風機葉片應力監測系統的應用

陳 欽

（福建省三川海上風電有限公司，福建 莆田 351100）

0 前言

近年來，風電項目的建設規模越來越大，風機也朝著大型化和高性能化的方向發展，因此作為風機重要的受力部件，葉片就需要承受更大的風力荷載。風機葉片應力監測系統在保證風機葉片具有良好性能的過程中發揮了重要的作用，它實現了全面、準確地對風機葉片應力進行分析、判斷和監管的功能，而風機葉片應力監測系統的實踐應用是該文的主要研究內容。

1 系統概述

在風力發電項目中，吊裝位置不同的風機葉片所承受的風荷載也不同，而葉片直接影響風機的效率，進而影響發電機組的效率。準確地確認風機載荷可以促進其機組的優化操作且便于維護；同時，結合載荷監測的數據結果進行分析，還能夠掌握機組的運行情況和壽命，判斷其繼續運行以及運行壽命的狀態。根據上述需求，該文設計了一種葉片應力監測系統，在葉片根部位置設置應力監測傳感器，獲取葉片在扭轉以及拉伸時所受荷載的實時變化情況，從而獲取轉子的葉根載荷。

借助該系統可以對葉片、葉輪所受風力的荷載進行記錄和保存并結合實際情況和管控要求借助變槳的控制設施來實時調整漿葉的角度，實現葉片和軸承所受荷載的最小化控制，促進其運行效率的優化與提升[1]。同時，該系統以PLCnext 架構平臺為基礎，研發了風機葉片的數據采集和監控柜模塊，對所采集的數據進行處理與管控，并且能夠通過通信接口把數據傳輸、共享給上級單元。該系統是以模塊化理念為基礎而研發的，便于以后對其進行擴展、升級和優化改造。

2 系統應力測量的原理

風機葉片在受力過程中所受的應力主要有2 種，分別是翼面應力和邊緣應力。其中，翼面應力指風機葉片在迎風受力狀態下呈現的應力；邊緣應力指因葉輪的旋轉遭受空氣作用影響而使葉片遭受的應力。系統在采集應力情況時，將應變傳感器設置在風機葉片的根部位置并在每個葉片的翼面、邊緣方向各安裝2 個傳感器，以構建正交回路體系，通過模擬量的信號對電路進行調整，達到采集、分析和計算相關數據的目的。同時，使用PLC 完成裸值處理以及剔除壞值等任務，最終獲取準確的應力值。在測量應力情況時，針對應變片首先須進行電橋連接；其次，對電橋進行加電處理；最后，通過加電處理后，將應變片所產生的電阻變化信號進行電信號轉化并輸出[2]。在實際運用中，要根據圖1 中的回路方式給具有同一方向狀態的傳感器接入模塊，從而實現搭建電橋回路的目標[3]。電橋搭建的回路如圖1 所示。

圖1 電橋搭建的回路

3 監測系統的設計方案

3.1 系統主要構成

該系統的主要功能是對風機葉片的應力進行監測，采集相關數據并借助相應通信協議根據要求將數據對外傳輸到指定位置或者載體。在該系統內，所包括的系統部件主要有1 個葉片監控控制柜、12 根10 m的傳感器電纜以及12 個應力傳感器。該系統具備的主要功能包括通過PLCnext 平臺對葉片應力監測的傳感器所采集數據進行預處理；系統在使用的過程中具備無線通信的功能，能夠接入WLAN；系統內的電源進線、內部的電源回路、信號處理和控制柜的內部空間等都設置有浪涌保護措施。系統內的控制柜參數如下：控制柜的輸入電源為220 V AC；控制柜的規格為480 mm×480 mm×250 mm；控制柜的材料為不銹鋼304；控制柜的防護等級為IP54；工作溫度為-25 ℃～60 ℃；存儲溫度為-40 ℃～70 ℃。

3.2 葉片應力監測傳感器布置

該系統所用的葉片傳感器為德國菲尼克斯研發的RM-S 傳感器，在每個葉片根部安裝4 個傳感器，且安裝的位置一般位于距離葉根部約0.4 m 的地方。該傳感器便于安裝，當應變處于±1 000 μm/m 時，其疲勞壽命能夠達到108次。該傳感器的主要參數包括連接為A 編碼的M12 連接器；最大工作延伸率為1 500 μm/m；斷裂延伸率為2 500 μm/m；電阻值為（350±0.3%）Ω；防護等級為IP68[4]。在連接器的引腳分配中，傳感器主要與具有控制柜指定孔式的連接器相連。

3.3 PLCnext 控制器及I/O 實現

該控制器為開放式的平臺，主要包括模塊化的工程軟件、開放式的控制平臺以及系統云等部分，滿足功能變化和擴展的需求，因此在現有以及后續軟件的服務中都具有很好的應用效果。該控制器具有許多功能，主要包括使PLC 實時數據與性能保持一致，在高級語言以及基于模型代碼中也具有良好的適用性；能夠有效集成開放源的代碼軟件以及應用程序，在調整方面具有無限的可能性；能夠融合目前以及將來的通信標準，借助云連接達到智能聯網的效果；不同開發人員能夠通過不同編程語言進行獨立開發，達到快速開發相關應用的目的。

該控制器的硬件參數包括Cyclone 5與ARM Cortex-A9 CPU 2×800 MHz；512 MB RAM，OEM 可選擇升級到1 GB；SD 閃存卡插槽；1 個ETH-MAC 接口（2×10/100 MB） 和2 個IP 交換；C 型Micro-USB；實時時鐘；Axio 現場總線，最多支持63 個模塊；左側擴展能力；安全可信平臺模塊 （TPM）；溫度范圍為-25 ℃～60 ℃。

該控制器的SGI 模塊的主要參數包括菲尼克斯Axioline F I/O 系統，它是應變計的測量與采集模塊；本地總線的傳輸速率為100 Mbit/s；保護等級為IP20，涉及總線的基礎模塊以及Axioline F 的連接器。該模塊具有許多的功能，主要包括2 個用在應力測量中高精度的輸入；在交付期間測量的范圍能夠按照名義的特征值進行調整；以人工方式輸入特征值；在更新過程數據時，可以對200 μs與100 ms 間的增量數據進行設置；可以對環境過程的路徑進行調整處理；具備2 點調節能力；通過4 線與6 線連接技術連接應變儀；先期開路檢測；傳感器的電源能夠達到115 mA，稱重的傳感器共有8 個，且每通道具有350 Ω；每個通道都是低電阻，使用浮地式N/O 觸點方式；借助總線系統能夠分別對各個通道的參數進行設置。

系統用WLAN2100 路由器接入無線，該設備客戶端存在2 個MIMO（內部天線），它們都是單孔安裝，參數分別是IP66/IP68 和WLAN 802.11 a、b、g、n，天線頻率分別為2.4 GHz 和5 GHz；RJ45 是傳感器的連接器，主要用在局域網中。

4 系統的安裝

在安裝系統的過程中，主要涉及的安裝部件有安裝控制柜、安裝及連接應力監測的傳感器和傳感器的線纜布線等。

在安裝控制柜時，將其打孔安裝在輪轂內，控制柜要結合機型的需要對結構進行合理設計。

安裝及連接應力監測的傳感器包括基板準備、傳感器對齊、傳感器粘貼、電纜安裝以及連接器的引腳分配等環節。在安裝前，要做好基板的準備工作，清理基板，通過清潔劑有效清除基板表面的油污、油脂與灰塵等物質；有時還需要借助工具對基板進行打磨處理，使其具有良好的平整性和光滑度。在安裝時，要對傳感器進行對齊處理，與RM-S 型號評估單元進行搭配時，要求每個葉片的根部要設置4 個傳感器（分別在葉片0°、90°、180°以及270°的位置安裝），并且傳感器表面的箭頭朝發電機的輪轂方向，安裝時還要讓其盡量與葉片軸保持平行。

完成傳感器的對齊和定位工作后，要粘貼傳感器，粘貼前要先了解黏合劑的生產信息并閱讀黏合劑的使用注意事項，通過黏合劑在葉片相應位置粘貼傳感器，保證傳感器具有牢固的安裝效果。在安裝電纜時需要按照要求路徑對電纜進行無張力鋪設，同時借助電纜將傳感器與評估單元的底部位置指定孔式的連接器進行內連接，達到連接器和評估單元有效連接的目的。在傳感器的線纜布線中，要結合機型選擇布線方式，通常選擇蛇形方式進行布線，該布線方式主要是在輪轂和葉片之間設置彈簧。

5 系統的軟件設計與實踐

5.1 系統點表

該系統軟件部分的系統點表情況見表1。

表1 系統點表

5.2 系統的參數設置

系統采用基于BS 架構的框架設計，因此可以方便地使用瀏覽器進行訪問，控制器IP 地址后加上“/ wbm”即可訪問，例如https：//192.168.0.11/wbm/Login.html。建議使用火狐瀏覽器打開HMI 頁面。頁面登錄的用戶名為admin，密碼為控制器的密碼，可以在控制器的本體正面找到該密碼。

用戶在HMI 頁面中可單擊“Configuration Mode” （配置模式）按鈕對參數文件配置進行修改。在頁面中的Search框內輸入需要查詢的變量名稱即可查詢變量。每個參數的左側都有相關描述，用戶可以輸入所需要的參數值，下面灰色的數值是系統當前在線值。

更改參數文件中的變量設置后，單擊“Apply Parameters”（應用參數）按鈕，系統將驗證所有參數文件，并確保系統重啟后應用新的參數文件。通過Progress of initialization 狀態條可以實時顯示當前配置狀態。

需要特別注意的是，在新系統的調試過程中，需要對風機3 支葉片的參數進行配置，需要確認3 支葉片的以下配置信息：1） 葉片根部的厚度。2） 葉片根部的楊氏模量。3） 葉片根部的橫向收縮系數。4） 葉片根部的等效空氣動力點距離。5） 葉片長度。6） 葉根半徑。7） 輪轂半徑。8） 葉片錐角。

確認以上參數信息后，打開相應的參數文件頁面，填入相關參數。

用戶可以單擊“Calibration”（校準）組中的“Calibrate zero point”（零點校準）按鈕來校準當前葉片。在按鈕前一列，用戶可以觀察葉片的校準狀態。 如果顯示“Zero point calibrated”（零點已校準），則校準成功。如果葉片已經校準，則用戶必須單擊“Reset zero point”（重置零點）才能觸發新的校準程序。

將3 支葉片分別旋轉到葉尖垂直于地面的角度并采用相同的步驟對這些葉片進行校準。重復該操作，直到所有葉片都經過校準。

在頁面中可以對不同葉片的揮舞方向和擺陣方向的形變尺度因子進行校準。由風機設計廠家給出風機已知的參考應變點，通過設定每只葉片相應的尺度因子，對數據進行預處理，使其接近參考應變值。當3 支葉片的揮舞方向和擺陣方向的形變數值經過零點校準后依然相差較大時，可以確認葉片處于完全健康的狀態，也可以設定相應的尺度因子對數據進行預處理，使其大致在同一區間范圍。

參數存儲在SD 卡中的文件系統中。在將參數加載到程序之前，將由CRC 校驗對每個文件進行驗證。如果用戶在HMI 上登錄，則用戶修改部分或全部參數時，系統會自動進行CRC 校驗。

5.3 系統的數據采集

在HMI 中可以在線查看系統的實時值。用戶可以在窗口左側的樹形視圖中選擇或取消選擇數據點，還可以分別通過單擊“啟動”“暫?！被颉巴Ｖ埂卑粹o來啟動或停止數據可視化。在HMI 頁面中可以實時查看3 支葉片的應變、應力和載荷等數據曲線。在頁面中可以勾選系統的主要變量，以便用戶有選擇性地查看相關信息。通過實時比對查看曲線還能及時發現葉片數據的異常。

通過單擊“Datalogger”（數據記錄器）按鈕可以對RM-S 系統中的數據存儲文件及數據進行設置，默認有3種數據存儲方式，分別是快速（High Frequency Logger）、中速（Mid Frequency Logger）以及慢速（Low Frequency Logger）存儲。通過修改數據記錄器參數文件可以對需要記錄的文件名稱、數據的時長、數據的采樣頻率以及是否激活存儲等參數進行設置。參數設定完成后，在控制器相應的文件夾下就會定期生成數據記錄文件，方便查看系統的歷史數據。

系統支持有線通信接口（LAN），還支持常用的通信協議，例如Modbus TCP、PROFINET 以及OPC UA，可與主控/其他上級系統進行數據傳輸，也可通過SFTP 登入訪問PLC 數據，具備較高的兼容性。

系統以開放的PLCnext 平臺為基礎，可靈活擴展I/O或通信組件，編程符合IEC 61131-3 標準，且可以進行高級語言或Matlab Simulink 模型聯合開發運行，系統具備較高的可擴展性，可方便、高效地進行二次開發。

系統軟件模型采用新一代的PLCnext 平臺，系統可自由、開放地開發基于該平臺的葉片監測單機軟件，該軟件采用多編程語言合作開發，根據不同的應用場景選擇不同的開發語言，使其不僅可作為葉片監測的數據采集平臺，也可作為風機大部件和運行參數的驗證平臺，從而實現葉片監測系統和數據分析系統更加契合的目標，發揮各自的最大價值，實現葉片狀態監測、狀態分析以及狀態預警等多維度功能。

6 結語

綜上所述，該文闡述了風機葉片應力監測系統及系統應力測量的原理，從系統的主要構成、葉片應力監測傳感器布置、PLCnext 控制器及I/O 實現等方面對監測系統的設計方案進行詳細分析并對系統的安裝過程進行說明，希望為相關項目的建設和技術的研發提供參考。