基于振動(dòng)傳感的風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探究

王浩，陶然，徐杰

（宿松吉電新能源有限公司，安徽 合肥 230031）

風(fēng)力發(fā)電作為一種新型綠色能源，受到世界各國(guó)政府、能源界和環(huán)保界的高度重視，在全球能源結(jié)構(gòu)中逐漸占據(jù)重要地位，成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)之一。據(jù)保守估計(jì)，目前，全球風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到756GW，自2016年起，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)9.56%，這相當(dāng)于至少250000臺(tái)3MW的風(fēng)機(jī)。我國(guó)陸上風(fēng)電裝機(jī)容量占世界的37%，排名第一，海上風(fēng)電裝機(jī)容量大約7GW，占比23%，位居世界第三，是名副其實(shí)的風(fēng)電大國(guó)。

與傳統(tǒng)化石燃料相比，風(fēng)力發(fā)電單位能源產(chǎn)出的成本較高，這是阻礙風(fēng)電行業(yè)繼續(xù)健康發(fā)展的一個(gè)重要因素。加大風(fēng)電葉片直徑，大型化風(fēng)電裝備是降低單位能源產(chǎn)出成本的常用技術(shù)手段。但是，由于風(fēng)電裝備通常服役在交通不便利的偏遠(yuǎn)地區(qū)或近海地區(qū)，風(fēng)電裝備的運(yùn)行維護(hù)面臨極高的困難和維護(hù)成本。這點(diǎn)對(duì)于我國(guó)的風(fēng)電市場(chǎng)尤為顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)服役20年的路上風(fēng)電裝備，其運(yùn)行維護(hù)成本占風(fēng)場(chǎng)收入高達(dá)15%，海上風(fēng)場(chǎng)，運(yùn)行維護(hù)成本占風(fēng)場(chǎng)收入甚至達(dá)到25%。我國(guó)風(fēng)電裝備整體技術(shù)水平和風(fēng)場(chǎng)狀況參差不齊，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距。采用定時(shí)檢修的運(yùn)行維護(hù)模式是多數(shù)風(fēng)場(chǎng)成本居高不下的主要原因。一方面，頻繁的重復(fù)檢修直接導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)成本的急劇上升，潛在的小故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并檢修，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)整體報(bào)廢；另一方面，及時(shí)準(zhǔn)確判斷故障的來(lái)源，避免多種手段逐一排查帶來(lái)巨大的運(yùn)維成本。發(fā)展風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，早預(yù)測(cè)、早報(bào)警、早處理，預(yù)防災(zāi)難事故，延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組的服役壽命，對(duì)于降低風(fēng)電的產(chǎn)出成本，發(fā)展綠色能源，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)有著積極意義。

1 系統(tǒng)故障特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)要求

對(duì)于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，振動(dòng)傳感器重點(diǎn)應(yīng)用于變速箱、葉片和塔架的狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)于其它系統(tǒng)，比如，偏航驅(qū)動(dòng)、機(jī)械剎車和發(fā)電機(jī)，一般不使用振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)控，而是監(jiān)控扭矩、溫度、潤(rùn)滑油參數(shù)和電信號(hào)。如圖1所示，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體組件示意圖和典型變速箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)組件（左） 變速箱結(jié)構(gòu)（右）

1.1 變速箱

風(fēng)機(jī)變速箱將機(jī)械能從低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子輪轂傳輸?shù)礁咚侔l(fā)電機(jī)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)變速箱承受著不同風(fēng)速帶來(lái)的交替載荷，以及頻繁制動(dòng)導(dǎo)致的瞬變脈沖。變速箱包括一個(gè)低速轉(zhuǎn)子軸和主軸承，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)以0～20rpm（不到0.3Hz）的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。要捕獲不斷增加的振動(dòng)信號(hào)，需要振動(dòng)傳感器使用直流電運(yùn)行。同時(shí)，振動(dòng)傳感器的性能需要達(dá)到0.1Hz。變速箱的高速軸通常以3200rpm(53Hz)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。為了提供足夠帶寬來(lái)捕捉軸承和齒輪故障的諧波，低速和高速軸振動(dòng)傳感器的性能達(dá)到10kHz及以上。

目前，軸承故障是引發(fā)變速箱故障的最大原因。一些研究表明，軸承故障是引發(fā)災(zāi)難性齒輪故障的根本原因。當(dāng)高速軸上的后軸承失效時(shí)，高速軸發(fā)生傾斜，造成中間（中部）軸齒輪的傳輸不均。在這種情況下，齒輪的接觸齒極易發(fā)生故障。因此，需要使用合適的振動(dòng)傳感器來(lái)監(jiān)控變速箱的主要軸承和高速軸承。振動(dòng)傳感器的本底噪聲需要足夠低，以便能夠檢測(cè)到早期振動(dòng)幅度（g范圍）較低的軸承故障。

在不到0.1g時(shí)，顯示初始軸承損壞，而在達(dá)到1g時(shí)，通常表示深度軸承損壞，通常會(huì)觸發(fā)維護(hù)。當(dāng)振動(dòng)幅值超過(guò)6g時(shí)，需維護(hù)變速箱和更換軸承。如前所述，軸承故障頻率會(huì)在更高頻率下發(fā)生。

在更高頻率下實(shí)施測(cè)量需要使用g范圍規(guī)格更大的傳感器。這是因?yàn)闇y(cè)得的加速度重力值與頻率成比例。因此，與在低頻率下相比，在更高頻率下，相同的少量故障位移會(huì)導(dǎo)致更高的重力范圍。由于結(jié)構(gòu)沖擊或突然的機(jī)械斷裂，振動(dòng)傳感器也需要涵蓋沖擊載荷工況。

1.2 轉(zhuǎn)子葉片

風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組件在低速下捕捉風(fēng)并傳輸扭矩。導(dǎo)致葉片故障的主要原因包括極端風(fēng)荷載、結(jié)冰或雷電等環(huán)境影響，以及不平衡。這些因素導(dǎo)致斷裂和邊緣開(kāi)裂，以及徑節(jié)系統(tǒng)故障。一般來(lái)說(shuō)，大型風(fēng)機(jī)葉片（即直徑40m以上的葉片）的首級(jí)固有頻率在0.5～15Hz。對(duì)渦輪葉片上的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可行性研究顯示，因振動(dòng)激勵(lì)導(dǎo)致的葉片頻率響應(yīng)遠(yuǎn)高于基頻。其他研究表明，由葉片邊緣變形引起的葉片頻率與葉片扭轉(zhuǎn)變形引起的葉片頻率之間有顯著差異。葉片邊緣變形的固有頻率在0.5～30Hz，葉片扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率高達(dá)700Hz。用振動(dòng)傳感器測(cè)量基頻以外的頻率需要更大的帶寬。

1.3 風(fēng)機(jī)塔

風(fēng)機(jī)塔為風(fēng)機(jī)外殼和轉(zhuǎn)子葉片總成提供結(jié)構(gòu)支撐。塔身會(huì)遭受沖擊損壞，導(dǎo)致塔出現(xiàn)傾斜。塔傾斜后，葉片與風(fēng)向之間無(wú)法保持最佳角度。測(cè)量?jī)A斜度需要使用操作功率可以低至0Hz的傳感器，如此在零風(fēng)條件下，也可以檢測(cè)到傾斜。

基座部分的結(jié)構(gòu)破壞會(huì)導(dǎo)致塔搖晃。在靜態(tài)條件下（無(wú)風(fēng)力），當(dāng)塔架結(jié)構(gòu)發(fā)生故障導(dǎo)致傾斜時(shí)，頻率的最低限值降低至0Hz。要實(shí)施傾斜測(cè)量，需要使用具有良好的直流穩(wěn)定性能的傳感器。最小±2g范圍的振動(dòng)傳感器足以對(duì)塔實(shí)施監(jiān)控。

2 風(fēng)機(jī)單機(jī)振動(dòng)總體監(jiān)測(cè)方案

2.1 單個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量總體設(shè)計(jì)方案

單個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)包括振動(dòng)傳感器、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端、以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程服務(wù)器。振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈上各個(gè)部件的振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送至風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端，風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端實(shí)現(xiàn)健康預(yù)警和存儲(chǔ)，然后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器大數(shù)據(jù)中心。單個(gè)振動(dòng)傳感器的測(cè)量信號(hào)通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線匯總到中央處理器，中央處理器采用標(biāo)準(zhǔn)RJ45網(wǎng)口與服務(wù)器通信。中央處理器從外部獲取電源，同時(shí)需要外部提供防雷接地線。如圖2、圖3所示例為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉子的振動(dòng)傳感器安置方案。

圖2 單個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量總體設(shè)計(jì)方案

圖3 單個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子葉子振動(dòng)測(cè)量安置方案

2.2 傳感器及安置方案

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)傳感器用于采集被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，該單元由包括振動(dòng)敏感單元、ADC、串口通信，其控制邏輯及其ASCII碼私有配置協(xié)議組成，由可編程邏輯實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)敏感單元采用金屬簧片式彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，ADC采樣率2MHz，采樣帶寬22kHz；可編程邏輯實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)的采集時(shí)序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理降采樣，適配串口通信帶寬，傳輸協(xié)議RS422，波特率460800bps，支持傳輸長(zhǎng)度200m。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)原理，如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)原理

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)傳感器大小為長(zhǎng)49mm、寬33mm、高26mm，輸出端口為M5四芯公頭，內(nèi)部設(shè)計(jì)緊湊，其設(shè)計(jì)原理圖，如圖5所示。

圖5 單個(gè)傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

單個(gè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器安裝分布及振動(dòng)測(cè)量需求如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器分布

2.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及基于振動(dòng)傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法流程

振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于采集單風(fēng)機(jī)所有振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的一級(jí)現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)和管理；并對(duì)各個(gè)振動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷風(fēng)機(jī)設(shè)備的健康狀態(tài)，并將風(fēng)機(jī)設(shè)備的各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)遠(yuǎn)程服務(wù)器。本文，采用通用嵌入式處理器系統(tǒng)，內(nèi)置intel i7處理器，8GB內(nèi)存，Linux 64位操作系統(tǒng)，帶Ethernet網(wǎng)絡(luò)2個(gè)（備用1個(gè)）、USB端口4個(gè)、RS232接口10個(gè)的工控機(jī)，需具有耐高低溫-20～70℃，全封閉防塵無(wú)風(fēng)扇型，支持通電開(kāi)機(jī)，采用嵌入式軟件方式實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)終端各個(gè)功能。振動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與振動(dòng)傳感器采用專用的RS422轉(zhuǎn)RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

以太網(wǎng)，用于單風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，包括系統(tǒng)測(cè)試、時(shí)間同步、風(fēng)機(jī)身份識(shí)別、振動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)健康信息等。本實(shí)施例中，采用10M/100M/1000M以太網(wǎng)速率自適應(yīng)接口，滿足IEEE802.3協(xié)議，網(wǎng)口采用RJ45標(biāo)準(zhǔn)水晶頭接口。

基于風(fēng)機(jī)設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)的物理結(jié)構(gòu)，計(jì)算振動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)物理結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過(guò)結(jié)構(gòu)固有頻率的判斷被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的物理特性是否健康穩(wěn)定。本實(shí)施例中，對(duì)振動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行20分鐘FFT變換，記錄其每個(gè)頻率特征峰，根據(jù)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)，識(shí)別其共振峰，即物理結(jié)構(gòu)固有頻率。依次對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每20分鐘的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行固有頻率提取，通過(guò)固有頻率的飄移及其幅值異常，判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)物理結(jié)構(gòu)是否處在健康狀態(tài)。

風(fēng)機(jī)及其各個(gè)設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法是由風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端實(shí)現(xiàn)，解決振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)量大，限制風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊帶寬的問(wèn)題。本實(shí)施例中，振動(dòng)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)采樣率為2Mhz，8個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)量為32MB/s，風(fēng)場(chǎng)45臺(tái)風(fēng)機(jī)的總數(shù)據(jù)率達(dá)到1440MB/s，這對(duì)于風(fēng)場(chǎng)通信系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)的。采用振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)之后，只傳送風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)結(jié)果信息，數(shù)據(jù)有效載荷降為2B/s，滿足現(xiàn)有最小帶寬風(fēng)機(jī)通信系統(tǒng)需求。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備基于振動(dòng)傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法流程，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集設(shè)備基于振動(dòng)傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法流程

遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)IP地址分配、識(shí)別各個(gè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)終端身份，并且進(jìn)行時(shí)間同步等。本實(shí)施例中，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初始工作時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議分配各個(gè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端IP地址，遠(yuǎn)程服務(wù)器建立并維護(hù)風(fēng)機(jī)與IP地址的映射鏈表。

遠(yuǎn)程服務(wù)器可以根據(jù)各個(gè)風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)和預(yù)警，可長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控風(fēng)機(jī)設(shè)備的老化，具備早期預(yù)警功能。

3 結(jié)語(yǔ)

本方案在每臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝8個(gè)振動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)，分別為轉(zhuǎn)子葉片各1個(gè)，變速箱低速端1個(gè)，變速箱高速端1個(gè)，風(fēng)機(jī)塔1個(gè)，發(fā)電機(jī)自由端1個(gè)，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端1個(gè)。覆蓋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)鏈路的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)各個(gè)傳感點(diǎn)的頻域振動(dòng)譜分析，提取振動(dòng)譜中各個(gè)物理固有特征頻率點(diǎn)，進(jìn)而時(shí)域分析固有頻率的改變，判斷風(fēng)機(jī)是否發(fā)生異常，根據(jù)傳感器測(cè)量點(diǎn)的分布狀況，確定異常點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)故障進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。