通訊模塊無須對傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行大規(guī)模改動便可滿足風電機組在線監(jiān)測的需求，只需開發(fā)合適性能的無線通訊模塊便可。這方式也可用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的改造升級，提高其監(jiān)測范圍及監(jiān)測對

象數(shù)量。基于此系統(tǒng)的中心服務(wù)器，可以進一步進行虛擬儀器工具的開發(fā)，不斷豐富診斷手段；也可以進一步開發(fā)數(shù)據(jù)管理算法，提高增加數(shù)據(jù)中的信息量，提高系統(tǒng)效率。數(shù)據(jù)和虛擬儀器工具的發(fā)布途徑，可以進一步覆蓋能夠上網(wǎng)使用瀏覽器的其他平臺，如PDA、手機等，整個系統(tǒng)還可以整合視頻、音頻和網(wǎng)絡(luò)會議功能，連接機組現(xiàn)場和多個客戶端，實現(xiàn)多個客戶端對機組的“會診”。為此，本文內(nèi)容有待于進一步的豐富發(fā)展。

參 考 文 獻

［1］Wang J F，Peter W Tse，He L S，et al.Remote Sensing，Diagnosis and Collaborative Maintenance with Web-enabled Virtual Instruments and Mini-servers［J］.Int.Adv.Manuf.Technol，2004，24:764-772.

［2］Wang Wanbin，Peter W Tse，Jay Lee.Remote Machine Maintenance System through Internet and Mobile Communication［J］.Int.Adv.Manuf.Technol.，2007，31:783-789.

［3］Caselitz P，Giebhardt J，Mevenkamp M，et al.Application of Condition Monitoring Systems in Wind Energy Converters［A］.Proceedings of the EWEC′97［C］.Dublin，1997:579-582.

［4］Caselitz P，Giebhardt J.Advanced Condition Monitoring System for Wind Energy Convertors［A］.Proceedings of the EWEC ′97［C］.Dublin，1997.

［5］陳雷.基于無線網(wǎng)絡(luò)的挖泥船機械設(shè)備遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

［6］吳建港.基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠程智能故障診斷系統(tǒng)的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2004.

［7］宮頸風.風電場工程技術(shù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［8］盧海峰，江朝元，陽小光.基于串口通信的在線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27(6):2 043-2 044.

［9］李良，朱善安.基于Java的串口通訊［J］.電子器件，2007，30(2):714-717.

［10］深圳市華奧通通信技術(shù)有限公司.HAC-μM系列微功率無線數(shù)傳模塊使用手冊［Z］.

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作者簡介 陳明澤 男，1983年出生，碩士研究生。主要從事旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷應(yīng)用研究。

于 剛 男，副教授。主要從事過程監(jiān)控、診斷及預(yù)測等研究。