基于ZigBee的海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

胡 濤，王致杰，程亞麗

（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306）

1 引言

近年來，我國能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型進(jìn)程不斷加快，我國已成為全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最大、增長最快的市場。風(fēng)能作為一種可再生能源，具有綠色清潔的特點(diǎn)，是目前世界各國的研究重點(diǎn)。相對(duì)陸上風(fēng)電而言，海上風(fēng)力資源更加豐富，具有發(fā)電量大、發(fā)電時(shí)間長、對(duì)生活環(huán)境影響小、不占用耕地、可進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)等諸多優(yōu)勢(shì)，因此，開發(fā)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)?！讹L(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出，到2020年，全國海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1.0×107kW，力爭累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到5.0×106kW以上。

隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，要保障風(fēng)電行業(yè)的核心利益，滿足監(jiān)管需要，海上風(fēng)機(jī)的無線通訊技術(shù)作為新型監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一受到了專家的高度重視，特別是在海上風(fēng)電場環(huán)境惡劣，維護(hù)人員不能及時(shí)到達(dá)故障點(diǎn)進(jìn)行檢修時(shí)，基于無線通訊的海上風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)就愈發(fā)顯得重要。比如，在海上風(fēng)機(jī)日常監(jiān)測中，經(jīng)常會(huì)遇到以下問題：如何確認(rèn)該風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)行？如何能快速定位到某風(fēng)機(jī)狀態(tài)異常點(diǎn)？如何能掌握到每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)信息和歷史工作信息？國外研究設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)發(fā)展得比較早，可追溯到半個(gè)世紀(jì)以前，在理論研究和儀器、系統(tǒng)的研發(fā)上，造詣比較高。監(jiān)測算法主要有傳統(tǒng)的、數(shù)學(xué)的和智能的3種診斷方法。傳統(tǒng)故障診斷方法包括振動(dòng)檢測和油液分析等，數(shù)學(xué)診斷方法包括模糊原理和小波分析等，智能診斷方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和專家系統(tǒng)等。診斷與監(jiān)測系統(tǒng)是由功能各異的軟件模塊集成，具有柔軟性好的優(yōu)點(diǎn)，所以，比儀表系統(tǒng)應(yīng)用更廣泛。國外對(duì)狀態(tài)監(jiān)測平臺(tái)的研究已趨于成熟，且許多公司都推出了成熟的產(chǎn)品。比如美國SKFCMMSl00/110、M800A，Entek-IRD的IQ/2000，Bently Navada的ADRE、Trendmaster2000，Vibro Meter的5501，Scientific-Atlanta的M6000、Ascent、CMS、Condition Diagnostics System、Condition Based Maintenance System（CBM）、Turbine Condition Monitoring（TCM）、Condition Management。

國內(nèi)對(duì)監(jiān)測平臺(tái)的研究也比較早，文獻(xiàn)[1]通過建立風(fēng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測平臺(tái)采集風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后建立風(fēng)機(jī)振動(dòng)特征值數(shù)據(jù)庫，根據(jù)振動(dòng)特征值數(shù)據(jù)庫對(duì)特征值參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，優(yōu)點(diǎn)是該平臺(tái)可以實(shí)時(shí)分析和診斷風(fēng)機(jī)故障，但沒有對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱等部位的溫度監(jiān)測也影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，該平臺(tái)監(jiān)測的范圍不全面。文獻(xiàn)[2]建立了基于B/S模式的大型海上風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測平臺(tái)，通過查看設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以遠(yuǎn)程并且及時(shí)了解海上設(shè)備的運(yùn)行狀況、診斷風(fēng)機(jī)故障，從而減小風(fēng)機(jī)的故障損失。但該文獻(xiàn)沒有考慮當(dāng)監(jiān)測平臺(tái)診斷到風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，而此時(shí)工作人員又不在工作現(xiàn)場的情況，這樣是無法及時(shí)處理故障的。文獻(xiàn)[3]通過改進(jìn)微分經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓―EMD）和獨(dú)立分量分析（ICA）對(duì)海上風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)早期故障進(jìn)行診斷，解決了傳動(dòng)系統(tǒng)早期故障振動(dòng)信號(hào)比較弱的問題。李虎通過分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的典型故障，通過軟硬件設(shè)計(jì)并基于Labview開發(fā)出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的平臺(tái)；侯君設(shè)計(jì)了基于B/S模式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，在監(jiān)測平臺(tái)上可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

現(xiàn)階段的無線通信技術(shù)主要包括藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、UWB技術(shù)、ZigBee技術(shù)。隨著無線技術(shù)的成熟，新型的無線通信技術(shù)ZigBee得到關(guān)注，尤其是在所需設(shè)備體積不大、耗能不高的無線消息傳送領(lǐng)域中，ZigBee技術(shù)被大量應(yīng)用。ZigBee具有功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)自組織、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、高安全模式的優(yōu)點(diǎn)，因此，在海上建立基于ZigBee技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)大大降低了運(yùn)維成本。本文構(gòu)建的基于ZigBee的海上風(fēng)機(jī)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部位上安裝無線傳感器，采集風(fēng)機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，再將傳感器采集的信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集模塊將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控終端，風(fēng)電場管理人員通過監(jiān)控中心屏幕即可全面了解和把控海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的工作情況，對(duì)風(fēng)機(jī)在工作期間的活動(dòng)情況一目了然。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，利用該系統(tǒng)可立刻定位到風(fēng)機(jī)布置的測點(diǎn)，及時(shí)處理。該系統(tǒng)在提高工作效率、監(jiān)控工作狀態(tài)、危險(xiǎn)情況處理等方面提供了強(qiáng)有力的支持，對(duì)于海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的意義。

2 基于ZigBee的海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee的海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括采集終端（測點(diǎn)處的傳感器）、ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)、在線采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心四部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee海上風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

在風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)采集終端，海上風(fēng)機(jī)通過安裝在測點(diǎn)處的各類傳感器完成風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的采集，并通過ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送到局域網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee協(xié)調(diào)器中。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后轉(zhuǎn)發(fā)到在線采集模塊，在線采集模塊主要負(fù)責(zé)接受遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的命令，采集協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)，并通過Internet傳送到監(jiān)控中心。該系統(tǒng)還具備海上風(fēng)機(jī)狀態(tài)定位功能，當(dāng)風(fēng)機(jī)某個(gè)部位有故障時(shí)，相應(yīng)的測點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)就會(huì)異常。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要處理傳輸過來的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、離線分析、故障診斷、數(shù)據(jù)庫查詢等。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中測點(diǎn)的選擇和數(shù)量直接關(guān)系到監(jiān)測信號(hào)能否很好地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)。本文的測點(diǎn)安裝既要監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還需要振動(dòng)測點(diǎn)，以及針對(duì)封閉的齒輪箱對(duì)其內(nèi)部工作溫度進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖2所示。

振動(dòng)測點(diǎn)共有發(fā)電機(jī)后軸承測點(diǎn)（測點(diǎn)1）、發(fā)電機(jī)前軸承測點(diǎn)（測點(diǎn)2、3）、主軸承測點(diǎn)（測點(diǎn)8）、齒輪箱中間軸測點(diǎn)（測點(diǎn)4）、齒輪箱輸出軸測點(diǎn)（測點(diǎn)5）、齒輪箱輸入軸測點(diǎn)（測點(diǎn)7）和齒輪箱體測點(diǎn)（測點(diǎn)6）8個(gè)；轉(zhuǎn)速測點(diǎn)包括高速軸測點(diǎn)（測點(diǎn)10）、低速軸測點(diǎn)（測點(diǎn)11）2個(gè)；溫度測點(diǎn)有齒輪箱測點(diǎn)（測點(diǎn)9）。

圖2 測點(diǎn)布置圖

3 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件部分完成對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸；軟件部分依據(jù)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)的狀態(tài)信息，完成狀態(tài)監(jiān)測。硬件部分包括測點(diǎn)傳感器、采集卡，軟件主要包括在線采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分。測點(diǎn)傳感器主要安裝在風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備上，采集卡用于采集振動(dòng)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，在線采集負(fù)責(zé)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時(shí)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的開始采集命令，實(shí)現(xiàn)采集的遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要是處理傳輸過來的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、離線分析、故障診斷、數(shù)據(jù)庫查詢等。在實(shí)際工作中，風(fēng)場一般都距離遠(yuǎn)程監(jiān)測中心比較遠(yuǎn)，現(xiàn)場與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)傳輸只能借助于網(wǎng)絡(luò)，所以，為了使系統(tǒng)更符合實(shí)際，系統(tǒng)中的在線采集端與遠(yuǎn)程端的通信采用網(wǎng)絡(luò)的形式，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令傳輸。具體風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分

硬件部分采用TI公司推出的有SOC的CC2530單片機(jī)作為控制器，對(duì)于2.4 GHz、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee和RF4C的片上系統(tǒng)，CC2530是最佳的選擇。由圖3可知，數(shù)據(jù)采集處理和無線發(fā)送主要由CC2530單片機(jī)完成，它具有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力，為風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集提供了保證。電源模塊為CC2530單片機(jī)提供電能，它的穩(wěn)定性和可靠性是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。因此，電源管理芯片采用TI公司的TP4057芯片，當(dāng)電源沒達(dá)到要求的電平時(shí)，為了防止CC2530芯片出現(xiàn)不受控制的狀態(tài)，需設(shè)計(jì)復(fù)位電路。在控制系統(tǒng)的復(fù)位電路中，一般采用電壓監(jiān)控或者看門狗電路，低電平有效。

傳感器（transducer/sensor）是一種可以將檢測對(duì)象的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詸z測、傳輸和處理的信號(hào)的檢測裝置。通常情況下，風(fēng)電機(jī)組主軸軸承和齒輪箱輸入端軸承都在低速狀態(tài)下運(yùn)行，因此，低頻加速度傳感器的型號(hào)為Turningpoint TP500（500 mv/g）。而齒輪箱輸出端軸承和發(fā)電機(jī)輸入輸出端軸承與上述相反，通常工作在高速運(yùn)行狀態(tài)下，因此，加速度傳感器的型號(hào)為Turningpoint TP100（100 mv/g）。溫度傳感器的作用是實(shí)時(shí)采集監(jiān)測對(duì)象的溫度值，薄膜鉑熱電阻PT100溫度傳感器在國內(nèi)外大多風(fēng)電機(jī)組中通用，它的溫度檢測范圍－100～500℃，對(duì)監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行時(shí)溫度變化范圍和精度要求均能達(dá)到要求。高速軸的轉(zhuǎn)速傳感器的構(gòu)成是在電機(jī)和齒輪箱高速軸輸出端安裝1個(gè)齒盤，并用2個(gè)獨(dú)立的接近開關(guān)對(duì)齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，這是一種傳統(tǒng)的機(jī)械傳感測量方式。

4 軟件設(shè)計(jì)

Z-Stack支持ZigBee2007規(guī)范是德州儀器開發(fā)的高水平的ZigBee協(xié)議棧，由于支持多個(gè)平臺(tái)開發(fā)，使得其幾乎包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的全功能協(xié)議。本文采用Z-Stack協(xié)議棧。

4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部位，如圖4所示。先給協(xié)調(diào)器上電，這時(shí)啟動(dòng)代碼來初始化軟硬件設(shè)備，接著協(xié)調(diào)器會(huì)掃描信道，查看新建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)是否成功，如果成功，整個(gè)模塊就進(jìn)入無線監(jiān)控模式下。此時(shí)，如果有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的話，協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)分配地址，并開始對(duì)其新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行存儲(chǔ)處理。最后，更新和顯示關(guān)聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)便接收從路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)，并將其傳送到上位機(jī)，然后指令請(qǐng)求中斷返回，形成一個(gè)多循環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)模式。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信使得終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間互相通信，整理和存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。終端節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)等功能，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上一級(jí)模塊。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)上電后，初始化設(shè)備，查看是否成功加入網(wǎng)絡(luò)，接著請(qǐng)求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。如果新加入的節(jié)點(diǎn)通過已存在網(wǎng)絡(luò)中的全功能設(shè)備，則成功加入網(wǎng)絡(luò)，然后為其節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的ID。最后，在進(jìn)入休眠與喚醒采集數(shù)據(jù)之間循環(huán)，采取低功耗工作模式。

4.3 基于ZigBee的海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備上的傳感器主要安裝在風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵測點(diǎn)上，用來采集當(dāng)前風(fēng)機(jī)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。在實(shí)際工作中，先打開串口調(diào)試助手連接至協(xié)調(diào)器，終端的測點(diǎn)傳感器會(huì)采集當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，傳感器采集的信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集模塊將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊隔一定的時(shí)間會(huì)將數(shù)據(jù)上報(bào)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)送開始采集的命令后，在線采集模塊開始接受協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后再通過Internet轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。因此，可通過監(jiān)控中心獲取當(dāng)前風(fēng)機(jī)的最新信息。

圖5 路由節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

5 小結(jié)

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文中的ZigBee通信系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流，可以解決現(xiàn)有的海上風(fēng)電場監(jiān)測系統(tǒng)采用的有線通信方式存在的問題，如果海上風(fēng)電場環(huán)境惡劣，則可進(jìn)入性差，有線通信方式的布線困難，布線成本高。基于ZigBee的海上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究可以保證海上風(fēng)電機(jī)不會(huì)因?yàn)橥蝗还收弦鹑藛T、經(jīng)濟(jì)的損失，對(duì)于海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的意義。

［1］范佳卿.基于實(shí)時(shí)特征值的風(fēng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷研究［D］.上海：上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，2017.

［2］蘇玲霞.基于B/S模式的大型海上風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測平臺(tái)研發(fā)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2015.

［3］鄭小霞，葉聰杰，周榮成.基于改進(jìn)DEMD和ICA的海上風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)早期故障診斷［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2017，21（11）：82-89.

［4］Akbilgic O.，Bozdogan H.，Balaban ME.A novel Hybrid RBF Neural Networks Model as A Forecaster［J］.Statistics and Computing，2014，24（3）：365-375.

［5］J Shao，J Shu，LI Wang，et al.An Improved Modeling of Nonlinear Circuits Based on Elman Neural Network［J］.Applied Mathematics&Information Sciences，2014，8（4）：1685-1690.

［6］葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［7］R Zimroz，W Bartelmus，T Barszcz，et al.Diagnostics of Bearings in Presence of Strong Operating Conditions Non-stationarity—A Procedure of Load-Dependent Features Processing with Application to Wind Turbine Bearings［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2014，46（1）：16-27.

［8］BS Joyce，J Farmer，DJ Inman.Electromagnetic Energy Harvester for Monitoring wind Turbine Blades［J］.Wind Energy，2014，17（6）：869-876.

［9］徐穎劍.風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)故障分析診斷［D］.保定：華北電力大學(xué)，2013.