機(jī)電裝備健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

吳國新，徐小力，谷玉海，左云波

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

0 引言

對大型機(jī)電裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警診斷技術(shù)研究是保障其可靠健康運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是典型的大型機(jī)電裝備，而其運(yùn)行環(huán)境往往處于邊遠(yuǎn)山區(qū)、沼澤、海島、風(fēng)口等人跡較少地區(qū)，因本身裝備的機(jī)械運(yùn)行故障發(fā)生事故導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重的安全事故甚至造成風(fēng)場大面積風(fēng)機(jī)停機(jī)整頓檢查，給國家的財(cái)產(chǎn)、人民的生命安全造成極大影響。目前，雙饋式水平軸類的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在整個(gè)風(fēng)電場中占據(jù)主流地位。該類型機(jī)電裝備安全事故絕大部分由葉片、增速齒輪箱等核心傳動(dòng)機(jī)械部件產(chǎn)生故障造成。尤其是增速齒輪箱故障，在該部分故障中又占到主要原因。

針對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及健康預(yù)警的研究逐年增多，絕大部分研究往往采用新技術(shù)新方法，從科學(xué)理論層面入手。但在獲取現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)方面，還需要相關(guān)專業(yè)人員及風(fēng)電運(yùn)行企業(yè)配合，才能得到具體信息數(shù)據(jù)開展理論分析驗(yàn)證工作。

提供一種技術(shù)可行的機(jī)電裝備健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)特性，構(gòu)建動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為理論研究提供必要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、動(dòng)特性信號獲取傳感及數(shù)據(jù)采集裝置以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)健康監(jiān)測預(yù)警診斷系統(tǒng)，利用傳感單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等信號獲取是建立運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)測與預(yù)警診斷的首要任務(wù)。接著利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡獲取傳感器信號，對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及預(yù)處理。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)用到的狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)測與預(yù)警診斷軟件是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件V2.0。

1 功能模塊構(gòu)建

機(jī)電裝備健康監(jiān)測預(yù)警診斷的風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)能夠真實(shí)的模擬實(shí)際情況下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行速度和各種故障，包括軸承、轉(zhuǎn)子與齒輪箱故障燈。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、增速齒輪箱、控制柜和整套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)是模擬風(fēng)場風(fēng)力對低速軸的帶動(dòng)作用，可以模擬風(fēng)機(jī)每分鐘十幾轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速要求；發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；齒輪箱是按照實(shí)際齒輪箱進(jìn)行一定比例設(shè)計(jì)，可以完成風(fēng)電機(jī)組中增速的要求；控制柜可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、緊急剎車等控制要求。

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于模擬真實(shí)情況中風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和電氣控制等，可以滿足狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷實(shí)驗(yàn)的要求。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的需求分析，風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動(dòng)健康監(jiān)測預(yù)警診斷主要包括信號采集、狀態(tài)監(jiān)測及顯示、故障診斷、數(shù)據(jù)管理等。

1.1 信號采集功能

在風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動(dòng)健康監(jiān)測預(yù)警診斷的實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)故障特征的診斷模型難以準(zhǔn)確獲得，每次都有不同的變化。因?yàn)閷π盘柼幚肀裙收显\斷模型的建立采用信號分析處理的方法得到廣泛應(yīng)用?；陲L(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)信號進(jìn)行研究分析，在構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)也以振動(dòng)信號為基礎(chǔ)，首要研究振動(dòng)信號的獲取，只有具備各種故障的大量數(shù)據(jù)，才可繼續(xù)進(jìn)行理論分析與研究。信號采集部分主要包括傳感器和數(shù)據(jù)采集器：傳感器主要涉及到型號選擇和測點(diǎn)位置布置及安裝等；數(shù)據(jù)采集器主要作用是完成信號之間的轉(zhuǎn)換，并傳遞給上位機(jī)軟件。

1.2 傳感器選擇

傳感器要根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行選擇。在風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動(dòng)健康監(jiān)測預(yù)警診斷的研究中，將用到許多傳感器用于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場振動(dòng)信號數(shù)據(jù)的采集。傳感器種類很多，應(yīng)選擇既能滿足量程和精度的要求、又能與其他多種設(shè)備容易進(jìn)行連接的傳感器[5-6]?；讵?dú)立分量分析的風(fēng)電機(jī)組故障研究，主要用到風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)零部件間采集的振動(dòng)信號，然后進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測等，因此以振動(dòng)類型的傳感器選擇為主。

綜合考慮風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行情況，主要選擇美國壓電公司（PCB）的加速度傳感器。因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速一般為15 r/min左右，選用一個(gè)低頻加速度傳感器PCB601M51，其他的5個(gè)加速度傳感器選擇PCB608A116（表1）。還有1個(gè)傳感器測量轉(zhuǎn)速，選用雷奧公司的LE2121，其感應(yīng)距離為5 mm，最大開關(guān)頻率為1000 Hz，電源類型3線（10～40）V，工作溫度（-40～80）℃。

1.3 傳感器位置布置及安裝分析

合理安排傳感器的測點(diǎn)對振動(dòng)信號的精度和采集效果影響很大。一情況下，傳感器的測點(diǎn)一般布置在轉(zhuǎn)軸的水平方向，垂直方向和軸向方向，并且根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件選擇固定方式。實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的傳感器安裝有7個(gè)主要位置：電機(jī)輸出軸前端，齒輪箱輸入軸水平，齒輪箱輸入軸垂直，行星輪輸出軸水平，行星輪輸出軸垂直，發(fā)電機(jī)輸入軸前段和低速電機(jī)輸出軸前段（圖2）。具體的傳感器監(jiān)測測點(diǎn)配置如表2所示。其中，Hv、Ha是一路傳感器，Hv為傳感器原始加速度信號，Ha為原始加速度信號的速度信號。

表1 加速度傳感器技術(shù)參數(shù)

圖2 傳感器分布

表2 各測點(diǎn)具體布置位置

利用螺紋連接方式固定于上述風(fēng)電機(jī)組指定的位置，各個(gè)指定位置需要預(yù)留螺紋孔，螺紋孔的尺寸與其傳感器底座安裝要求配合，自帶M6螺紋連接螺栓，將傳感器底座與機(jī)組預(yù)留螺紋孔進(jìn)行裝配。連接時(shí)，在傳感器底座與機(jī)組殼體結(jié)合面涂抹3MDP460金屬粘結(jié)劑，加強(qiáng)傳感器底座安裝強(qiáng)度，增加底座與客體接觸能力，增強(qiáng)信號采集效果。傳感器與傳感器底座采用螺紋連接，連接螺柱為雙頭螺柱，傳感器安裝完畢后，安裝傳感器保護(hù)罩（圖3）。

速度傳感器的安裝：速度傳感器的安裝采取支架固定的方式，支架的具體形式可根據(jù)現(xiàn)場具體情況制定，沒有固定的結(jié)構(gòu)形式（圖 4）。

1.4 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心器件，是健康監(jiān)測預(yù)警診斷系統(tǒng)中連接硬件與軟件的的中間器件，沒有數(shù)據(jù)采集器這些系統(tǒng)和硬件只能成為擺設(shè)。選擇數(shù)據(jù)采集器時(shí)，要綜合考慮多種因素，最主要的是通道數(shù)、模擬電壓、分辨范圍以及性價(jià)比等。

根據(jù)需要選用商業(yè)公司提供的數(shù)據(jù)采集器BH5000W-DAQ型號，其基本功能是信號的調(diào)理、數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)可以通過組態(tài)軟件設(shè)置，具體參數(shù)如表3所示。

該數(shù)據(jù)采集器設(shè)備支持16通道連續(xù)同步數(shù)據(jù)采集，每個(gè)通道的采樣率可以達(dá)到每秒100 k，支持2種信號之間的轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部采用16位分辨率轉(zhuǎn)換器，可以采集電壓、電流等信號，所以可以與不同廠商的傳感器連接使用，包括加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)工作。同時(shí)，該數(shù)據(jù)采集器提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)RJ45和RS485通信模式，可以與第三方系統(tǒng)進(jìn)行連接，簡單方便的與監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信等。

圖3 振動(dòng)傳感器安裝

圖4 速度傳感器安裝

表3 數(shù)據(jù)采集器參數(shù)

2 健康監(jiān)測預(yù)警診斷功能

風(fēng)電機(jī)組行星齒輪傳動(dòng)健康監(jiān)測預(yù)警診斷具有多通道同步整周期實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)采集功能，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和分析風(fēng)電機(jī)組可能發(fā)生的故障特征。

2.1 狀態(tài)監(jiān)測

通過機(jī)組系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面，能夠?qū)崿F(xiàn)不同界面相互之間重組，研究人員能夠查看機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，查看風(fēng)電機(jī)組每個(gè)振動(dòng)通道特征值實(shí)時(shí)變化的情況，包括風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的振動(dòng)、沖擊、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，讓研究人員及時(shí)了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和做出相應(yīng)處理。通過軟件的操作可以隨時(shí)切換到風(fēng)電機(jī)組中每個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)的信號頻譜顯示界面。如果有通道測點(diǎn)數(shù)值超標(biāo)，則該通道測點(diǎn)顯示顏色立刻區(qū)別于其他正常通道。

2.2 故障診斷

通過組態(tài)軟件的熟練操作，可以分析其中一個(gè)或多個(gè)通道參數(shù)相對于其他某個(gè)通道參數(shù)變化的趨勢，顯示的圖譜橫軸與縱軸可以任意選擇單位，時(shí)間段也可以任意設(shè)定；可以查看風(fēng)電機(jī)組的測量點(diǎn)（如加速度、速度）在每一個(gè)時(shí)間段的實(shí)時(shí)和歷史趨勢。

系統(tǒng)軟件中故障診斷功能可以在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)齒輪、軸承故障的早期征兆，對故障部位、故障類型、嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢做出初步判斷。風(fēng)電機(jī)組故障診斷功能在預(yù)測故障傾向超出限定值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信息?？梢酝ㄟ^軟件設(shè)置并準(zhǔn)確規(guī)定報(bào)警點(diǎn)，顯示其報(bào)警時(shí)間前后的趨勢圖?？梢圆榭磮?bào)警時(shí)測量點(diǎn)的時(shí)域圖、頻域圖等，進(jìn)行同一測點(diǎn)的各個(gè)頻值比較或不同測點(diǎn)同一頻值的比較等。

3 數(shù)據(jù)管理功能

不管機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)情況如何，系統(tǒng)都具有日常振動(dòng)信號的采集、分析、存儲(chǔ)功能，這樣建立風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行歷史資料，為以后研究做準(zhǔn)備。一般正常情況下，機(jī)組健康穩(wěn)定運(yùn)行，可設(shè)置采集頻率系統(tǒng)減少信號存儲(chǔ)量。對于緊急情況，需要設(shè)定較短間隔進(jìn)行采集，及時(shí)方便進(jìn)行故障診斷。

數(shù)據(jù)管理支持事故追蹤功能，能夠記錄事故發(fā)生前后長時(shí)間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并能夠形成時(shí)域圖和頻域圖。是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組啟停機(jī)或發(fā)生報(bào)警信息時(shí)，前后多組被振動(dòng)觸發(fā)的數(shù)據(jù)可以完整的保存。以上事故數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，不會(huì)立刻被刪除或被覆蓋，同時(shí)也可以生成趨勢圖等其他圖譜。

4 總結(jié)

機(jī)電裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警診斷技術(shù)是保障機(jī)電設(shè)備健康可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)典型機(jī)電裝備—風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性，同時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要性、分散性和測點(diǎn)數(shù)量規(guī)模性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)面向機(jī)電裝備的健康監(jiān)測預(yù)警診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的配合，完成了系統(tǒng)采樣設(shè)置、數(shù)據(jù)采集分析和特征提取等實(shí)驗(yàn)功能。研究影響振動(dòng)信號的多種因素，分析發(fā)生不同故障時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)信號的頻率特征，以及不同轉(zhuǎn)速情況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)的健康監(jiān)測與故障預(yù)警診斷分析研究提供必要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。