CN102758727A - 集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***及方法，该***包括：振动传感器；转速传感器；数据采集卡；内置主控程序、数据提取程序、数据采集程序和嵌入式C程序的主控PLC;以及数据服务器。该方法包括：数据提取程序从主控程序中提取风力机运行状态参数；数据采集卡获取振动和转速信号，并发送至数据采集程序；嵌入式C程序对采集到的风力机运行状态参数和振动、转速信号进行计算和分析。本发明将监测***的采集及分析模块集成于风力机控制器中，直接在风力机控制器中实现了振动数据的采集、数据处理与发送等，监控***还可直接提取风力机运行状态数据，从而实现了基于多元信息的风力机综合故障诊断。

Description

集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***及方法
技术领域
本发明涉及一种风力机在线监测与故障诊断***及方法，特别是涉及一种集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***。
背景技术
随着风力发电机组容量的不断增长，***结构日益复杂，不同部件之间耦合更加紧密，一个微小的故障可能传播成灾难性的大故障，引起风力机停机，甚至直接导致风力机损坏，造成巨大的经济损失，利用在线状态监测和故障诊断***可以将损失减少到最小。
利用在线状态监测和故障诊断***，能对风力机各易损机械部件的振动情况进行连续监测，实时获取反映风力机运行状态的信息，在对各种信息进行分析处理后，给出设备运行的状况报告和诊断结果。传统的在线状态监测和故障诊断***没有和风力机控制***通信或集成，需要独立的处理器（如PLC），只能通过单纯的振动数据进行故障诊断，因而仍有不足与缺陷。
如何能创设一种本发明可直接获取风速、功率、桨角，油温，偏航角度等风力机运行数据，数据提取程序可以将振动报警值传递给主控***。
在节省成本的同时，实现基于多元信息的风力机故障诊断，且集成度高的新的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***及方法,成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***及方法，使其可直接从主控程序中获取风速、功率、桨角，油温，偏航角度等风力机运行数据，在节省成本的同时，实现基于多元信息的风力机故障诊断，且***集成度高，从而克服现有的在线状态监测与故障诊断***的不足。
为解决上述技术问题，本发明一种集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，包括：获取风机振动信号的振动传感器；检测风机转速的转速传感器；从振动传感器、转速传感器采集信号的数据采集卡；内置主控程序、数据提取程序、数据采集程序和嵌入式C程序，并与数据采集卡通信连接的主控PLC;以及与主控PLC连接的数据服务器。
作为本发明的一种改进，所述的数据服务器同时与多个主控PLC连接。
所述的数据服务器还连接有客户端。
所述的数据服务器与PLC采集器利用风场环网并采用TCP/IP有线通信协议通信，或者采用GPRS无线通信协议通信。
所述的转速传感器采用接近开关或发电机自带的编码器。
此外，本发明还提供了应用上述***的风力机状态监测与故障诊断方法，包括以下步骤：主控PLC的数据提取程序从主控程序中提取风力机运行状态参数；数据采集卡获取振动传感器和转速传感器的振动和转速信号，并发送至主控PLC的数据采集程序；主控PLC的嵌入式C程序对采集到的风力机运行状态参数和振动、转速信号进行计算和分析。
作为进一步改进，所述的风力机运行状态参数包括风速、功率、桨角，油温，偏航角度、发电机转速。
还包括通过所述的数据提取程序将振动报警值传递给主控程序的过程。
当主控PLC的CPU和内存使用率超过80%时，数据采集卡停止工作，直至CPU和内存使用率降低到60%以下重启。
采用这样的设计后，本发明将监测***的采集及分析模块集成于风力机控制器（如PLC）中，直接在风力机控制器中实现了振动数据的采集、数据处理与发送等，同时，监控***还可直接提取风力机运行状态数据，如风速、功率、桨角，油温，偏航角度等参数，且不拘泥于这些参数，从而实现了基于多元信息的风力机综合故障诊断。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***的组成示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，主要由振动传感器、转速传感器、数据采集卡、主控PLC和数据服务器组成。
振动传感器获取风机振动信号，转速传感器检测风机转速，数据采集卡从振动传感器、转速传感器采集信号。其中，转速传感器还可根据情况采用发电机自带的双输出编码器或接近开关，也可由主控PLC直接调用主控程序中的发电机转速信号。数据采集卡可采用和现有主控PLC同一品牌的数据采集卡进行集成，有利于接口统一和实现。
状态监测与故障诊断***在现有的风力机控制器上进行扩展，除原有内置的主控程序和嵌入式C程序外，还集成了数据提取程序和数据采集程序，并与数据采集卡、数据服务器通信连接。
数据提取程序从主控程序中提取风力机的风速、功率、变桨，油温，偏航角度等状态参数，且不拘泥于这些参数，来实现对风力机的综合诊断。
本发明利用主控PLC的CPU作为在线监测***下位机的处理器，由于振动分析程序和主控程序均由主控PLC的CPU完成，因而无需再为***配备CPU处理模块，并为通信提供了极大地方便，还可提高诊断的精确性。
本发明一台数据服务器可同时连接多台PLC采集器，视风场通信条件可采用风场环网或无线通信，传输方式和数据格式要保持一致，即不同类型的风力机控制器和数据服务器采用的通信传输方式和数据格式要保持一致，不同类型的控制器可以使用同一服务器。此外，数据服务器还可与客户端连接。
本发明应用上述***的风力机状态监测与故障诊断方法，包括以下步骤：主控PLC的数据提取程序从主控程序中提取风速、功率、桨角，油温，偏航角度、发电机转速等风力机状态参数，且不拘泥于这些参数，数据提取程序也可将振动报警值传递给主控程序；数据采集卡获取振动传感器和转速传感器的振动和转速信号，并发送至主控PLC的数据采集程序；主控PLC的嵌入式C程序对采集到的风力机运行状态参数和振动、转速信号进行计算和分析。
由于该采集分析程序和主控程序运行在同一CPU内，可能影响风力机的控制安全，因此，CPU和内存的使用率就显得尤为重要，应避免PLC的CPU和内存使用率接近100%的情况出现，从而保证风力机控制的实时性。采集分析程序可以调用CPU和内存的使用率函数对风力机控制器的CPU和内存的使用率进行实时监测,如：TC CPU usage：如果CPU和内存的使用率超过80%，则停止振动信号的采集，待使用率降低到60%以内后重新启动振动采集程序。
较佳的，不同的风力机主控PLC与数据服务器之间的通信传输方式和数据格式一致，即不同类型的风力机控制器可以使用同一数据服务器。
此外，为了不占用风力机控制器过多的资源，本发明为***设计最优数据采集算法，对采集数据进行过滤，保证传输给数据服务器的数据都是最有效的数据，有利于故障诊断。为了适用多种控制器***，控制器的核心代码采用嵌入式C程序去实现，采用了基于高级语言的TCP/IP的通信协议，代码通用性好、可移植性强。
以具体实施例来说，风力机的主流控制PLC为倍福和巴赫曼，倍福的振动模块采用EL3632，EL3632可以直接在主控***中进行扩展，每个EL3632包含两个振动通道，一般采用4块EL3632；巴赫曼的振动模块采用AIC212，一个AIC212包含9和IEPE通道、3个±10V电压通道、1个增量编码器通道、2个计数脉冲通道。
振动数据采集卡采集到振动原始数据后，将数据传递给CPU的采集分析程序，倍福PLC采用R3IO方式进行数据交换，巴赫曼采用SVI方式进数据交换，采集分析程序负责数据的统计和计算，对最有利于诊断的数据保存，将不是最有利于诊断的数据剔除，减少数据量，采集分析模块可以直接在主控程序中提取自己需要的数据，并且可以根据其中一些参数，例如风速、功率、变桨，油温，偏航角度等参数，实现基于综合信息的故障诊断。数据提取程序可以将振动报警值传递给主控***。
中控室的服务器可以对风场风力机的通信进行管理，以免造成通信阻塞。
采集分析程序将数据通过TCP/IP协议通过风场环网传送给数据服务器的数据库。数据库实现原始数据存储与调用，数据库有一定的计算功能，将原始数据和处理后的数据一并存储，同时存储各机型使用的各种部件常见特征频率信息，方便客户端软件快速查询。建立风力机故障库，记录不同型号、零部件、工作环境、运行时间、维护情况下，机组出现的各种故障信息。
***数据库中应包括相关管理信息数据、实时数据、历史数据。管理信息数据包括用户管理信息，机组配置管理信息（机组结构部件配套情况），报警管理信息（对应不同机组不同测点设置多种报警方式），日志报表信息；实时数据库由头数据集和时间波形数据集构成，头数据集记录实时数据采集时对应的状态参数及计算得到的统计指标（包括采样时间、通道号、采样频率、数据长度、机组转速、功率、风速、报警状态、峰峰值、有效值、峭度等），时间波形数据集记录采样时间及对应的时域数据；历史数据库从实时数据库中定时汇总数据，以天、周、月、年按时间粒度存储，并同步存储转速、风速、功率、风向等过程量数据，趋势分析中可根据过程量和时间粒度结合进行复合趋势分析。
本发明利用风力机自身的控制器作为机组在线监测***采集分析的处理器，并直接在风力机控制器上增加振动数据采集卡，***成本低，安装简便，并采用振动数据与风速、功率、变桨，油温，偏航角度等状态参数综合监测，从而提高了故障诊断的准确性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，其特征在于包括：
获取风机振动信号的振动传感器；
检测风机转速的转速传感器；
从振动传感器、转速传感器采集信号的数据采集卡；
内置主控程序、数据提取程序、数据采集程序和嵌入式C程序，并与数据采集卡通信连接的主控PLC;以及
与主控PLC连接的数据服务器。
2.根据权利要求1所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，其特征在于所述的数据服务器同时与多个主控PLC连接。
3.根据权利要求1所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，其特征在于所述的数据服务器还连接有客户端。
4.根据权利要求1所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，其特征在于所述的数据服务器与PLC采集器利用风场环网并采用TCP/IP有线通信协议通信，或者采用GPRS无线通信协议通信。
5.根据权利要求1所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，其特征在于所述的转速传感器采用接近开关或发电机自带的编码器。
6.应用权利要求1-5中任一项所述***的风力机状态监测与故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
主控PLC的数据提取程序从主控程序中提取风力机运行状态参数；
数据采集卡获取振动传感器和转速传感器的振动和转速信号，主控PLC的数据采集程序读取数据采集卡中的振动与转速数据；
主控PLC的嵌入式C程序对采集到的风力机运行状态参数和振动、转速数据进行计算和分析。
7.根据权利要求6所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断方法，其特征在于所述的风力机运行状态参数包括风速、功率、桨角，油温，偏航角度、发电机转速。
8.根据权利要求6所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断方法，其特征在于还包括通过所述的数据提取程序将振动报警值传递给主控程序的过程。
9.根据权利要求6所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断方法，其特征在于：当主控PLC的CPU和内存使用率超过80%时，数据采集卡停止工作，直至CPU和内存使用率降低到60%以下重启。
10.根据权利要求6所述的集成于控制***的风力机状态监测与故障诊断***，其特征在于所述主控PLC与数据服务器之间的通信传输方式和数据格式一致。
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