基于LabVIEW的風電機組狀態監測與故障預示系統設計

李洪鵬，蔣全勝，殷新培，張其凱，許杰

（蘇州科技大學機械工程學院，江蘇蘇州215009）

綠色裝備技術

基于LabVIEW的風電機組狀態監測與故障預示系統設計

李洪鵬，蔣全勝，殷新培，張其凱，許杰

（蘇州科技大學機械工程學院，江蘇蘇州215009）

為了提高風電機組的可靠性、高效率及風電機組的壽命，基于LabVIEW平臺設計了風電機組的狀態監測與故障預示系統。系統對風電機組運行實時采集的振動信號進行時域和頻域分析，獲取能描述風電機組的運行狀態和故障嚴重程度的特征信息，給出將來可能發生的故障預示以及相應的維護建議，從而改善風電機組的運行效率和使用壽命。該系統對于降低風電機組的故障率以及減少因故障帶來的經濟損失具有重要的意義。

LabVIEW；風電機組；狀態監測；故障預示；監測系統

近年來，風力發電作為一種可再生的清潔能源，沒有傳統的火力發電存在的資源枯竭和環境污染問題，因此得到了世界各國極大的關注和發展。由于大型風力發電機組通常被安裝在戈壁灘、草原、海洋和沙漠等偏遠平曠地區，所處的運行環境較惡劣，很容易發生停機等故障。因此，為了提高風力發電機組的發電效率，有必要對其進行運行狀態監測和故障預示的開發，提高風電機組的可靠性和使用壽命[[1-2]。

本系統利用LabVIEW設計方法，對實時采集的信號進行時域、頻域分析，對信號進行定量分析，進而對風電機組的運行狀態進行監測以及預估出將來可能發生的故障，并及時的提供維護信息。該系統采用傳感器作為下位機，傳感器和計算機采用串口單向通信。該系統采用美國LabVIEW開發平臺，設計一種風電機組狀態監測與故障預示系統，實時分析處理采集的數據。LabVIEW是美國NI公司開發的圖形化編程語言，它在數據采集和工程控制方面具有明顯優勢[3]。系統的核心工作原理是將采集的不同工況風電機組的振動信號進行監測和分析，對于異常狀態或可能出現的故障，給出故障預示分析，以及相應的維護建議。

1 LabVIEW開發平臺

理想選擇[4]。LabVIEW平臺包含了快速搭建絕大多數應用所需的所有工具，能夠幫助設計人員快速解決工程問題、提高工作效率。

LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，采用的圖形化程序語言，又稱為"G"語言。這種語言編程模式為快速構建工程系統，實現數據采集系統和儀器編程提供了方便。LabVIEW的優勢在于易學易用、開發時間短、擴展性強，同時具有高性能的模塊化硬件和用于集成的軟硬件平臺，結合高效靈活的軟件可完成各種測試、測量和自動化的應用。

2 風電機組狀態監測與故障預示系統設計方案

風電機組的結構主要可分為兩部分：一是由將風能轉換為機械能的風力機；二是將機械能轉換為電能的發電機。風力機主要由風輪、主軸、齒輪箱、控制器及輔助裝置組成，其作用是將轉化成機械能的風能傳遞至齒輪箱，通過齒輪箱增速，帶動高速發電機工作。風電機組的類型有雙饋型風電機組和直驅型風電機組等，其中雙饋型風電機組在我國實際運行數量最多，其結構如圖1所示。

LabVIEW是一種用于程序開發的語言環境，采用圖形化語言編寫程序，是開發測量或控制系統的

圖1 雙饋型風電機組結構圖

風電機組狀態監測及故障預示系統方案如圖2所示，具體設計過程如下：

首先，在機組各個關鍵部位安裝不同傳感器，采集振動、轉速、溫度等信號。如低速軸位置選擇低速加速度傳感器，在高速軸部分選擇壓電加速度傳感器。然后通過調整單元和信號采集卡，輸入到在LabVIEW上開發監測平臺，該平臺運用小波消噪的方法進行消噪，然后通過快速傅里葉變換將輸入信號進行分解，通過曲線擬合、時域分析、頻域分析等步驟，將數據以圖形的形式呈現出來，并根據分析得到的結果對照正常運行時的信號，如果出現信號異常，進行故障原因分析，并在系統界面上給出故障預示以及故障維護建議。

圖2 風電機組狀態監測及故障預示系統方案

3 系統Labview平臺構建

LabVIEW的平臺構建主要分為前面板和后面板，即主界面和源程序。本系統采用了模塊化的設計方法，主界面主要分為：登錄區、波形顯示區、文件記錄區、維護建議區。系統功能模塊主要分為信號采集模塊、數據管理模塊、信號處理模塊、故障預示與診斷模塊。

3.1 用戶登錄模塊設計

用戶登錄模塊是進入系統的第一個步驟，采用密碼登錄主要是對用戶的使用權利進行限制，防止未授權用戶進入系統，只有登錄成功的用戶才能進入相應的操作。對系統進行登錄設置，可以防止非管理人員使用這臺電腦時，由于一些錯誤的操作，導致刪除一些系統文件、記錄的數據等。系統登錄界面如圖3.

圖3 系統登錄界面

利用波形圖表顯示控件時刻監控風電機組振動狀況，同時對數據記錄。在波形圖表上方有四個復選按鈕，當擬顯示某一部位的波形圖時，只需將這個部位的復選框勾上，可以在波形圖表中任意顯示幾條波形。

系統自動將信號記錄自動的保存在電腦。點擊設置按鈕之后，可以修改信號記錄保存的位置，便于文件的管理和數據查詢。系統程序前面板如圖4所示。

圖4 系統程序前面板

3.2 信號采集模塊

信號采集是信號分析的第一步，采集到適當的信號是信號分析的前提。這里主要通過壓電式加速度傳感器進行風電機組的振動信號采集。系統信號采集程序圖如圖5所示。

圖5 系統信號采集模塊程序

3.3 信號處理模塊

LabVIEW提供了各種數據處理函數，包括信號消噪、功率譜分析、包絡譜分析等。利用LabVIEW自帶的濾波器可以對信號進行低通、高通、帶通、帶阻濾波處理。

本系統信號處理模塊主要進行振動數據的時域和頻譜分析。對于時域圖，系統會計算出峰值、均值、峭度、脈沖因子等波形指標，通過跟正常或故障情況下的歷史波形指標進行對比，確定出齒輪箱故障狀態。

3.4 故障預示與診斷模塊

故障預示與診斷模塊分為兩個部分，一個是故障預警，另一個是故障診斷。

（1）故障預警

故障預警模塊將采集來的信號與設定的閥值進行比較，當發現超標量時進行提示和報警。本系統選取峭度指標作為監測預警的特征參數，選取溫度參數作為對傳動系統的保護參數，將二者有效結合能夠起到保護和故障判斷的作用。

（2）故障診斷模塊

因為故障診斷模塊的計算量比較大，單純使用LabVIEW進行計算顯得有些困難。所以將LabVIEW和Matlab結合使用以實現LabVIEW軟件對Matlab的調用。其調用過程如圖6所示。

圖6 LabVIEW調用Matlab程序

當故障預警模塊發出預警信息時，故障診斷模塊開始工作，自動提取振動信號的故障特征值，并將故障特征值輸入到推理機，推理模塊計算后將診斷結果顯示在人機交互界面。診斷結果顯示在前面板的輸出控件中，根據輸出來判斷是哪個位置故障和故障類型以及可能產生故障的原因。

3.5 數據管理模塊

數據的存儲與調用是一個系統所必須具備的一項功能。監測系統獲取數據的目的一是能夠分析數據得到被測對象的狀態變化趨勢來預測將來可能會出現的狀況，二是分析某些異常狀況的數據特征。因此對數據的儲存針對性的采取了兩種存儲方式：

（1）定時存儲

定時存儲是數據存儲的一種最常見的存儲方式。定時存儲就是當系統長時間監測一個連續工作的對象的時候，每隔一定的時間間隔對被測對象的運行參數進行記錄。

（2）異常狀況存儲

當被測對象發生異常狀況時，例如設備發生故障時，系統會自動的記錄下設備異常這段時間的相關數據。

系統數據記錄程序如圖7所示。

圖7 系統數據記錄程序

4 結束語

本系統針對風電機組的故障多發部位設計開發了實時狀態監測與故障預示系統，通過數據采集系統進行了振動信號采集，采用工程中較常用的時域、頻域的分析方法進行信號分析和特征提取，并根據所提取的信號特征對照識別人工設置的仿真故障來確定故障部位、故障預示以及維護建議。本文對其他的控制系統設計的研究具有參考指導意義。

[1]高羽．數字信號處理在風力發電機故障診斷中的應用[J]．上海電機學院學報，2010，13（5）：258-261．

[2]崔偉．風力發電機組振動狀態監測與故障診斷系統研究[D]．北京：華北電力大學，2014．

[3]胡乾苗.LabVIEW虛擬儀器設計與應用[M]．北京：清華大學出版社，2016．

[4]豈興明，田京京，朱洪崎．LabVIEW入門與實戰開發100例[M]．2版.北京：電子工業出版社，2014.

[5]高志偉．風力發電機齒輪箱狀態監測與故障診斷系統的研發與實現[D]．上海：上海電機學院，2015．

[6]李和平，陳育新．基于LabVIEW工業機器人自動分揀系統設計[J]．機床與液壓，2015，43（9）：90-93．

Design of Wind Turbine Condition Monitoring and Fault Prediction System Based on LabVIEW

LI Hong-peng，JIANG Quan-sheng，YIN Xin-pei，ZHANG Qi-kai，XU Jie
（School of Mechanical Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215009，China）

In order to improve the reliability and efficiency of the wind turbine，the condition monitoring and fault prediction system of the wind turbine based on the LabVIEW platform is designed.In the system，vibration signal analysis system of wind turbine operation in real-time acquisition is implemented，the time domain and frequency domain analysis are complied，and the feature information of running status or failure degree of the wind turbine is obtained.The system indicates the possible failure in the future，and provides s maintenance information in a timely manner，so as to optimize the operation and working life of the wind turbine.The system is of great significance for the safe operation and economic benefit of the wind turbine.

LabVIEW；wind turbine；condition monitoring；fault prediction；monitoring system

TP216

A

1672-545X（2017）06-0067-03

2017-03-06

蘇州科技大學科研基金項目（XKZ201408）；江蘇省本科生創新訓練計劃項目（201510332054X）

李洪鵬（1996-），男，江蘇淮安人，在讀本科生，研究方向：機電設備檢測技術；蔣全勝（1978-），男，湖北洪湖人，副教授，博士，研究方向：機電設備狀態監測與故障診斷。