李洪鵬，蔣全勝，殷新培，張其凱，許杰

（蘇州科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

綠色裝備技術(shù)

基于LabVIEW的風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)示系統(tǒng)設(shè)計

李洪鵬，蔣全勝，殷新培，張其凱，許杰

（蘇州科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

為了提高風(fēng)電機組的可靠性、高效率及風(fēng)電機組的壽命，基于LabVIEW平臺設(shè)計了風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)示系統(tǒng)。系統(tǒng)對風(fēng)電機組運行實時采集的振動信號進行時域和頻域分析，獲取能描述風(fēng)電機組的運行狀態(tài)和故障嚴(yán)重程度的特征信息，給出將來可能發(fā)生的故障預(yù)示以及相應(yīng)的維護建議，從而改善風(fēng)電機組的運行效率和使用壽命。該系統(tǒng)對于降低風(fēng)電機組的故障率以及減少因故障帶來的經(jīng)濟損失具有重要的意義。

LabVIEW；風(fēng)電機組；狀態(tài)監(jiān)測；故障預(yù)示；監(jiān)測系統(tǒng)

近年來，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，沒有傳統(tǒng)的火力發(fā)電存在的資源枯竭和環(huán)境污染問題，因此得到了世界各國極大的關(guān)注和發(fā)展。由于大型風(fēng)力發(fā)電機組通常被安裝在戈壁灘、草原、海洋和沙漠等偏遠平曠地區(qū)，所處的運行環(huán)境較惡劣，很容易發(fā)生停機等故障。因此，為了提高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率，有必要對其進行運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)示的開發(fā)，提高風(fēng)電機組的可靠性和使用壽命[[1-2]。

本系統(tǒng)利用LabVIEW設(shè)計方法，對實時采集的信號進行時域、頻域分析，對信號進行定量分析，進而對風(fēng)電機組的運行狀態(tài)進行監(jiān)測以及預(yù)估出將來可能發(fā)生的故障，并及時的提供維護信息。該系統(tǒng)采用傳感器作為下位機，傳感器和計算機采用串口單向通信。該系統(tǒng)采用美國LabVIEW開發(fā)平臺，設(shè)計一種風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)示系統(tǒng)，實時分析處理采集的數(shù)據(jù)。LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形化編程語言，它在數(shù)據(jù)采集和工程控制方面具有明顯優(yōu)勢[3]。系統(tǒng)的核心工作原理是將采集的不同工況風(fēng)電機組的振動信號進行監(jiān)測和分析，對于異常狀態(tài)或可能出現(xiàn)的故障，給出故障預(yù)示分析，以及相應(yīng)的維護建議。

1 LabVIEW開發(fā)平臺

理想選擇[4]。LabVIEW平臺包含了快速搭建絕大多數(shù)應(yīng)用所需的所有工具，能夠幫助設(shè)計人員快速解決工程問題、提高工作效率。

LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，采用的圖形化程序語言，又稱為"G"語言。這種語言編程模式為快速構(gòu)建工程系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和儀器編程提供了方便。LabVIEW的優(yōu)勢在于易學(xué)易用、開發(fā)時間短、擴展性強，同時具有高性能的模塊化硬件和用于集成的軟硬件平臺，結(jié)合高效靈活的軟件可完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。

2 風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)示系統(tǒng)設(shè)計方案

風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分：一是由將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的風(fēng)力機；二是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機。風(fēng)力機主要由風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、控制器及輔助裝置組成，其作用是將轉(zhuǎn)化成機械能的風(fēng)能傳遞至齒輪箱，通過齒輪箱增速，帶動高速發(fā)電機工作。風(fēng)電機組的類型有雙饋型風(fēng)電機組和直驅(qū)型風(fēng)電機組等，其中雙饋型風(fēng)電機組在我國實際運行數(shù)量最多，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

LabVIEW是一種用于程序開發(fā)的語言環(huán)境，采用圖形化語言編寫程序，是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的

圖1 雙饋型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)示系統(tǒng)方案如圖2所示，具體設(shè)計過程如下：

首先，在機組各個關(guān)鍵部位安裝不同傳感器，采集振動、轉(zhuǎn)速、溫度等信號。如低速軸位置選擇低速加速度傳感器，在高速軸部分選擇壓電加速度傳感器。然后通過調(diào)整單元和信號采集卡，輸入到在LabVIEW上開發(fā)監(jiān)測平臺，該平臺運用小波消噪的方法進行消噪，然后通過快速傅里葉變換將輸入信號進行分解，通過曲線擬合、時域分析、頻域分析等步驟，將數(shù)據(jù)以圖形的形式呈現(xiàn)出來，并根據(jù)分析得到的結(jié)果對照正常運行時的信號，如果出現(xiàn)信號異常，進行故障原因分析，并在系統(tǒng)界面上給出故障預(yù)示以及故障維護建議。

圖2 風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)示系統(tǒng)方案

3 系統(tǒng)Labview平臺構(gòu)建

LabVIEW的平臺構(gòu)建主要分為前面板和后面板，即主界面和源程序。本系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計方法，主界面主要分為：登錄區(qū)、波形顯示區(qū)、文件記錄區(qū)、維護建議區(qū)。系統(tǒng)功能模塊主要分為信號采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號處理模塊、故障預(yù)示與診斷模塊。

3.1 用戶登錄模塊設(shè)計

用戶登錄模塊是進入系統(tǒng)的第一個步驟，采用密碼登錄主要是對用戶的使用權(quán)利進行限制，防止未授權(quán)用戶進入系統(tǒng)，只有登錄成功的用戶才能進入相應(yīng)的操作。對系統(tǒng)進行登錄設(shè)置，可以防止非管理人員使用這臺電腦時，由于一些錯誤的操作，導(dǎo)致刪除一些系統(tǒng)文件、記錄的數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)登錄界面如圖3.

圖3 系統(tǒng)登錄界面

利用波形圖表顯示控件時刻監(jiān)控風(fēng)電機組振動狀況，同時對數(shù)據(jù)記錄。在波形圖表上方有四個復(fù)選按鈕，當(dāng)擬顯示某一部位的波形圖時，只需將這個部位的復(fù)選框勾上，可以在波形圖表中任意顯示幾條波形。

系統(tǒng)自動將信號記錄自動的保存在電腦。點擊設(shè)置按鈕之后，可以修改信號記錄保存的位置，便于文件的管理和數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)程序前面板如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序前面板

3.2 信號采集模塊

信號采集是信號分析的第一步，采集到適當(dāng)?shù)男盘柺切盘柗治龅那疤?。這里主要通過壓電式加速度傳感器進行風(fēng)電機組的振動信號采集。系統(tǒng)信號采集程序圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)信號采集模塊程序

3.3 信號處理模塊

LabVIEW提供了各種數(shù)據(jù)處理函數(shù)，包括信號消噪、功率譜分析、包絡(luò)譜分析等。利用LabVIEW自帶的濾波器可以對信號進行低通、高通、帶通、帶阻濾波處理。

本系統(tǒng)信號處理模塊主要進行振動數(shù)據(jù)的時域和頻譜分析。對于時域圖，系統(tǒng)會計算出峰值、均值、峭度、脈沖因子等波形指標(biāo)，通過跟正?；蚬收锨闆r下的歷史波形指標(biāo)進行對比，確定出齒輪箱故障狀態(tài)。

3.4 故障預(yù)示與診斷模塊

故障預(yù)示與診斷模塊分為兩個部分，一個是故障預(yù)警，另一個是故障診斷。

（1）故障預(yù)警

故障預(yù)警模塊將采集來的信號與設(shè)定的閥值進行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)量時進行提示和報警。本系統(tǒng)選取峭度指標(biāo)作為監(jiān)測預(yù)警的特征參數(shù)，選取溫度參數(shù)作為對傳動系統(tǒng)的保護參數(shù)，將二者有效結(jié)合能夠起到保護和故障判斷的作用。

（2）故障診斷模塊

因為故障診斷模塊的計算量比較大，單純使用LabVIEW進行計算顯得有些困難。所以將LabVIEW和Matlab結(jié)合使用以實現(xiàn)LabVIEW軟件對Matlab的調(diào)用。其調(diào)用過程如圖6所示。

圖6 LabVIEW調(diào)用Matlab程序

當(dāng)故障預(yù)警模塊發(fā)出預(yù)警信息時，故障診斷模塊開始工作，自動提取振動信號的故障特征值，并將故障特征值輸入到推理機，推理模塊計算后將診斷結(jié)果顯示在人機交互界面。診斷結(jié)果顯示在前面板的輸出控件中，根據(jù)輸出來判斷是哪個位置故障和故障類型以及可能產(chǎn)生故障的原因。

3.5 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用是一個系統(tǒng)所必須具備的一項功能。監(jiān)測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的目的一是能夠分析數(shù)據(jù)得到被測對象的狀態(tài)變化趨勢來預(yù)測將來可能會出現(xiàn)的狀況，二是分析某些異常狀況的數(shù)據(jù)特征。因此對數(shù)據(jù)的儲存針對性的采取了兩種存儲方式：

（1）定時存儲

定時存儲是數(shù)據(jù)存儲的一種最常見的存儲方式。定時存儲就是當(dāng)系統(tǒng)長時間監(jiān)測一個連續(xù)工作的對象的時候，每隔一定的時間間隔對被測對象的運行參數(shù)進行記錄。

（2）異常狀況存儲

當(dāng)被測對象發(fā)生異常狀況時，例如設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動的記錄下設(shè)備異常這段時間的相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄程序如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄程序

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對風(fēng)電機組的故障多發(fā)部位設(shè)計開發(fā)了實時狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)示系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了振動信號采集，采用工程中較常用的時域、頻域的分析方法進行信號分析和特征提取，并根據(jù)所提取的信號特征對照識別人工設(shè)置的仿真故障來確定故障部位、故障預(yù)示以及維護建議。本文對其他的控制系統(tǒng)設(shè)計的研究具有參考指導(dǎo)意義。

[1]高羽．?dāng)?shù)字信號處理在風(fēng)力發(fā)電機故障診斷中的應(yīng)用[J]．上海電機學(xué)院學(xué)報，2010，13（5）：258-261．

[2]崔偉．風(fēng)力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2014．

[3]胡乾苗.LabVIEW虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2016．

[4]豈興明，田京京，朱洪崎．LabVIEW入門與實戰(zhàn)開發(fā)100例[M]．2版.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[5]高志偉．風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)與實現(xiàn)[D]．上海：上海電機學(xué)院，2015．

[6]李和平，陳育新．基于LabVIEW工業(yè)機器人自動分揀系統(tǒng)設(shè)計[J]．機床與液壓，2015，43（9）：90-93．

Design of Wind Turbine Condition Monitoring and Fault Prediction System Based on LabVIEW

LI Hong-peng，JIANG Quan-sheng，YIN Xin-pei，ZHANG Qi-kai，XU Jie
（School of Mechanical Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou Jiangsu 215009，China）

In order to improve the reliability and efficiency of the wind turbine，the condition monitoring and fault prediction system of the wind turbine based on the LabVIEW platform is designed.In the system，vibration signal analysis system of wind turbine operation in real-time acquisition is implemented，the time domain and frequency domain analysis are complied，and the feature information of running status or failure degree of the wind turbine is obtained.The system indicates the possible failure in the future，and provides s maintenance information in a timely manner，so as to optimize the operation and working life of the wind turbine.The system is of great significance for the safe operation and economic benefit of the wind turbine.

LabVIEW；wind turbine；condition monitoring；fault prediction；monitoring system

TP216

A

1672-545X（2017）06-0067-03

2017-03-06

蘇州科技大學(xué)科研基金項目（XKZ201408）；江蘇省本科生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（201510332054X）

李洪鵬（1996-），男，江蘇淮安人，在讀本科生，研究方向：機電設(shè)備檢測技術(shù)；蔣全勝（1978-），男，湖北洪湖人，副教授，博士，研究方向：機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。