物聯(lián)網(wǎng)在風(fēng)電系統(tǒng)螺栓力矩平臺(tái)中的應(yīng)用

史 偉，竇玉祥，田 仁，何 明，陳 波

（國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

在人們不斷探索人與人的現(xiàn)代通信技術(shù)的同時(shí)，視覺也在物與物的通信角度悄然翻開。為了更好地服務(wù)電子信息傳遞，人們最初在部分物體打上條形碼，這大大提高了物品識(shí)別的效率，隨著RFID、藍(lán)牙、ZigBee等近場(chǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，RFID、二維碼等各種現(xiàn)代識(shí)別技術(shù)逐步得到推廣應(yīng)用。在摩爾定律的推動(dòng)下，芯片體積不斷縮小，功能更加強(qiáng)大，傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸趨向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化。隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理問題也將得到解決，物品自身的網(wǎng)絡(luò)與人的網(wǎng)絡(luò)相連通已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。

在風(fēng)電系統(tǒng)中，螺栓作為風(fēng)機(jī)部件的連接件，其鎖緊的質(zhì)量至關(guān)重要，螺栓的力矩值作為鎖緊質(zhì)量中一個(gè)重要的參數(shù)，是否滿足風(fēng)電系統(tǒng)的工藝安裝要求，決定了風(fēng)機(jī)是否能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。所以本文根據(jù)傳統(tǒng)套筒在螺栓擰緊過程中存在的缺陷，指出現(xiàn)在工藝的不足，從物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢C合考慮，提出開發(fā)一套風(fēng)機(jī)螺栓力矩智能化管理監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過實(shí)踐證明，該平臺(tái)大幅度提高了風(fēng)機(jī)螺栓力矩?cái)Q緊的生產(chǎn)效率，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，保障了螺栓的裝配質(zhì)量和風(fēng)機(jī)安全性能，對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)整機(jī)企業(yè)的智能制造具有一定的參考意義［1］。

1 傳統(tǒng)套筒螺栓擰緊工藝現(xiàn)狀

傳統(tǒng)小螺栓通常用活扳手和套筒（呆）扳手緊固，大螺栓用加長(zhǎng)臂套筒扳手緊固，有些人只是用錘子敲擊套筒扳手來緊固螺栓。后來，螺栓的緊固方式由氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓扳手和液壓擔(dān)架緊固。對(duì)于一些高強(qiáng)度的螺栓，只能通過螺栓中心孔加熱，使螺栓伸長(zhǎng)，然后擰緊螺母，如螺栓冷卻收縮，達(dá)到擰緊的目的。手動(dòng)擰緊時(shí)，只能用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，直到固定為止。螺栓擰緊后的預(yù)緊力無法控制，只取決于施工人員的強(qiáng)度和習(xí)慣。

傳統(tǒng)的液壓扳手?jǐn)Q緊時(shí)，雖然可以通過液壓泵站設(shè)定輸出的壓力來對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)螺栓的力矩，但為了防止螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，必須使驅(qū)動(dòng)力與反作用臂平衡。根據(jù)力矩平移規(guī)律，產(chǎn)生一定的偏載。由于螺栓與螺母的接觸螺紋之間存在間隙，擰緊時(shí)螺紋間的表面接觸會(huì)變成線接觸，大大增加了螺紋間的摩擦。反作用臂支點(diǎn)的變化也會(huì)引起螺栓摩擦力和正壓力的變化。因此，盡管傳統(tǒng)的液壓扳手為每個(gè)螺栓提供了相似的擰緊力矩，但每個(gè)螺栓的實(shí)際預(yù)緊力并不相同。

由此可見，傳統(tǒng)的緊固方法無法保證螺栓的預(yù)緊力，并且在工作過程中無法有效記錄螺栓擰緊的力矩值。因此，要保證螺栓的工藝并提升工作效率，實(shí)時(shí)記錄力矩值，需要從以下幾個(gè)方面著手解決。第一，在法蘭和墊片質(zhì)量通過的前提下，螺栓的預(yù)緊力和偏差是決定法蘭是否泄漏的重要因素。第二，控制螺栓的預(yù)緊力，選擇正確的螺栓擰緊工藝是非常重要的。第三，螺栓擰緊過程中需要添加智能化傳輸設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)有效地記錄螺栓的力矩值，這樣才能保證螺栓鎖緊的質(zhì)量［2］。

2 智能套筒在力矩平臺(tái)中的工藝研究

智能套筒集成了無線動(dòng)態(tài)力矩傳感器，取代傳統(tǒng)的套筒，它可以通過藍(lán)牙或者WiFi的形式，將數(shù)據(jù)傳輸至配套的液壓泵站的PLC，PLC通過內(nèi)部邏輯設(shè)定與采集的力矩值及其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的范圍作出判斷分析，從而發(fā)出相關(guān)指令，消除因設(shè)備的過載運(yùn)行等導(dǎo)致的鎖緊質(zhì)量缺陷及安全隱患。同時(shí)PLC通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)通過無線傳輸方式通過無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至力矩平臺(tái)，這樣所有的設(shè)備數(shù)據(jù)都能保存在平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備操作的合理化記錄，大大減少了人為的誤操作概率，提高了生產(chǎn)效率。

智能力矩套筒上緊時(shí)，不僅應(yīng)過度拉伸螺栓，而且智能力矩套筒上緊螺栓的預(yù)緊力精度較低。液壓扳手和智能力矩套筒緊固螺栓的試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)緊精度分別為（+15%）和（+51%）。

3 基于智能套筒的力矩監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)螺栓力矩智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)分為軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3部分，為了滿足平臺(tái)運(yùn)行條件，采用軟硬結(jié)合方式，系統(tǒng)功能如圖1所示，該平臺(tái)可采集風(fēng)電工廠的螺栓套筒實(shí)時(shí)力矩值、泵站壓力、PLC設(shè)備在線率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成文本和圖表形式的各項(xiàng)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓、泵站、PLC的控制和監(jiān)測(cè)［3］。

圖1 系統(tǒng)功能

平臺(tái)硬件部分主要有智能套筒、中繼網(wǎng)關(guān)接收器、壓力變送器等現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備和PLC控制器［4］、服務(wù)器及終端顯示設(shè)備構(gòu)成，其中PLC是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電子裝置，通過數(shù)字量和模擬量輸入/輸出來控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。為方便客戶隨時(shí)掌控套筒力矩和泵站壓力等信息，該平臺(tái)采用C/S體系結(jié)構(gòu)，利用壓力傳感器、RFID射頻［5］等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將信息傳送到中控室的服務(wù)器，使服務(wù)器與硬件設(shè)備通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，并制定友好的大數(shù)據(jù)人機(jī)交互界面，支持計(jì)算機(jī)的瀏覽和操作。硬件組成如圖2所示。

圖2 平臺(tái)硬件構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定采用樹形以太網(wǎng)架構(gòu)，樹形網(wǎng)絡(luò)也叫多星級(jí)型網(wǎng)絡(luò)。樹形網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)層次的星型結(jié)構(gòu)縱向連接而成，樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是計(jì)算機(jī)或轉(zhuǎn)接設(shè)備。一般來說，越靠近樹的根部，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的性能就越好。樹形拓?fù)鋸目偩€拓?fù)溲葑兌鴣恚螤钕褚豢玫怪玫臉洌敹耸菢涓瑯涓韵聨Х种В總€(gè)分支還可再帶子分支［6-7］。

本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展，故障隔離較容易，但是各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)根的依賴性太大，一旦根節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的全部癱瘓。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)感知層、傳輸層和應(yīng)用層進(jìn)行安全設(shè)計(jì)［8］，提高信息采集、傳輸和控制的可靠性。在感知層，采用多位置、多方向和穩(wěn)定的無線路由節(jié)點(diǎn)［9］進(jìn)行分布，形成全面的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；在傳輸層，采用工業(yè)以太網(wǎng)和I/O總線來提高信息傳輸?shù)募皶r(shí)性、完整性和抗干擾性；在應(yīng)用層，采用J2EE中間件、WebService、數(shù)據(jù)分析及挖掘等網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息控制和管理［10-11］。

該平臺(tái)軟件采用JAVA語言開發(fā)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)，集成了大屏幕遠(yuǎn)程控制、綜合數(shù)據(jù)分析、設(shè)備報(bào)警分析、設(shè)備在線率統(tǒng)計(jì)等功能，支持電力系統(tǒng)多種類型的通信規(guī)約。平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，利用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層3層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)軟件的“高內(nèi)聚，低耦合”，使平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)軟件功能如圖4所示。

圖3 樹形網(wǎng)絡(luò)

圖4 系統(tǒng)軟件功能

在系統(tǒng)軟件功能中，傳感器等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器后臺(tái)處理程序通過WebSocket等接口將各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和整合，生成曲線圖，通過客戶端實(shí)現(xiàn)報(bào)警事件的顯示，實(shí)現(xiàn)歷史存儲(chǔ)、控制運(yùn)算、事件記錄、報(bào)警檢查、數(shù)據(jù)處理等功能。客戶通過瀏覽客戶端進(jìn)行套筒力矩值和壓力變送器的壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)，可以讀取實(shí)時(shí)庫數(shù)據(jù)，向PLC控制器發(fā)送控制指令來響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的報(bào)警聯(lián)動(dòng)監(jiān)控功能。

風(fēng)機(jī)螺栓力矩智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)有以下方面：

（1）在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力矩套筒擰緊螺栓的力矩值、壓力值等相關(guān)參數(shù)。

（2）定位追溯，基于物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，精確定位螺栓擰緊工位位置。

（3）報(bào)警聯(lián)動(dòng)，主要提供事件報(bào)警和提示，基于工作流和規(guī)則引擎進(jìn)行硬件聯(lián)動(dòng)。

（4）趨勢(shì)預(yù)警，基于預(yù)先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行事件處置和預(yù)警分析。

（5）安全隱私，采用自組局域網(wǎng)通信傳輸，保障了企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇，促進(jìn)了風(fēng)電行業(yè)的信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化建設(shè)，使風(fēng)電系統(tǒng)具有智能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作等功能，加強(qiáng)了設(shè)備間的聯(lián)系，讓多個(gè)設(shè)備能與計(jì)算機(jī)相連，使監(jiān)測(cè)、管理更加集中化和智能化，為維護(hù)人員及時(shí)反饋設(shè)備信息，讓風(fēng)電的生產(chǎn)得到低成本和高效率的發(fā)展。

風(fēng)機(jī)螺栓力矩智能化管理監(jiān)測(cè)平臺(tái)雖然利用了現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)螺栓力矩的智能管理，但也存在一些問題。在套筒精確定位螺栓方面，由于當(dāng)前國內(nèi)GPS技術(shù)限值導(dǎo)致無法精確定位套筒所打螺栓的位置。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，由于數(shù)據(jù)采集和傳輸一般都是在無人值守環(huán)境下，所以在原有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全將會(huì)成為一個(gè)挑戰(zhàn)，這需要從網(wǎng)絡(luò)感知層、傳輸層和應(yīng)用層進(jìn)行安全設(shè)計(jì)來提高信息的有效采集、可靠傳輸和及時(shí)控制。在控制方面，方泵站對(duì)套筒供給壓力過大或出現(xiàn)故障問題時(shí)，雖然系統(tǒng)能進(jìn)行自行分析和及時(shí)報(bào)警，但大部分問題還是需要工作人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)才能解決，離真正的無人值守和完全自動(dòng)控制還有一定的差距。這些問題將會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)合理地存在，要解決這些問題，就要建立一個(gè)統(tǒng)一的框架，把技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息資源及終端進(jìn)行有機(jī)融合，提高自主研發(fā)能力，逐步推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用［12］。