基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高 峰 許 琳

（華北電力大學(xué)）

0 引言

葉片作為風(fēng)電機(jī)組的主要的承載部件之一，長期處在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，遭受著諸如沙塵、雨雪、冰雹、雷擊等多種腐蝕和侵襲，同時(shí)還不斷承受著外界極端載荷與周期性疲勞載荷，長此以往極易發(fā)生各種葉片故障。葉片常見故障主要包括破損、覆冰、葉片螺栓松動(dòng)或脫落與變槳故障等。葉片故障會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，例如破損故障（見圖1）是由于葉片受外界影響而出現(xiàn)表面裂紋或邊緣開裂的情況，嚴(yán)重的會(huì)造成葉片折斷甚至機(jī)組倒塔等惡性事故；當(dāng)發(fā)生圖2所示的覆冰故障時(shí)，會(huì)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，影響其發(fā)電效率；變槳故障除可能造成機(jī)組發(fā)電功率損失外，還會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)異常、停機(jī)甚至葉片損壞等現(xiàn)象；因機(jī)組長期在風(fēng)切變和塔影效應(yīng)下運(yùn)行，并承受極端氣候條件侵?jǐn)_，易出現(xiàn)載荷不平衡、潤滑不良等問題，導(dǎo)致振動(dòng)加劇，容易造成風(fēng)機(jī)葉根與輪轂連接的螺栓松動(dòng)，進(jìn)而加劇振動(dòng)形成惡性循環(huán)。在機(jī)組運(yùn)行期間，如能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出葉片故障并采取相應(yīng)措施，可以在很大程度上避免發(fā)生重大事故，減少經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 典型葉片破損

圖2 不同程度的葉片覆冰

目前國內(nèi)外針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的方法，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來源類型主要有：X射線［1］、紅外熱成像檢測(cè)［2－4］、超聲波檢測(cè)［5］、聲發(fā) 射 檢 測(cè)［6－7］、光 纖 傳 感 器 檢 測(cè)［8－10］、振 動(dòng) 檢測(cè)［11－12］。這些方法各具特色，對(duì)葉片監(jiān)測(cè)都有一定的效果，同時(shí)，這些方法也都有一定的局限性。相對(duì)而言，葉片振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型相對(duì)較小，效果較好，比較適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)。

1 葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

振動(dòng)信號(hào)可以用來反映風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行中的健康狀況，當(dāng)葉片出現(xiàn)故障會(huì)使振動(dòng)改變，因此，通過對(duì)葉片振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，即可對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的健康狀況做出判斷。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件由無線傳感器系統(tǒng)、信息處理終端兩部分組成，軟件是名為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。該系統(tǒng)通過無線傳感器系統(tǒng)采集葉片振動(dòng)信號(hào)并使用無線網(wǎng)傳送給信息處理終端，信息處理終端采用TCP傳輸協(xié)議通過以太網(wǎng)將振動(dòng)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 無線傳感器系統(tǒng)

無線傳感器系統(tǒng)安裝于葉片上，用于采集葉片振動(dòng)信號(hào)。將采集到的葉片振動(dòng)信號(hào)通過無線通信的方式傳給信息處理終端。

1.2 信息處理終端

信息處理終端主要將無線傳感器系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)進(jìn)行接收，并通過以太網(wǎng)通信將振動(dòng)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。

1.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件

該軟件基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過TCP協(xié)議與信息處理終端進(jìn)行通信，將信息處理終端傳送來的葉片振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并且以關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)方式存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫中。

2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件介紹

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)葉片振動(dòng)信號(hào)處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能，并且有兩種模式可供選擇：自動(dòng)模式下可在無人值守的情況下全天候自動(dòng)采集與存儲(chǔ)葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)，并且在整點(diǎn)時(shí)自動(dòng)分析數(shù)據(jù)并對(duì)葉片健康狀況進(jìn)行診斷；手動(dòng)模式下需人工對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析與故障診斷。該系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，葉片故障自動(dòng)報(bào)警，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)查詢，振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量分析與頻譜分析，葉片工作模態(tài)分析。

2.1 振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示

監(jiān)測(cè)界面的主要功能有：改變數(shù)據(jù)分析的模式，實(shí)時(shí)顯示葉片加速度信號(hào)及轉(zhuǎn)速，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行故障報(bào)警，顯示歷史模態(tài)頻率趨勢(shì)圖，顯示歷史均方根趨勢(shì)圖，界面如圖4所示。

圖4 振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示界面

自動(dòng)模式下：本系統(tǒng)可以將采集到三個(gè)葉片的3個(gè)軸的振動(dòng)信號(hào)以及葉片的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)保存，并且每隔1個(gè)小時(shí)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析并進(jìn)行故障判斷。還可以人工設(shè)置分析時(shí)間，此時(shí)系統(tǒng)將在人工設(shè)置的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及故障診斷。手動(dòng)模式下需要人工操作才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。

2.2 振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢界面可以實(shí)現(xiàn)查詢?nèi)掌诹斜恚樵儠r(shí)間列表，查詢具體時(shí)間段數(shù)據(jù)，以及對(duì)查詢到的歷史數(shù)據(jù)選擇性顯示的功能。如圖5所示。

圖5 振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)查詢界面

（1）查詢時(shí)間列表

系統(tǒng)默認(rèn)將一天內(nèi)所有時(shí)間段采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為當(dāng)天的日期，點(diǎn)擊查詢?nèi)掌诹斜砜騼?nèi)的查詢按鈕，可以查詢到對(duì)葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的所有日期。

（2）查詢?nèi)掌诹斜?/p>

在要查詢的日期框中首先輸入想要查詢數(shù)據(jù)的日期，格式為查詢?nèi)掌诹斜碇兴榈降娜掌诟袷剑缓簏c(diǎn)擊查詢按鈕，可以查詢到當(dāng)天所有采集數(shù)據(jù)的時(shí)間段。

（3）查詢數(shù)據(jù)

在查詢數(shù)據(jù)框中，首先輸入想要查詢數(shù)據(jù)的時(shí)間段的起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，再勾選具體傳感器和方向，可以多選也可單選，然后點(diǎn)擊查詢按鈕后數(shù)據(jù)將在顯示界面內(nèi)顯示。

2.3 振動(dòng)信號(hào)的分析

進(jìn)入數(shù)據(jù)分析界面，在該界面進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)查詢界面中查到的具體時(shí)間段的數(shù)據(jù)，對(duì)查詢到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇后可以進(jìn)行時(shí)域分析，頻譜分析以及模態(tài)分析。如圖6所示。

圖6 振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)分析界面

（1）時(shí)域分析

將對(duì)所選的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，自動(dòng)模式下將分析的平均值、最值、峰峰值、均方根值以及方差進(jìn)行顯示，手動(dòng)模式下將分析的平均值、最值、峰峰值、均方根值以及方差進(jìn)行顯示并且保存。

（2）頻譜分析

將對(duì)所選的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，并將分析的頻譜圖顯示出來。

（3）模態(tài)分析

將對(duì)所選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，自動(dòng)模式下將系統(tǒng)計(jì)算的數(shù)據(jù)的頻率，阻尼系數(shù)以及振型系數(shù)進(jìn)行顯示，手動(dòng)模式下將系統(tǒng)計(jì)算的數(shù)據(jù)的頻率，阻尼系數(shù)以及振型系數(shù)進(jìn)行顯示并保存。

2.4 振動(dòng)信號(hào)的異常報(bào)警

本軟件主要采用對(duì)三個(gè)葉片加速度信號(hào)的均方根值，以及葉片z軸方向加速度信號(hào)的工作模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析和比較來進(jìn)行葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)將預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閾值作為比較基準(zhǔn)，每隔一小時(shí)將采集到的新數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將其與對(duì)應(yīng)的特征閾值進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)超限情況時(shí)，發(fā)出報(bào)警指令，通知對(duì)應(yīng)設(shè)備負(fù)責(zé)人員，檢查設(shè)備運(yùn)行狀況。圖7為葉片1出現(xiàn)振動(dòng)異常報(bào)警界面。

圖7 葉片1故障報(bào)警界面

3 結(jié)束語

本文基于LaBVIEW開發(fā)了一種利用葉片加速度振動(dòng)信號(hào)的風(fēng)機(jī)葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括無線傳感器系統(tǒng)、信息處理終端以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，搭建了微型實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)，用實(shí)際運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行傳感器測(cè)試并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。此系統(tǒng)為實(shí)際風(fēng)機(jī)葉片健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究提供了良好的方案。