基于无线数据传输及远程功能的风电机组监测诊断系统

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摘 要：由于风电机组分布广泛而发散的特点,以及未来开发海上风电场的趋势,致使在线监测系统的通讯距离远,通讯结点众多,通讯网络难以实现等问题的出现。为此,提出以无线数据传输为基础的在线监测诊断系统。介绍了整个系统的整体结构,支持监测和诊断的数据采集功能,二级网络组态的无线传输方案,并且介绍了该系统以数据库和虚拟仪器库为基础的远程诊断功能的工作模式与实现方案。

关键词：风电机组；在线监测；无线传输；远程诊断；虚拟仪器

Wireless-based Remote Monitoring and Diagnosis System for Wind Turbines

CHEN Mingze1,2,YU Gang1

(1.Shenzhen Graduate School,Harbin Institute of Technology,Shenzhen,518055,China,2.Alstom Strongwish Ltd.,Shenzhen,518057,China)

Abstract：Because wind turbines are scattered in a widely distributed area,and will be established in the sea in the future,this situation will cause on-line monitoring system for wind turbines to have to deal with the issues of long communication distance,many communication nodes and difficulties to establish a communication network.This paper proposes a wireless-based remote monitoring and diagnosis system,and introduces the whole system architecture,data acquisition functions for both monitoring and diagnosis,wireless transmission scheme for second level network configuration,working mode and realization scheme for remote diagnosis based on database and virtual instruments.

Keywords：wind turbines;on-line monitoring;wireless transmission;remote diagnosis;virtual instrument

オ

1 引 言

故障诊断技术作为一门综合性很强的技术,已经在很多工厂中得到了应用。最初手段是,基于现场仪表进行故障定位。这种方法至今在绝大多数工厂中尤其非关键设备中仍然在广泛应用。它不仅需要大量人力来进行定期巡检,而且在进行故障定位时还需要诊断专家必须携大量笨重的专业仪器到现场,十分不方便,缺乏实时性。

随着计算机技术的突飞猛进,虚拟仪器技术迅速崛起,它在故障诊断技术中也带来了翻天覆地的变化。诊断专家不再需要笨重而昂贵的仪器,仅仅有一台计算机和相应的软件就可以进行诊断,诊断技术的成本大幅下降。并且通信手段的发展又给诊断技术带来了新动力,开始由在线监测替代人工巡检,节省了大量的人力物力,工作人员只需要在办公室中就可以实现对设备实时的性能评估或诊断。目前,国内很多企业的关键设备都已经实现了在线监测。

而近年来的网络技术进步,又使得诊断技术走向远程诊断。通过Internet,甚至通过手机,工作人员或是管理者可以随时随地了解设备的运行状况,诊断专家也可以实现远程诊断,不需要回到工厂,实时性进一步提高。这些故障诊断技术的应用发展,已经在很多文章中都有所论述［1,2］。

故障诊断技术的应用已经为企业带来了巨大的经济效益,其应用面也越来越广泛,遇到的问题也将会越来越多。风电行业是近年来国家能源结构调整的重要方向,风电产业也正在经历着跳跃式的发展。但是,风电行业中,机组的安装维护将是十分困难的,不仅要增加人力,还增加了人员伤亡的风险,尤其,在不久的将来,风力发电将进军海上之后,困难程度将是可想而知的。故障诊断技术的应用将使这些问题迎刃而解,并且,在国外已经有所研究［3,4］,然而对于风电场中上百个高空作业的风电机组来讲,监测系统的安装本身又将是一个浩大而昂贵的工程。如果是海上风电场,那么现有的有线通讯方式在线监测诊断系统,更要面临如何实现众多机组的信息到监控室的传输问题。海上铺设有线网络基本上是不可能的。为此,一个基于无线数据采集与传输方式的监测诊断系统将是一个很好的选择,虽然某些领域已经有少量的应用［5,6］,但是在对于风电产业中,这仍然是个空白。所以,本文提出一个以无线数据传输为基础的,分布式集群化故障诊断与性能监测模式,用以解决风电机组的监测与诊断问题。

2 系统功能要求与整体结构

虽然故障诊断技术发展到今天已经能够通过多种信号途径提取设备的性能特征,定位故障部位,但是由于设备出现异常后,首先反映在设备的振动异常,并且由于振动传感器造价低廉,安装方便,振动信号仍然是目前最容易获取的信号。为此,它也仍然是现代诊断技术中的主流手段,应用最为广泛。本文以振动信号为基础,并在阿尔斯通创为实技术发展有限公司开发的S8100泵群在线监测系统的基础上,提出针对风电机组监测的模型。而由于风电机组齿轮箱工作环境十分恶劣,并且安装在狭小空间,安装困难,要求可靠性要比普通机械高很多,很可能成为风电机组的薄弱环节之一［7］,为此,我们以对机组齿轮箱的监测诊断为目的构造整个系统。

整个系统以中心服务器为中心进行运作。它能够采集特征值与波形数据两种数据类型,以分别实现在线性能监测与故障诊断两大基本功能。并且,将特征值和波形数据通过无线传输网络发送到中心服务器的数据库中供人使用查询。中心服务器负责数据的存储与管理,接收并响应客户端的各种请求,为客户端提供数据服务和诊断工具服务。在线监测模块与中心服务器通过无线网络进行通信,接收中心服务器的指令,完成数据采集任务。客户端通过Internet网络对中心服务器进行远程访问,查询机组状态数据,调用所需虚拟诊断工具,判断机组性能,定位故障。总体结构如图1所示。

整体结构可分为在线监测模块、中心服务器、客户端三个部分。其中在线监测模块是机组与系统的接口,考虑到风电机组分布分散,每个在线监测模块负责一台机组的信号采集。众多的在线监测模块,与中心服务器组态成无线网络进行通信。中心服务器又包含数据库服务器、虚拟仪器服务器和数据服务器三大功能模块。客户端不能直接在线监测模块中获得所需数据,而是通过Internet网络可以路由到中心服务器,间接的获得所关注机组的信息和服务。客户端采用B/S构架,允许用户通过浏览器便可进行一系列的分析操作。

3 在线监测功能

在线监测功能由安装在现场的在线监测模块实现。它以单片机为中心与机组形成一对一的对应关系,对机组进行不间断地实时监测。机组的振动信号通过安装在关注部位的振动传感器采集获得,先后通过放大电路和滤波电路的调理过程,使得信号适合A/D芯片对其进行后续的模数转换。在线监测功能如图2所示。

对于特征值的采集,完全由单片机控制,单片机按上位机(中心服务器)所要求的时间间隔去控制A/D芯片的工作,读取一段连续的A/D芯片数据,使用该段数据根据上位机要求计算出相应的特征值数据,并将数据转存到数据缓存区(外部寄存器)中。上位机会按照一定的时间间隔向单片机发送数据请求,当单片机接收到请求后,会将存储数据缓存区中的数据读取出来,发送给上位机。为了保障特征值数据的实时性,缓存区中的数据将会被下一个新读取的特征值数据覆盖。

而对于波形数据的采集,由于单片机能力有限,所以不能实时地进行波形采集,要由上位机来触发。当需要采集波形数据时,上位机会像单片机发送请求。单片机接收到请求后,会对A/D芯片发出指令,并连续读取A/D芯片的数据,并将数据存储到波形数据的缓存区中。上位机会定期对单片机发送波形数据的请求,单片机收到请求后对该缓存区访

问,并读取数据,发送回上位机。

4 无线数据传输

如今现场中的在线监测及诊断系统,应用最为广泛的通讯模式是RS 485串口通讯。RS 485接口总线速度快,传送距离远,以差分平衡方式传输信号,具有很强的抗共模干扰能力。该标准虽然规定了最大负载数为32个,并可以通过增大结点输入电阻的办法增多收发器数量［8,9］,如果结点数仍然不能满足需求,还可以通过串口扩展的方法来扩展监测分站数量。并且因为RS 485接口组成的半双工网络,一般只需二根连线。现场的在线监测模块通过RS 485总线连接,再经过串口转换模块,将RS 485标准转换为RS 232标准连接到中心服务器的串口上,实现通讯,这是现场最常用的结构,如图3所示。

但是由于风电场中单个机组容量比较小,数量众多,分布广泛,导致现场工作站数量众多,通讯距离远,分布分散,并且一般都在10 m左右的高空作业,监测诊断系统本身的安装与维护都将是很困难的。为此,我们通过无线通讯网络满足以上诸多要求。同时,考虑到频段的申请问题等,我们选用UM192无线通讯模块,工作原理如图4所示。

该模块采用单片射频集成电路及单片MCU,电路少,体积精简,仅为47 mm×26 mm×10 mm,便于安装；使用ISM频段,无须申请频率点,载频位433 MHz,工作频率为429.00~434.90 MHz,最多可提供32个信道,不同的信道仅需在硬件上跳线开关便可实现；通讯距离远,视距情况下,天线放置位置>2 m,可靠传输距离可达1 000 m,并且通过适当的天线配置方案进一步扩大通讯距离；具备较大数据缓存区；提供多种数据接口,包括现在现场应用最为广泛的RS 485和RS 232串口通讯接口；对底层协议透明,用户只需要在接口进行收发数据即可,无需考虑该通讯模块的编程问题；并且该模块已经对抗干扰、误码率等问题进行了足够的考虑。数据通过MUC的处理,转发到射频芯片上,发向接收端［10］。

我们在图3的基础上,添加一级无线网络层,达到无线传输的目的。中心服务器仍然通过485总线与各个无线网络通讯,而我们之前提到过,UM192最多能够32个信道,那么,我们就最多能够组态32个无线网络,以解决大量机组的在线监测问题。各个无线网络采用点对多点的通讯模式,设定挂接在485总线上近服务器端的无线模块为主站,其余挂接在近机组端的在线监测模块均为从站,各个无线网络中的从站都有惟一的地址编码,互不重复。而各个无线网络的主站在485总线上又是以中心服务器为主站的从站。这样就形成了二层网络结构,如图5所示。

中心服务器通过转换后的串口通讯方式挂接到总线上。整个网络通过广播方式进行通讯,中心服务器通过485总线发送广播数据,各个无线网络的接收端收到广播信息后,再向各自的从站发送广播信息。中心服务器采用带地址码的数据帧发送数据或命令,所有无线网络中的从站全部都接收,并将接收到的地址码与本地地址码比较,不同则将数据全部丢掉,不做任何响应；地址码相同,则证明数据是给本地的,从站根据传过来的数据或命令进行不同的响应,将响应的数据发送回去。这些工作都由上层协议来完成,并可保证在任何一个瞬间,通信网中只有一个电台处于发送状态,以免相互干扰。

5 远程功能

中心服务器包括虚拟仪器(VI)服务器、数据库服务器、数据服务器三部分。由无线网络接收到的数据存储于数据服务器中。根据信息论原理,数据中的波动越大所包换的信息量也就越多,而服务器磁盘空间是有限的,为此应当配以适当的数据管理算法,以使得保存的数据中能够包含最大信息量,能够对日后的评估诊断工作提供最大的帮助。

数据服务器采用基于网页的B/S构架。HTML,HTTP,TCP/IP协议是现今Internet中最普遍应用的协议,可以说,只要有Internet的地方必然会有这些协议,他们组成了Internet的基础。而现代企业中,绝大多数企业都很容易通过宽带或拨号接入Internet,这为诊断与监测系统的远程功能提供了良好基础。基于网页的B/S构架,使得用户不需安装任何专用客户端程序,只要在HTML,HTTP,TCP/IP协议之上,便能够在任何接入Internet的地方对中心服务器进行访问。用户不必关心系统本身的升级与修改问题,可以完全专注于故障诊断过程。另一方面,随着故障诊断技术的进一步发展,新的诊断手段不断出现,随之而来的将是新的虚拟仪器工具的出现。这样B/S构架也为将来虚拟仪器数据库的扩充或修改提供了方便,体现了系统良好的扩展性能。

用户在访问过程中,会通过Internet向中心服务器发送请求。数据服务器讲请求解析后,分别向数据库服务器和虚拟仪器(VI)服务器发送请求,请求所需的数据和虚拟仪器(VI)工具。VI工具服务器和数据库服务器分别根据请求提取所需工具和数据,再通过数据服务器和Internet反馈到客户端浏览器。通过这样一个链路,将所需的工具和数据下载到客户端浏览器中,从而满足用户的各项需求,完成诊断工作。如┩6所示。

整个系统对客户端的惟一要求就是,浏览器能够支持数据服务器的数据类型。同时,客户端可以是在多种平台,只要该平台能够接入Internet,并且可以运行浏览器,比如在无线上网的笔记本电脑中。

6 结 语

采用无线通讯模块无须对传统在线监测系统结构进行大规模改动便可满足风电机组在线监测的需求,只需开发合适性能的无线通讯模块便可。这方式也可用于在线监测系统的改造升级,提高其监测范围及监测对

象数量。基于此系统的中心服务器,可以进一步进行虚拟仪器工具的开发,不断丰富诊断手段；也可以进一步开发数据管理算法,提高增加数据中的信息量,提高系统效率。数据和虚拟仪器工具的途径,可以进一步覆盖能够上网使用浏览器的其他平台,如PDA、手机等,整个系统还可以整合视频、音频和网络会议功能,连接机组现场和多个客户端,实现多个客户端对机组的“会诊”。为此,本文内容有待于进一步的丰富发展。

参 考 文 献

［1］Wang J F,Peter W Tse,He L S,et al.Remote Sensing,Diagnosis and Collaborative Maintenance with Web-enabled Virtual Instruments and Mini-servers［J］.Int.Adv.Manuf.Technol,2004,24:764-772.

［2］Wang Wanbin,Peter W Tse,Jay Lee.Remote Machine Maintenance System through Internet and Mobile Communication［J］.Int.Adv.Manuf.Technol.,2007,31:783-789.

［3］Caselitz P,Giebhardt J,Mevenkamp M,et al.Application of Condition Monitoring Systems in Wind Energy Converters［A］.Proceedings of the EWEC′97［C］.Dublin,1997:579-582.

［4］Caselitz P,Giebhardt J.Advanced Condition Monitoring System for Wind Energy Convertors［A］.Proceedings of the EWEC ′97［C］.Dublin,1997.

［5］陈雷.基于无线网络的挖泥船机械设备远程监测系统研究［D］.武汉：武汉理工大学,2005.

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［7］宫颈风.风电场工程技术手册［M］.北京:机械工业出版社,2004.

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［9］李良,朱善安.基于Java的串口通讯［J］.电子器件,2007,30(2):714-717.

［10］深圳市华奥通通信技术有限公司.HAC-μM系列微功率无线数传模块使用手册［Z］.

作者简介 陈明泽 男,1983年出生,硕士研究生。主要从事旋转机械设备故障诊断应用研究。

于 刚 男,副教授。主要从事过程监控、诊断及预测等研究。