物聯(lián)網(wǎng)在風電系統(tǒng)螺栓力矩平臺中的應用

史 偉，竇玉祥，田 仁，何 明，陳 波

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

在人們不斷探索人與人的現(xiàn)代通信技術(shù)的同時，視覺也在物與物的通信角度悄然翻開。為了更好地服務電子信息傳遞，人們最初在部分物體打上條形碼，這大大提高了物品識別的效率，隨著RFID、藍牙、ZigBee等近場通信技術(shù)的發(fā)展，RFID、二維碼等各種現(xiàn)代識別技術(shù)逐步得到推廣應用。在摩爾定律的推動下，芯片體積不斷縮小，功能更加強大，傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸趨向集成化、微型化和網(wǎng)絡化。隨著云計算技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，對海量數(shù)據(jù)的處理問題也將得到解決，物品自身的網(wǎng)絡與人的網(wǎng)絡相連通已經(jīng)成為大勢所趨。

在風電系統(tǒng)中，螺栓作為風機部件的連接件，其鎖緊的質(zhì)量至關(guān)重要，螺栓的力矩值作為鎖緊質(zhì)量中一個重要的參數(shù)，是否滿足風電系統(tǒng)的工藝安裝要求，決定了風機是否能夠長期安全穩(wěn)定的運行。所以本文根據(jù)傳統(tǒng)套筒在螺栓擰緊過程中存在的缺陷，指出現(xiàn)在工藝的不足，從物聯(lián)網(wǎng)、設備安全、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢C合考慮，提出開發(fā)一套風機螺栓力矩智能化管理監(jiān)測平臺。通過實踐證明，該平臺大幅度提高了風機螺栓力矩擰緊的生產(chǎn)效率，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，保障了螺栓的裝配質(zhì)量和風機安全性能，對于風電系統(tǒng)整機企業(yè)的智能制造具有一定的參考意義［1］。

1 傳統(tǒng)套筒螺栓擰緊工藝現(xiàn)狀

傳統(tǒng)小螺栓通常用活扳手和套筒（呆）扳手緊固，大螺栓用加長臂套筒扳手緊固，有些人只是用錘子敲擊套筒扳手來緊固螺栓。后來，螺栓的緊固方式由氣動、電動、液壓扳手和液壓擔架緊固。對于一些高強度的螺栓，只能通過螺栓中心孔加熱，使螺栓伸長，然后擰緊螺母，如螺栓冷卻收縮，達到擰緊的目的。手動擰緊時，只能用扳手轉(zhuǎn)動螺母，直到固定為止。螺栓擰緊后的預緊力無法控制，只取決于施工人員的強度和習慣。

傳統(tǒng)的液壓扳手擰緊時，雖然可以通過液壓泵站設定輸出的壓力來對應旋轉(zhuǎn)螺栓的力矩，但為了防止螺栓轉(zhuǎn)動，必須使驅(qū)動力與反作用臂平衡。根據(jù)力矩平移規(guī)律，產(chǎn)生一定的偏載。由于螺栓與螺母的接觸螺紋之間存在間隙，擰緊時螺紋間的表面接觸會變成線接觸，大大增加了螺紋間的摩擦。反作用臂支點的變化也會引起螺栓摩擦力和正壓力的變化。因此，盡管傳統(tǒng)的液壓扳手為每個螺栓提供了相似的擰緊力矩，但每個螺栓的實際預緊力并不相同。

由此可見，傳統(tǒng)的緊固方法無法保證螺栓的預緊力，并且在工作過程中無法有效記錄螺栓擰緊的力矩值。因此，要保證螺栓的工藝并提升工作效率，實時記錄力矩值，需要從以下幾個方面著手解決。第一，在法蘭和墊片質(zhì)量通過的前提下，螺栓的預緊力和偏差是決定法蘭是否泄漏的重要因素。第二，控制螺栓的預緊力，選擇正確的螺栓擰緊工藝是非常重要的。第三，螺栓擰緊過程中需要添加智能化傳輸設備，能夠?qū)崟r有效地記錄螺栓的力矩值，這樣才能保證螺栓鎖緊的質(zhì)量［2］。

2 智能套筒在力矩平臺中的工藝研究

智能套筒集成了無線動態(tài)力矩傳感器，取代傳統(tǒng)的套筒，它可以通過藍牙或者WiFi的形式，將數(shù)據(jù)傳輸至配套的液壓泵站的PLC，PLC通過內(nèi)部邏輯設定與采集的力矩值及其他各項數(shù)據(jù)指標的范圍作出判斷分析，從而發(fā)出相關(guān)指令，消除因設備的過載運行等導致的鎖緊質(zhì)量缺陷及安全隱患。同時PLC通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至工控機，工控機通過無線傳輸方式通過無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至力矩平臺，這樣所有的設備數(shù)據(jù)都能保存在平臺服務器，實現(xiàn)工廠設備操作的合理化記錄，大大減少了人為的誤操作概率，提高了生產(chǎn)效率。

智能力矩套筒上緊時，不僅應過度拉伸螺栓，而且智能力矩套筒上緊螺栓的預緊力精度較低。液壓扳手和智能力矩套筒緊固螺栓的試驗結(jié)果表明，預緊精度分別為（+15%）和（+51%）。

3 基于智能套筒的力矩監(jiān)測平臺設計

風機螺栓力矩智能化監(jiān)測平臺設計分為軟件平臺設計、硬件設計、網(wǎng)絡架構(gòu)3部分，為了滿足平臺運行條件，采用軟硬結(jié)合方式，系統(tǒng)功能如圖1所示，該平臺可采集風電工廠的螺栓套筒實時力矩值、泵站壓力、PLC設備在線率等實時數(shù)據(jù)，生成文本和圖表形式的各項報告，實現(xiàn)對螺栓、泵站、PLC的控制和監(jiān)測［3］。

圖1 系統(tǒng)功能

平臺硬件部分主要有智能套筒、中繼網(wǎng)關(guān)接收器、壓力變送器等現(xiàn)場采集設備和PLC控制器［4］、服務器及終端顯示設備構(gòu)成，其中PLC是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的電子裝置，通過數(shù)字量和模擬量輸入/輸出來控制各種類型機械的生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。為方便客戶隨時掌控套筒力矩和泵站壓力等信息，該平臺采用C/S體系結(jié)構(gòu)，利用壓力傳感器、RFID射頻［5］等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集實時數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將信息傳送到中控室的服務器，使服務器與硬件設備通信并進行數(shù)據(jù)處理和運算，并制定友好的大數(shù)據(jù)人機交互界面，支持計算機的瀏覽和操作。硬件組成如圖2所示。

圖2 平臺硬件構(gòu)成

網(wǎng)絡硬件架構(gòu)設計根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境確定采用樹形以太網(wǎng)架構(gòu)，樹形網(wǎng)絡也叫多星級型網(wǎng)絡。樹形網(wǎng)絡是由多個層次的星型結(jié)構(gòu)縱向連接而成，樹的每個節(jié)點都是計算機或轉(zhuǎn)接設備。一般來說，越靠近樹的根部，節(jié)點設備的性能就越好。樹形拓撲從總線拓撲演變而來，形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支［6-7］。

本網(wǎng)絡架構(gòu)設計易于擴展，故障隔離較容易，但是各個節(jié)點對根的依賴性太大，一旦根節(jié)點出現(xiàn)問題，將導致網(wǎng)絡的全部癱瘓。網(wǎng)絡架構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)絡軟件架構(gòu)設計對網(wǎng)絡感知層、傳輸層和應用層進行安全設計［8］，提高信息采集、傳輸和控制的可靠性。在感知層，采用多位置、多方向和穩(wěn)定的無線路由節(jié)點［9］進行分布，形成全面的網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)；在傳輸層，采用工業(yè)以太網(wǎng)和I/O總線來提高信息傳輸?shù)募皶r性、完整性和抗干擾性；在應用層，采用J2EE中間件、WebService、數(shù)據(jù)分析及挖掘等網(wǎng)絡安全技術(shù)來實現(xiàn)信息控制和管理［10-11］。

該平臺軟件采用JAVA語言開發(fā)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲各類數(shù)據(jù)，集成了大屏幕遠程控制、綜合數(shù)據(jù)分析、設備報警分析、設備在線率統(tǒng)計等功能，支持電力系統(tǒng)多種類型的通信規(guī)約。平臺采用模塊化設計方法，利用表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層3層架構(gòu)進行設計，實現(xiàn)了平臺軟件的“高內(nèi)聚，低耦合”，使平臺具有良好的可擴展性。系統(tǒng)軟件功能如圖4所示。

圖3 樹形網(wǎng)絡

圖4 系統(tǒng)軟件功能

在系統(tǒng)軟件功能中，傳感器等設備采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡傳輸至服務器，服務器后臺處理程序通過WebSocket等接口將各項數(shù)據(jù)進行運算和整合，生成曲線圖，通過客戶端實現(xiàn)報警事件的顯示，實現(xiàn)歷史存儲、控制運算、事件記錄、報警檢查、數(shù)據(jù)處理等功能?？蛻敉ㄟ^瀏覽客戶端進行套筒力矩值和壓力變送器的壓力值進行監(jiān)測，當監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時，可以讀取實時庫數(shù)據(jù)，向PLC控制器發(fā)送控制指令來響應，實現(xiàn)平臺的報警聯(lián)動監(jiān)控功能。

風機螺栓力矩智能化監(jiān)測平臺優(yōu)勢有以下方面：

（1）在線監(jiān)測，可實時監(jiān)測力矩套筒擰緊螺栓的力矩值、壓力值等相關(guān)參數(shù)。

（2）定位追溯，基于物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，精確定位螺栓擰緊工位位置。

（3）報警聯(lián)動，主要提供事件報警和提示，基于工作流和規(guī)則引擎進行硬件聯(lián)動。

（4）趨勢預警，基于預先設定的規(guī)則進行事件處置和預警分析。

（5）安全隱私，采用自組局域網(wǎng)通信傳輸，保障了企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為風電行業(yè)的發(fā)展帶來了前所未有的機遇，促進了風電行業(yè)的信息化、自動化和互動化建設，使風電系統(tǒng)具有智能計算、網(wǎng)絡通信、精確控制、遠程協(xié)作等功能，加強了設備間的聯(lián)系，讓多個設備能與計算機相連，使監(jiān)測、管理更加集中化和智能化，為維護人員及時反饋設備信息，讓風電的生產(chǎn)得到低成本和高效率的發(fā)展。

風機螺栓力矩智能化管理監(jiān)測平臺雖然利用了現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)螺栓力矩的智能管理，但也存在一些問題。在套筒精確定位螺栓方面，由于當前國內(nèi)GPS技術(shù)限值導致無法精確定位套筒所打螺栓的位置。在網(wǎng)絡安全方面，由于數(shù)據(jù)采集和傳輸一般都是在無人值守環(huán)境下，所以在原有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡上加強網(wǎng)絡安全將會成為一個挑戰(zhàn)，這需要從網(wǎng)絡感知層、傳輸層和應用層進行安全設計來提高信息的有效采集、可靠傳輸和及時控制。在控制方面，方泵站對套筒供給壓力過大或出現(xiàn)故障問題時，雖然系統(tǒng)能進行自行分析和及時報警，但大部分問題還是需要工作人員趕赴現(xiàn)場才能解決，離真正的無人值守和完全自動控制還有一定的差距。這些問題將會在一定時間內(nèi)合理地存在，要解決這些問題，就要建立一個統(tǒng)一的框架，把技術(shù)、網(wǎng)絡信息資源及終端進行有機融合，提高自主研發(fā)能力，逐步推進物聯(lián)網(wǎng)在風電行業(yè)的應用［12］。