風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 欽

（福建省三川海上風(fēng)電有限公司，福建 莆田 351100）

0 前言

近年來，風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模越來越大，風(fēng)機(jī)也朝著大型化和高性能化的方向發(fā)展，因此作為風(fēng)機(jī)重要的受力部件，葉片就需要承受更大的風(fēng)力荷載。風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)在保證風(fēng)機(jī)葉片具有良好性能的過程中發(fā)揮了重要的作用，它實(shí)現(xiàn)了全面、準(zhǔn)確地對風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)力進(jìn)行分析、判斷和監(jiān)管的功能，而風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用是該文的主要研究內(nèi)容。

1 系統(tǒng)概述

在風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中，吊裝位置不同的風(fēng)機(jī)葉片所承受的風(fēng)荷載也不同，而葉片直接影響風(fēng)機(jī)的效率，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的效率。準(zhǔn)確地確認(rèn)風(fēng)機(jī)載荷可以促進(jìn)其機(jī)組的優(yōu)化操作且便于維護(hù)；同時(shí)，結(jié)合載荷監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，還能夠掌握機(jī)組的運(yùn)行情況和壽命，判斷其繼續(xù)運(yùn)行以及運(yùn)行壽命的狀態(tài)。根據(jù)上述需求，該文設(shè)計(jì)了一種葉片應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，在葉片根部位置設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測傳感器，獲取葉片在扭轉(zhuǎn)以及拉伸時(shí)所受荷載的實(shí)時(shí)變化情況，從而獲取轉(zhuǎn)子的葉根載荷。

借助該系統(tǒng)可以對葉片、葉輪所受風(fēng)力的荷載進(jìn)行記錄和保存并結(jié)合實(shí)際情況和管控要求借助變槳的控制設(shè)施來實(shí)時(shí)調(diào)整漿葉的角度，實(shí)現(xiàn)葉片和軸承所受荷載的最小化控制，促進(jìn)其運(yùn)行效率的優(yōu)化與提升[1]。同時(shí)，該系統(tǒng)以PLCnext 架構(gòu)平臺為基礎(chǔ)，研發(fā)了風(fēng)機(jī)葉片的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控柜模塊，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與管控，并且能夠通過通信接口把數(shù)據(jù)傳輸、共享給上級單元。該系統(tǒng)是以模塊化理念為基礎(chǔ)而研發(fā)的，便于以后對其進(jìn)行擴(kuò)展、升級和優(yōu)化改造。

2 系統(tǒng)應(yīng)力測量的原理

風(fēng)機(jī)葉片在受力過程中所受的應(yīng)力主要有2 種，分別是翼面應(yīng)力和邊緣應(yīng)力。其中，翼面應(yīng)力指風(fēng)機(jī)葉片在迎風(fēng)受力狀態(tài)下呈現(xiàn)的應(yīng)力；邊緣應(yīng)力指因葉輪的旋轉(zhuǎn)遭受空氣作用影響而使葉片遭受的應(yīng)力。系統(tǒng)在采集應(yīng)力情況時(shí)，將應(yīng)變傳感器設(shè)置在風(fēng)機(jī)葉片的根部位置并在每個(gè)葉片的翼面、邊緣方向各安裝2 個(gè)傳感器，以構(gòu)建正交回路體系，通過模擬量的信號對電路進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到采集、分析和計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)的目的。同時(shí)，使用PLC 完成裸值處理以及剔除壞值等任務(wù)，最終獲取準(zhǔn)確的應(yīng)力值。在測量應(yīng)力情況時(shí)，針對應(yīng)變片首先須進(jìn)行電橋連接；其次，對電橋進(jìn)行加電處理；最后，通過加電處理后，將應(yīng)變片所產(chǎn)生的電阻變化信號進(jìn)行電信號轉(zhuǎn)化并輸出[2]。在實(shí)際運(yùn)用中，要根據(jù)圖1 中的回路方式給具有同一方向狀態(tài)的傳感器接入模塊，從而實(shí)現(xiàn)搭建電橋回路的目標(biāo)[3]。電橋搭建的回路如圖1 所示。

圖1 電橋搭建的回路

3 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)主要構(gòu)成

該系統(tǒng)的主要功能是對風(fēng)機(jī)葉片的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并借助相應(yīng)通信協(xié)議根據(jù)要求將數(shù)據(jù)對外傳輸?shù)街付ㄎ恢没蛘咻d體。在該系統(tǒng)內(nèi)，所包括的系統(tǒng)部件主要有1 個(gè)葉片監(jiān)控控制柜、12 根10 m的傳感器電纜以及12 個(gè)應(yīng)力傳感器。該系統(tǒng)具備的主要功能包括通過PLCnext 平臺對葉片應(yīng)力監(jiān)測的傳感器所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；系統(tǒng)在使用的過程中具備無線通信的功能，能夠接入WLAN；系統(tǒng)內(nèi)的電源進(jìn)線、內(nèi)部的電源回路、信號處理和控制柜的內(nèi)部空間等都設(shè)置有浪涌保護(hù)措施。系統(tǒng)內(nèi)的控制柜參數(shù)如下：控制柜的輸入電源為220 V AC；控制柜的規(guī)格為480 mm×480 mm×250 mm；控制柜的材料為不銹鋼304；控制柜的防護(hù)等級為IP54；工作溫度為-25 ℃～60 ℃；存儲溫度為-40 ℃～70 ℃。

3.2 葉片應(yīng)力監(jiān)測傳感器布置

該系統(tǒng)所用的葉片傳感器為德國菲尼克斯研發(fā)的RM-S 傳感器，在每個(gè)葉片根部安裝4 個(gè)傳感器，且安裝的位置一般位于距離葉根部約0.4 m 的地方。該傳感器便于安裝，當(dāng)應(yīng)變處于±1 000 μm/m 時(shí)，其疲勞壽命能夠達(dá)到108次。該傳感器的主要參數(shù)包括連接為A 編碼的M12 連接器；最大工作延伸率為1 500 μm/m；斷裂延伸率為2 500 μm/m；電阻值為（350±0.3%）Ω；防護(hù)等級為IP68[4]。在連接器的引腳分配中，傳感器主要與具有控制柜指定孔式的連接器相連。

3.3 PLCnext 控制器及I/O 實(shí)現(xiàn)

該控制器為開放式的平臺，主要包括模塊化的工程軟件、開放式的控制平臺以及系統(tǒng)云等部分，滿足功能變化和擴(kuò)展的需求，因此在現(xiàn)有以及后續(xù)軟件的服務(wù)中都具有很好的應(yīng)用效果。該控制器具有許多功能，主要包括使PLC 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與性能保持一致，在高級語言以及基于模型代碼中也具有良好的適用性；能夠有效集成開放源的代碼軟件以及應(yīng)用程序，在調(diào)整方面具有無限的可能性；能夠融合目前以及將來的通信標(biāo)準(zhǔn)，借助云連接達(dá)到智能聯(lián)網(wǎng)的效果；不同開發(fā)人員能夠通過不同編程語言進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，達(dá)到快速開發(fā)相關(guān)應(yīng)用的目的。

該控制器的硬件參數(shù)包括Cyclone 5與ARM Cortex-A9 CPU 2×800 MHz；512 MB RAM，OEM 可選擇升級到1 GB；SD 閃存卡插槽；1 個(gè)ETH-MAC 接口（2×10/100 MB） 和2 個(gè)IP 交換；C 型Micro-USB；實(shí)時(shí)時(shí)鐘；Axio 現(xiàn)場總線，最多支持63 個(gè)模塊；左側(cè)擴(kuò)展能力；安全可信平臺模塊 （TPM）；溫度范圍為-25 ℃～60 ℃。

該控制器的SGI 模塊的主要參數(shù)包括菲尼克斯Axioline F I/O 系統(tǒng)，它是應(yīng)變計(jì)的測量與采集模塊；本地總線的傳輸速率為100 Mbit/s；保護(hù)等級為IP20，涉及總線的基礎(chǔ)模塊以及Axioline F 的連接器。該模塊具有許多的功能，主要包括2 個(gè)用在應(yīng)力測量中高精度的輸入；在交付期間測量的范圍能夠按照名義的特征值進(jìn)行調(diào)整；以人工方式輸入特征值；在更新過程數(shù)據(jù)時(shí)，可以對200 μs與100 ms 間的增量數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置；可以對環(huán)境過程的路徑進(jìn)行調(diào)整處理；具備2 點(diǎn)調(diào)節(jié)能力；通過4 線與6 線連接技術(shù)連接應(yīng)變儀；先期開路檢測；傳感器的電源能夠達(dá)到115 mA，稱重的傳感器共有8 個(gè)，且每通道具有350 Ω；每個(gè)通道都是低電阻，使用浮地式N/O 觸點(diǎn)方式；借助總線系統(tǒng)能夠分別對各個(gè)通道的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)用WLAN2100 路由器接入無線，該設(shè)備客戶端存在2 個(gè)MIMO（內(nèi)部天線），它們都是單孔安裝，參數(shù)分別是IP66/IP68 和WLAN 802.11 a、b、g、n，天線頻率分別為2.4 GHz 和5 GHz；RJ45 是傳感器的連接器，主要用在局域網(wǎng)中。

4 系統(tǒng)的安裝

在安裝系統(tǒng)的過程中，主要涉及的安裝部件有安裝控制柜、安裝及連接應(yīng)力監(jiān)測的傳感器和傳感器的線纜布線等。

在安裝控制柜時(shí)，將其打孔安裝在輪轂內(nèi)，控制柜要結(jié)合機(jī)型的需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

安裝及連接應(yīng)力監(jiān)測的傳感器包括基板準(zhǔn)備、傳感器對齊、傳感器粘貼、電纜安裝以及連接器的引腳分配等環(huán)節(jié)。在安裝前，要做好基板的準(zhǔn)備工作，清理基板，通過清潔劑有效清除基板表面的油污、油脂與灰塵等物質(zhì)；有時(shí)還需要借助工具對基板進(jìn)行打磨處理，使其具有良好的平整性和光滑度。在安裝時(shí)，要對傳感器進(jìn)行對齊處理，與RM-S 型號評估單元進(jìn)行搭配時(shí)，要求每個(gè)葉片的根部要設(shè)置4 個(gè)傳感器（分別在葉片0°、90°、180°以及270°的位置安裝），并且傳感器表面的箭頭朝發(fā)電機(jī)的輪轂方向，安裝時(shí)還要讓其盡量與葉片軸保持平行。

完成傳感器的對齊和定位工作后，要粘貼傳感器，粘貼前要先了解黏合劑的生產(chǎn)信息并閱讀黏合劑的使用注意事項(xiàng)，通過黏合劑在葉片相應(yīng)位置粘貼傳感器，保證傳感器具有牢固的安裝效果。在安裝電纜時(shí)需要按照要求路徑對電纜進(jìn)行無張力鋪設(shè)，同時(shí)借助電纜將傳感器與評估單元的底部位置指定孔式的連接器進(jìn)行內(nèi)連接，達(dá)到連接器和評估單元有效連接的目的。在傳感器的線纜布線中，要結(jié)合機(jī)型選擇布線方式，通常選擇蛇形方式進(jìn)行布線，該布線方式主要是在輪轂和葉片之間設(shè)置彈簧。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)踐

5.1 系統(tǒng)點(diǎn)表

該系統(tǒng)軟件部分的系統(tǒng)點(diǎn)表情況見表1。

表1 系統(tǒng)點(diǎn)表

5.2 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)采用基于BS 架構(gòu)的框架設(shè)計(jì)，因此可以方便地使用瀏覽器進(jìn)行訪問，控制器IP 地址后加上“/ wbm”即可訪問，例如https：//192.168.0.11/wbm/Login.html。建議使用火狐瀏覽器打開HMI 頁面。頁面登錄的用戶名為admin，密碼為控制器的密碼，可以在控制器的本體正面找到該密碼。

用戶在HMI 頁面中可單擊“Configuration Mode” （配置模式）按鈕對參數(shù)文件配置進(jìn)行修改。在頁面中的Search框內(nèi)輸入需要查詢的變量名稱即可查詢變量。每個(gè)參數(shù)的左側(cè)都有相關(guān)描述，用戶可以輸入所需要的參數(shù)值，下面灰色的數(shù)值是系統(tǒng)當(dāng)前在線值。

更改參數(shù)文件中的變量設(shè)置后，單擊“Apply Parameters”（應(yīng)用參數(shù)）按鈕，系統(tǒng)將驗(yàn)證所有參數(shù)文件，并確保系統(tǒng)重啟后應(yīng)用新的參數(shù)文件。通過Progress of initialization 狀態(tài)條可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前配置狀態(tài)。

需要特別注意的是，在新系統(tǒng)的調(diào)試過程中，需要對風(fēng)機(jī)3 支葉片的參數(shù)進(jìn)行配置，需要確認(rèn)3 支葉片的以下配置信息：1） 葉片根部的厚度。2） 葉片根部的楊氏模量。3） 葉片根部的橫向收縮系數(shù)。4） 葉片根部的等效空氣動力點(diǎn)距離。5） 葉片長度。6） 葉根半徑。7） 輪轂半徑。8） 葉片錐角。

確認(rèn)以上參數(shù)信息后，打開相應(yīng)的參數(shù)文件頁面，填入相關(guān)參數(shù)。

用戶可以單擊“Calibration”（校準(zhǔn)）組中的“Calibrate zero point”（零點(diǎn)校準(zhǔn)）按鈕來校準(zhǔn)當(dāng)前葉片。在按鈕前一列，用戶可以觀察葉片的校準(zhǔn)狀態(tài)。 如果顯示“Zero point calibrated”（零點(diǎn)已校準(zhǔn)），則校準(zhǔn)成功。如果葉片已經(jīng)校準(zhǔn)，則用戶必須單擊“Reset zero point”（重置零點(diǎn)）才能觸發(fā)新的校準(zhǔn)程序。

將3 支葉片分別旋轉(zhuǎn)到葉尖垂直于地面的角度并采用相同的步驟對這些葉片進(jìn)行校準(zhǔn)。重復(fù)該操作，直到所有葉片都經(jīng)過校準(zhǔn)。

在頁面中可以對不同葉片的揮舞方向和擺陣方向的形變尺度因子進(jìn)行校準(zhǔn)。由風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)廠家給出風(fēng)機(jī)已知的參考應(yīng)變點(diǎn)，通過設(shè)定每只葉片相應(yīng)的尺度因子，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使其接近參考應(yīng)變值。當(dāng)3 支葉片的揮舞方向和擺陣方向的形變數(shù)值經(jīng)過零點(diǎn)校準(zhǔn)后依然相差較大時(shí)，可以確認(rèn)葉片處于完全健康的狀態(tài)，也可以設(shè)定相應(yīng)的尺度因子對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使其大致在同一區(qū)間范圍。

參數(shù)存儲在SD 卡中的文件系統(tǒng)中。在將參數(shù)加載到程序之前，將由CRC 校驗(yàn)對每個(gè)文件進(jìn)行驗(yàn)證。如果用戶在HMI 上登錄，則用戶修改部分或全部參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會自動進(jìn)行CRC 校驗(yàn)。

5.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

在HMI 中可以在線查看系統(tǒng)的實(shí)時(shí)值。用戶可以在窗口左側(cè)的樹形視圖中選擇或取消選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，還可以分別通過單擊“啟動”“暫?！被颉巴Ｖ埂卑粹o來啟動或停止數(shù)據(jù)可視化。在HMI 頁面中可以實(shí)時(shí)查看3 支葉片的應(yīng)變、應(yīng)力和載荷等數(shù)據(jù)曲線。在頁面中可以勾選系統(tǒng)的主要變量，以便用戶有選擇性地查看相關(guān)信息。通過實(shí)時(shí)比對查看曲線還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)據(jù)的異常。

通過單擊“Datalogger”（數(shù)據(jù)記錄器）按鈕可以對RM-S 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲文件及數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)有3種數(shù)據(jù)存儲方式，分別是快速（High Frequency Logger）、中速（Mid Frequency Logger）以及慢速（Low Frequency Logger）存儲。通過修改數(shù)據(jù)記錄器參數(shù)文件可以對需要記錄的文件名稱、數(shù)據(jù)的時(shí)長、數(shù)據(jù)的采樣頻率以及是否激活存儲等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)定完成后，在控制器相應(yīng)的文件夾下就會定期生成數(shù)據(jù)記錄文件，方便查看系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)支持有線通信接口（LAN），還支持常用的通信協(xié)議，例如Modbus TCP、PROFINET 以及OPC UA，可與主控/其他上級系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可通過SFTP 登入訪問PLC 數(shù)據(jù)，具備較高的兼容性。

系統(tǒng)以開放的PLCnext 平臺為基礎(chǔ)，可靈活擴(kuò)展I/O或通信組件，編程符合IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，且可以進(jìn)行高級語言或Matlab Simulink 模型聯(lián)合開發(fā)運(yùn)行，系統(tǒng)具備較高的可擴(kuò)展性，可方便、高效地進(jìn)行二次開發(fā)。

系統(tǒng)軟件模型采用新一代的PLCnext 平臺，系統(tǒng)可自由、開放地開發(fā)基于該平臺的葉片監(jiān)測單機(jī)軟件，該軟件采用多編程語言合作開發(fā)，根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇不同的開發(fā)語言，使其不僅可作為葉片監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集平臺，也可作為風(fēng)機(jī)大部件和運(yùn)行參數(shù)的驗(yàn)證平臺，從而實(shí)現(xiàn)葉片監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)更加契合的目標(biāo)，發(fā)揮各自的最大價(jià)值，實(shí)現(xiàn)葉片狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)分析以及狀態(tài)預(yù)警等多維度功能。

6 結(jié)語

綜上所述，該文闡述了風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)及系統(tǒng)應(yīng)力測量的原理，從系統(tǒng)的主要構(gòu)成、葉片應(yīng)力監(jiān)測傳感器布置、PLCnext 控制器及I/O 實(shí)現(xiàn)等方面對監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)分析并對系統(tǒng)的安裝過程進(jìn)行說明，希望為相關(guān)項(xiàng)目的建設(shè)和技術(shù)的研發(fā)提供參考。