MW級風力發電機故障診斷系統

范國全，胡 剛，馬學亮，張 博

（1.華電小草湖風力發電公司，新疆 吐魯番838000；2.廣東明陽風電產業集團，廣東 中山528437）

隨著可再生能源行業的發展，風能的開發利用越來越受到重視。由于風力發電機長期在惡劣的工況下運行，其安全控制顯得尤為重要。獨立可靠地安全鏈系統是每個MW級風力發電機主控系統必備的。安全鏈系統的軟硬件都必須采取簡單可靠的模塊來保證風力發電機的整體安全［1］。

在當前風力發電機故障診斷中，維修人員、專家的經驗和專業知識在故障診斷和維修過程中仍起著重要的作用。但是現場維修人員的專業知識及能力參差不齊，導致維護效率和質量不能夠得到保證。本文介紹的故障樹診斷系統可以有效地幫助維護人員準確定位故障，提高風力發電機的可靠性和可利用率。

風力發電機系統結構復雜，故障隱蔽性強、因果關系復雜、易受隨機性因素影響，故障診斷難度大。利用故障樹分析法對風力發電機的典型故障進行分析研究，建造故障樹，從而可以看出事件的前因與形成過程，方便地發現潛在問題，有利于風力發電機系統故障的預防、預測和控制。

1 風力發電機安全鏈系統

風力發電機的安全鏈系統是失效－安全控制模式。由于安全鏈的存在，保證了風機處于異常狀況下的安全。本文采用的是西門子分布式故障安全系統。為了保證安全鏈系統軟件和硬件上的安全，系統選用西門子專用的安全PLC和專門的安全鏈硬件模塊。

如圖1所示，故障系統采用安全PLC和P320雙CPU工作模式，二者共享總線，但是安全鏈所有的工作都交給安全PLC來處理，安全PLC和P320之間僅僅有數據傳輸，從而消除了P320中主控程序編寫錯誤導致的軟件不安全［2］。安全鏈系統的軟件編程采用的是西門子成熟的模塊化軟件。

圖1 風機故障系統總體架構

安全鏈中的輸入觸點為：

（1）塔基的緊急停機按鈕。（2）機艙緊急停機按鈕。（3）輪轂緊急停機按鈕。（4）機艙振動開關。（5）變頻柜熔絲開關。（6）并網斷路器脫扣信號。（7）PLC急停信號。（8）偏航扭纜觸發。（9）振動傳感器觸發。如果安全鏈斷開，則安全模塊中DO模塊對應的繼電器釋放。風機將停止偏航和緊急順槳，保證風機的安全。

安全鏈故障必須手動就地復位，不可以遠程復位，防止軟件誤操作。本文中安全鏈程序結構如圖2所示。

圖2 安全鏈程序結構

首先 OB1，OB35，OB82，OB83，OB86是一個等級，OB1主程序掃描和處理與P320的通訊。OB35，OB82，0B83，OB86作為中斷，發生時按照優先級高低進行處理。

在OB35中調用FC1，FC1是用來從標準用戶程序調用F運行組的F塊。FC1展開后看見的所有塊都是屬于該運行組。其中FB1塊展開的是用戶自己寫或者調用的塊，其他的都是系統塊。因此安全鏈程序只有FB1塊是自己寫的，其他的都是調用的。

OB82，OB83，OB86都是診斷組織塊。OB82是診斷故障組織塊，OB83是診斷插拔組織塊，OB86是機架故障組織塊，這些程序都不需要自己編寫，只需要進行一些簡單的配置就可以自動生成。

在安全鏈系統的建立過程中，硬件采用的是專用的安全模塊以及安全CPU，軟件采用的西門子模塊化安全組件，減少了人為的軟件錯誤。從軟硬件上保證了安全鏈的真正安全。

2 故障樹分析法

故障樹分析方法是一種安全可靠的分析技術，也是目前故障診斷中應用較多的方法之一，它建立在對系統的故障經驗庫基礎上，采用逆向推理，將系統級的故障現象（頂事件）與最基本的故障原因（底事件）之間的內在關系表示成樹形的網絡圖，各層事件之間通過“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯關系相關聯［3］。

風力發電機是一個集機、電、液于一體的復雜系統，該系統包括：發電機子系統、液壓子系統、電氣子系統、冷卻子系統、機械子系統、附屬子系統。由于系統復雜，因此對其故障的定位準確度要求很高。一個系統部件的不正常可能引起多個檢測參數的異常響應，而一個系統參數的不正?；蛳到y的失效可能由多個系統部件的損壞造成。故障樹分析法是一種安全可靠的分析技術，本文通過故障樹診斷和專家系統相結合，通過故障樹定位故障源，通過專家系統給出診斷建議。

3 風機故障樹的結構與軟件實現

風機故障診斷系統是一個相當復雜的系統，所以將其分解為很多獨立的子系統。具體包括機艙系統、變頻器系統、輪轂系統、液壓系統、主軸轉速系統、安全鏈系統、停機系統、機頂柜系統和空開電源系統，如圖3所示。

圖3 風力發電機故障樹系統

每一個子系統又可以分成若干小系統，每個小系統又有若干類似事件組成，最下層是每個故障的底事件。

本文將整個故障樹系統分為四層，如圖3所示。頂層為風機故障這個邏輯事件，第二層為各子系統故障，第三層為相似事件的小系統，第四層為造成故障的底事件。

通過對整個風機故障的分析，本文建立起完整的風機故障樹。從而可以快速找出故障發生的原因，有效預防事故的擴大化。

有了故障樹，維修人員可以在故障尚未發生的時候就處理預警［4］。例如對于風機主軸軸承過溫損壞，可以檢測主軸溫度，當溫度達到70℃時預警，監控人員可以在風小的時候檢修，排除隱患，保證風機的可利用率。

按照故障樹的分析，根據專家經驗，將故障分為三等。等級三為緊急故障，對風機可能造成毀滅性傷害；等級二為重要故障，對風機可能造成較大損失；等級一為普通故障，需要停機檢修。對于不同等級的故障，本文采取不同的故障處理方法。對于等級三的緊急故障，動用蓄能器進行緊急停機，同時偏航停止；等級二的故障采用快速停機；等級一的故障采用普通停機。這樣既保證風機的絕對安全，又能夠盡可能減少維護時間，提高風機可利用率。

為了提高故障處理的自動化程度，本文根據故障樹，對各個底事件進行監測和分析。通過專家經驗，在軟件邏輯上將故障樹系統表現為人機界面上的故障代碼。例如故障代碼“01 10 04”，“01”為主編號，通常代表一個部分；“10”是分組編號，代表一組近似故障；“04”是具體故障號。故障編號將原來四層的故障樹簡化為三層，通過對故障樹的分析，給每個底事件一個有固定含義的故障代碼。這樣，專家通過故障樹診斷故障的經驗就轉化為故障代碼和對應的故障說明。

故障代碼的生成包括以下步驟：

（1）在程序初始化過程中，按照故障代碼的前兩位設置故障的故障等級，故障延遲時間和是否禁止自動重啟等。

（2）每個程序循環周期都掃描故障診斷相關I／O點，如果循環到有故障存在而且持續時間達到設定值，軟件系統就將該故障對應的故障代碼計算出來（每一個底事件故障代碼的后四位也是固定的）。這些故障代碼只有在故障源消失而且復位有效的時候才會消失（安全鏈故障還需要就地復位）。

（3）判斷故障等級，并將所有的故障代碼存儲到故障數組中。具體流程圖如圖4所示。

當發生故障時候，最終在人機界面上顯示的故障如圖5所示，點開每一個子系統的故障欄，就可以得到具體的故障底事件。在故障樹和專家知識基礎上的編程可以非常準確定位出故障位置。

圖4 風機故障鏈程序結構

圖5 風機故障界面

4 結 論

本文完整地介紹MW級風力發電機故障診斷系統，介紹了基于故障樹和專家經驗的故障診斷軟件，針對風力發電機惡劣的工作環境，本文采用西門子分布式安全解決方案建立了安全鏈系統。這套系統目前已經成功應用于生產實踐，取得了良好效果，既保證了風機的安全，又節省了診斷時間，減少了不必要的拆卸，提高了風機的可利用率，具有很好的經濟效益和應用價值。

［1］ 徐興康，朱 蘊，季新育.MW級風機獨立安全鏈中基于FPGA的超速保護設計與實現［J］.電氣自動化，2011，29（3）：50－52.

［2］ 李 佳.工業中的故障安全應用及西門子故障安全解決方案［J］.自動化博覽，2009，7：44－46.

［3］ 吳欠欠，王 直，東 賀.故障樹分析法在船舶柴油機故障診斷中的應用研究［J］.機械設計與制造，2009，（1）：77－78.

［4］ 王世明.故障樹分析法在工程機械發動機故障診斷中的應用［J］.機床與液壓，2007，35（9）：251－253.