風(fēng)力發(fā)電齒輪箱安全運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控

王 林，李會(huì)鵬，王 平，田貴云

（1.國(guó)華（東臺(tái)）風(fēng)電有限公司，東臺(tái) 224200；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

隨著全球能源緊缺，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源，在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展。我國(guó)風(fēng)力資源豐富，具有商業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展的潛力?，F(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間大大增加，風(fēng)電機(jī)組的故障率也隨之提高。如何從技術(shù)手段上對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行安全運(yùn)行監(jiān)控是一項(xiàng)亟需解決的問(wèn)題。目前常用的手段有力、位移、振動(dòng)、溫度、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控等方式［1］，但是由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，單一的檢測(cè)手段已經(jīng)不能滿足其安全運(yùn)行的需要。筆者從振動(dòng)分析、溫度采集、煙霧報(bào)警以及環(huán)境視頻監(jiān)控四個(gè)方面對(duì)其安全狀況進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估。

1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安全狀況分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中的故障和安全隱患主要分為以下幾種［2］：

1.1 機(jī)械故障

齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的傳動(dòng)設(shè)備，受力較大且受力情況復(fù)雜。在多次較大應(yīng)力循環(huán)作用下，其齒輪容易因?yàn)槠诙a(chǎn)生裂紋，甚至折斷；軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于潤(rùn)滑不足、長(zhǎng)期應(yīng)力集中等方面的原因，也容易產(chǎn)生疲勞、表面剝落、裂紋等缺陷，使軸承失效，對(duì)整機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行造成隱患。

1.2 溫度異常

齒輪箱油溫是齒輪箱非常重要的狀態(tài)參數(shù)，可以反映齒輪箱的工作狀態(tài)是否正常。由于風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，潤(rùn)滑油因齒輪箱發(fā)熱而溫度上升超過(guò)正常值，導(dǎo)致油溫異常時(shí)應(yīng)引起運(yùn)行人員的高度重視。在未找到溫度異常原因之前，應(yīng)該避免盲目開(kāi)機(jī)使故障范圍擴(kuò)大，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 火災(zāi)隱患

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部特殊的構(gòu)造會(huì)使得現(xiàn)有的高效防火解決方案面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。強(qiáng)氣流的狹小空間內(nèi)容納了各種機(jī)械和電氣設(shè)備，高壓系統(tǒng)加上工作區(qū)內(nèi)溫度的上升，使火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大大增加。所以利用煙霧報(bào)警傳感器對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行煙霧報(bào)警對(duì)于預(yù)防火災(zāi)，降低經(jīng)濟(jì)損失具有實(shí)用意義。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境異常

由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的復(fù)雜性，其故障也多種多樣。除了常見(jiàn)的機(jī)械故障、油溫異常以及火災(zāi)隱患，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員需要隨時(shí)在主控室觀看機(jī)艙內(nèi)的實(shí)時(shí)狀況。發(fā)生事故時(shí)，運(yùn)維人員能夠第一時(shí)間觀察到現(xiàn)場(chǎng)畫面，從而做出初步判斷?，F(xiàn)場(chǎng)視頻方案的應(yīng)用為運(yùn)維人員盡早解決問(wèn)題提供了有利信息，同時(shí)也為事后判斷故障原因帶來(lái)很大幫助。

2 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行狀況的分析，采用齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)、油溫監(jiān)測(cè)、煙霧報(bào)警以及環(huán)境視頻監(jiān)控四種方式對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行全面監(jiān)控。采用DSP＋ARM的方式，DSP模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)（包括振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、煙霧報(bào)警器）的采集和處理，然后通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并且通過(guò)串口將數(shù)據(jù)保存在本地ARM模塊中?；谇度胧絃inux系統(tǒng)的ARM模塊同時(shí)負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的采集，并且可以通過(guò)選配的3G模塊將視頻圖像傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

3 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法

3.1 齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)

任何機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，所以通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析可以進(jìn)行故障診斷。齒輪箱中各部件的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致了各部件產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)也有相應(yīng)的差異，對(duì)應(yīng)的頻域分析也會(huì)得到不同的結(jié)果。當(dāng)某一組件出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)信號(hào)，分析這些振動(dòng)信號(hào)就可以較早地判斷出風(fēng)電機(jī)組齒輪箱發(fā)生故障的部分和損壞程度［3］，及時(shí)進(jìn)行維修，很大程度上可以避免這些故障隱患帶來(lái)的損失。

筆者采用加速度度傳感器（ADXL337）采集齒輪箱振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)安裝在風(fēng)機(jī)上的DSP微處理器（DsPIC30f6014A）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器［4］進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)齒輪箱振動(dòng)狀況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。其中的數(shù)據(jù)處理部分流程為：測(cè)點(diǎn)選擇→數(shù)據(jù)處理→時(shí)域處理→頻域處理→頻譜分析→故障診斷。

因?yàn)辇X輪箱有多級(jí)傳動(dòng)，所以選擇多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)選擇如圖2所示。

圖2 齒輪箱振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇

首先根據(jù)各級(jí)轉(zhuǎn)軸和齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率，選擇不同的采樣頻率。然后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行IIR濾波和FFT變換從而得到相應(yīng)的頻譜圖，由此判斷在哪些頻率點(diǎn)出現(xiàn)異常。最后與各個(gè)部件的正常振動(dòng)時(shí)的頻率特性進(jìn)行比較，就可以定位故障部位［5－6］。

3.1.1 時(shí)域振動(dòng)信號(hào)分析

圖3為正常和故障情況下相同測(cè)點(diǎn)的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)。對(duì)比可見(jiàn)，故障情況下時(shí)域信號(hào)波動(dòng)較大，并且被調(diào)制上一個(gè)明顯的周期信號(hào)，其頻率大概為20Hz。

3.1.2 頻域分析

圖3 齒輪箱不同測(cè)點(diǎn)不同情況時(shí)的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)

圖4 不同情況下測(cè)點(diǎn)5的振動(dòng)加速度頻譜圖

圖4分別是正常和故障情況下測(cè)點(diǎn)5的頻譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，除了測(cè)點(diǎn)5的固有旋轉(zhuǎn)頻率外，故障情況下在20Hz左右還有一個(gè)較大的頻率成分，該頻率成分和時(shí)域圖中的周期基本吻合，從而可以定位5號(hào)測(cè)點(diǎn)存在故障。

3.2 齒輪箱油溫監(jiān)測(cè)

在上述安裝加速度傳感器的部位同時(shí)安裝溫度傳感器，采集齒輪箱各個(gè)點(diǎn)的溫度值。當(dāng)溫度超過(guò)85℃時(shí)表明出現(xiàn)溫度異常，向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送溫度報(bào)警。

選用的溫度傳感器為DS18B20。這是一種單總線式溫度傳感器，只需要一根總線就可以實(shí)現(xiàn)通信，并且可以在一根總線上掛接多個(gè)設(shè)備，其溫度測(cè)量范圍為－55～125℃ ，輸出為可編程的9～12位數(shù)字信號(hào)，每次溫度探測(cè)需要時(shí)間750ms。

圖5是某一通道的溫度曲線。從中可以看出，當(dāng)齒輪箱溫度出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)有一個(gè)溫度緩慢升高的過(guò)程，當(dāng)其超過(guò)85℃時(shí)就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

圖5 齒輪箱油溫曲線

3.3 煙霧報(bào)警

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙內(nèi)的火災(zāi)隱患，采用煙霧傳感器對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。選用的傳感器為 MQ－2，它是一種電阻控制型氣敏器件，其阻值隨被測(cè)氣體的濃度而變化，將被測(cè)氣體的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。MQ－2適用于對(duì)液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)，其探測(cè)靈敏度特性曲線如圖6所示，其中Rs和Ro是傳感器外圍電阻值。

在實(shí)際使用中，MQ－2在放置一段時(shí)間后再通電使用時(shí)，有一個(gè)大約10min的初期穩(wěn)定時(shí)間。所以，為了避免通電開(kāi)始時(shí)的誤報(bào)動(dòng)作，在程序中設(shè)計(jì)了15min的延時(shí)，只有在上電15min后探測(cè)到氣體濃度超過(guò)某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)向服務(wù)器發(fā)出煙霧報(bào)警。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控

圖6 MQ－2靈敏度特性曲線

隨著USB攝像頭的普及和基于ARM的嵌入式Linux的發(fā)展，兩者的結(jié)合使便攜式視頻圖像采集成為可能。該視頻監(jiān)控模塊基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，ARM硬件選用三星公司的S3C6410處理器，基于ARM1176JZF－S內(nèi)核架構(gòu)，主頻為533MHz，最高可達(dá)667MHz，外接256MB DDR RAM，2GB MLC2Nand Flash，并且可以外接SD存儲(chǔ)卡，USB接口和LCD液晶觸摸屏接口。攝像頭采用中芯微的301P方案USB攝像頭，硬件30萬(wàn)像素，插值500萬(wàn)像素，速率30fps／s，最高分辨力可達(dá)1280×960像素。

Video4Linux2（簡(jiǎn)稱v4l2）是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。它針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場(chǎng)上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等［8］。

在Linux下，應(yīng)用程序可以按操作普通文件一樣來(lái)操作外部設(shè)備，可以使用和操作文件中相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫以及控制操作。選用系統(tǒng)中所用USB攝像頭的設(shè)備名為“／dev／video0”，視頻捕捉的具體程序流程如圖7所示。

4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)，包括齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、煙霧報(bào)警信息以及視頻圖像都需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端，進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，以方便風(fēng)機(jī)運(yùn)維人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了解風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況。

4.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備一般處于比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，所以系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS的方式，選用的模塊為SIMCOM公司的SIM900A。它屬于雙頻GSM／GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定、外觀精巧、性價(jià)比高、最大上行速率可達(dá)16kbps，下行速率可達(dá)86kbps。并且其封裝了ht－tp協(xié)議棧，通過(guò)串口發(fā)送AT命令就可以實(shí)現(xiàn)http的get或者post操作，將加速度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、煙霧報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給web服務(wù)器。

圖7 視頻捕捉程序流程圖

4.2 3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

USB攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)需要同步上傳到后臺(tái)服務(wù)器。由于圖像數(shù)據(jù)信息量較大，所以采用GPRS方式已經(jīng)不能滿足圖像上傳的需要，需要采用3G數(shù)據(jù)傳輸。項(xiàng)目可以選配一個(gè)3G模塊，采用的是聯(lián)通WCDMA制式，其下行速率14.4Mbps，上行5.76Mbps，而USB攝像頭設(shè)置的采集圖像為320×240像素，一幀圖像大小大約10K，為了節(jié)省流量，項(xiàng)目實(shí)際每10s上傳一幀圖像數(shù)據(jù)。

4.3 后臺(tái)web服務(wù)器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)瀏覽以及歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)基于web的服務(wù)器的GPRS模塊或者是3G模塊，可以通過(guò)http操作的方式將數(shù)據(jù)上傳到web服務(wù)器，風(fēng)力發(fā)電運(yùn)維人員就可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式查看風(fēng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀況，并且可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)［4］。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障，提出并設(shè)計(jì)了一套風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。利用多種方式采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠在不影響風(fēng)機(jī)正常工作的情況下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，對(duì)保障風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，提早發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)故障，降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

［1］ 蘇鳳岐.基于MMA7260QT的風(fēng)力發(fā)電振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.信息科技，2011（11上）：231－232.

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