MW級風力發(fā)電機故障診斷系統(tǒng)

范國全，胡 剛，馬學亮，張 博

（1.華電小草湖風力發(fā)電公司，新疆 吐魯番838000；2.廣東明陽風電產(chǎn)業(yè)集團，廣東 中山528437）

隨著可再生能源行業(yè)的發(fā)展，風能的開發(fā)利用越來越受到重視。由于風力發(fā)電機長期在惡劣的工況下運行，其安全控制顯得尤為重要。獨立可靠地安全鏈系統(tǒng)是每個MW級風力發(fā)電機主控系統(tǒng)必備的。安全鏈系統(tǒng)的軟硬件都必須采取簡單可靠的模塊來保證風力發(fā)電機的整體安全［1］。

在當前風力發(fā)電機故障診斷中，維修人員、專家的經(jīng)驗和專業(yè)知識在故障診斷和維修過程中仍起著重要的作用。但是現(xiàn)場維修人員的專業(yè)知識及能力參差不齊，導致維護效率和質量不能夠得到保證。本文介紹的故障樹診斷系統(tǒng)可以有效地幫助維護人員準確定位故障，提高風力發(fā)電機的可靠性和可利用率。

風力發(fā)電機系統(tǒng)結構復雜，故障隱蔽性強、因果關系復雜、易受隨機性因素影響，故障診斷難度大。利用故障樹分析法對風力發(fā)電機的典型故障進行分析研究，建造故障樹，從而可以看出事件的前因與形成過程，方便地發(fā)現(xiàn)潛在問題，有利于風力發(fā)電機系統(tǒng)故障的預防、預測和控制。

1 風力發(fā)電機安全鏈系統(tǒng)

風力發(fā)電機的安全鏈系統(tǒng)是失效－安全控制模式。由于安全鏈的存在，保證了風機處于異常狀況下的安全。本文采用的是西門子分布式故障安全系統(tǒng)。為了保證安全鏈系統(tǒng)軟件和硬件上的安全，系統(tǒng)選用西門子專用的安全PLC和專門的安全鏈硬件模塊。

如圖1所示，故障系統(tǒng)采用安全PLC和P320雙CPU工作模式，二者共享總線，但是安全鏈所有的工作都交給安全PLC來處理，安全PLC和P320之間僅僅有數(shù)據(jù)傳輸，從而消除了P320中主控程序編寫錯誤導致的軟件不安全［2］。安全鏈系統(tǒng)的軟件編程采用的是西門子成熟的模塊化軟件。

圖1 風機故障系統(tǒng)總體架構

安全鏈中的輸入觸點為：

（1）塔基的緊急停機按鈕。（2）機艙緊急停機按鈕。（3）輪轂緊急停機按鈕。（4）機艙振動開關。（5）變頻柜熔絲開關。（6）并網(wǎng)斷路器脫扣信號。（7）PLC急停信號。（8）偏航扭纜觸發(fā)。（9）振動傳感器觸發(fā)。如果安全鏈斷開，則安全模塊中DO模塊對應的繼電器釋放。風機將停止偏航和緊急順槳，保證風機的安全。

安全鏈故障必須手動就地復位，不可以遠程復位，防止軟件誤操作。本文中安全鏈程序結構如圖2所示。

圖2 安全鏈程序結構

首先 OB1，OB35，OB82，OB83，OB86是一個等級，OB1主程序掃描和處理與P320的通訊。OB35，OB82，0B83，OB86作為中斷，發(fā)生時按照優(yōu)先級高低進行處理。

在OB35中調用FC1，F(xiàn)C1是用來從標準用戶程序調用F運行組的F塊。FC1展開后看見的所有塊都是屬于該運行組。其中FB1塊展開的是用戶自己寫或者調用的塊，其他的都是系統(tǒng)塊。因此安全鏈程序只有FB1塊是自己寫的，其他的都是調用的。

OB82，OB83，OB86都是診斷組織塊。OB82是診斷故障組織塊，OB83是診斷插拔組織塊，OB86是機架故障組織塊，這些程序都不需要自己編寫，只需要進行一些簡單的配置就可以自動生成。

在安全鏈系統(tǒng)的建立過程中，硬件采用的是專用的安全模塊以及安全CPU，軟件采用的西門子模塊化安全組件，減少了人為的軟件錯誤。從軟硬件上保證了安全鏈的真正安全。

2 故障樹分析法

故障樹分析方法是一種安全可靠的分析技術，也是目前故障診斷中應用較多的方法之一，它建立在對系統(tǒng)的故障經(jīng)驗庫基礎上，采用逆向推理，將系統(tǒng)級的故障現(xiàn)象（頂事件）與最基本的故障原因（底事件）之間的內在關系表示成樹形的網(wǎng)絡圖，各層事件之間通過“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯關系相關聯(lián)［3］。

風力發(fā)電機是一個集機、電、液于一體的復雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：發(fā)電機子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、機械子系統(tǒng)、附屬子系統(tǒng)。由于系統(tǒng)復雜，因此對其故障的定位準確度要求很高。一個系統(tǒng)部件的不正?？赡芤鸲鄠€檢測參數(shù)的異常響應，而一個系統(tǒng)參數(shù)的不正?；蛳到y(tǒng)的失效可能由多個系統(tǒng)部件的損壞造成。故障樹分析法是一種安全可靠的分析技術，本文通過故障樹診斷和專家系統(tǒng)相結合，通過故障樹定位故障源，通過專家系統(tǒng)給出診斷建議。

3 風機故障樹的結構與軟件實現(xiàn)

風機故障診斷系統(tǒng)是一個相當復雜的系統(tǒng)，所以將其分解為很多獨立的子系統(tǒng)。具體包括機艙系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)、輪轂系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主軸轉速系統(tǒng)、安全鏈系統(tǒng)、停機系統(tǒng)、機頂柜系統(tǒng)和空開電源系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 風力發(fā)電機故障樹系統(tǒng)

每一個子系統(tǒng)又可以分成若干小系統(tǒng)，每個小系統(tǒng)又有若干類似事件組成，最下層是每個故障的底事件。

本文將整個故障樹系統(tǒng)分為四層，如圖3所示。頂層為風機故障這個邏輯事件，第二層為各子系統(tǒng)故障，第三層為相似事件的小系統(tǒng)，第四層為造成故障的底事件。

通過對整個風機故障的分析，本文建立起完整的風機故障樹。從而可以快速找出故障發(fā)生的原因，有效預防事故的擴大化。

有了故障樹，維修人員可以在故障尚未發(fā)生的時候就處理預警［4］。例如對于風機主軸軸承過溫損壞，可以檢測主軸溫度，當溫度達到70℃時預警，監(jiān)控人員可以在風小的時候檢修，排除隱患，保證風機的可利用率。

按照故障樹的分析，根據(jù)專家經(jīng)驗，將故障分為三等。等級三為緊急故障，對風機可能造成毀滅性傷害；等級二為重要故障，對風機可能造成較大損失；等級一為普通故障，需要停機檢修。對于不同等級的故障，本文采取不同的故障處理方法。對于等級三的緊急故障，動用蓄能器進行緊急停機，同時偏航停止；等級二的故障采用快速停機；等級一的故障采用普通停機。這樣既保證風機的絕對安全，又能夠盡可能減少維護時間，提高風機可利用率。

為了提高故障處理的自動化程度，本文根據(jù)故障樹，對各個底事件進行監(jiān)測和分析。通過專家經(jīng)驗，在軟件邏輯上將故障樹系統(tǒng)表現(xiàn)為人機界面上的故障代碼。例如故障代碼“01 10 04”，“01”為主編號，通常代表一個部分；“10”是分組編號，代表一組近似故障；“04”是具體故障號。故障編號將原來四層的故障樹簡化為三層，通過對故障樹的分析，給每個底事件一個有固定含義的故障代碼。這樣，專家通過故障樹診斷故障的經(jīng)驗就轉化為故障代碼和對應的故障說明。

故障代碼的生成包括以下步驟：

（1）在程序初始化過程中，按照故障代碼的前兩位設置故障的故障等級，故障延遲時間和是否禁止自動重啟等。

（2）每個程序循環(huán)周期都掃描故障診斷相關I／O點，如果循環(huán)到有故障存在而且持續(xù)時間達到設定值，軟件系統(tǒng)就將該故障對應的故障代碼計算出來（每一個底事件故障代碼的后四位也是固定的）。這些故障代碼只有在故障源消失而且復位有效的時候才會消失（安全鏈故障還需要就地復位）。

（3）判斷故障等級，并將所有的故障代碼存儲到故障數(shù)組中。具體流程圖如圖4所示。

當發(fā)生故障時候，最終在人機界面上顯示的故障如圖5所示，點開每一個子系統(tǒng)的故障欄，就可以得到具體的故障底事件。在故障樹和專家知識基礎上的編程可以非常準確定位出故障位置。

圖4 風機故障鏈程序結構

圖5 風機故障界面

4 結 論

本文完整地介紹MW級風力發(fā)電機故障診斷系統(tǒng)，介紹了基于故障樹和專家經(jīng)驗的故障診斷軟件，針對風力發(fā)電機惡劣的工作環(huán)境，本文采用西門子分布式安全解決方案建立了安全鏈系統(tǒng)。這套系統(tǒng)目前已經(jīng)成功應用于生產(chǎn)實踐，取得了良好效果，既保證了風機的安全，又節(jié)省了診斷時間，減少了不必要的拆卸，提高了風機的可利用率，具有很好的經(jīng)濟效益和應用價值。

［1］ 徐興康，朱 蘊，季新育.MW級風機獨立安全鏈中基于FPGA的超速保護設計與實現(xiàn)［J］.電氣自動化，2011，29（3）：50－52.

［2］ 李 佳.工業(yè)中的故障安全應用及西門子故障安全解決方案［J］.自動化博覽，2009，7：44－46.

［3］ 吳欠欠，王 直，東 賀.故障樹分析法在船舶柴油機故障診斷中的應用研究［J］.機械設計與制造，2009，（1）：77－78.

［4］ 王世明.故障樹分析法在工程機械發(fā)動機故障診斷中的應用［J］.機床與液壓，2007，35（9）：251－253.