風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線振動(dòng)系統(tǒng)主要由振動(dòng)信號(hào)采集單元、風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理中心、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心三部分組成。信號(hào)采集傳輸單元實(shí)時(shí)采集風(fēng)力機(jī)機(jī)艙傳動(dòng)部件的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)整合，通過(guò)網(wǎng)線接入風(fēng)場(chǎng)SCADA光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中；風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)顯示測(cè)量到的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等信號(hào)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)；遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)診斷中心采用VPN方式接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由專(zhuān)家進(jìn)行異常機(jī)組的故障診斷分析。具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
1、信號(hào)采集單元
每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝8個(gè)不同頻段的加速度振動(dòng)傳感器與一個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)，振動(dòng)傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理器后輸出直流電壓信號(hào)，由ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集器控制ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率由控制程序進(jìn)行設(shè)定。接近開(kāi)關(guān)信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集器的編碼器通道，測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，所有測(cè)量信號(hào)均接入風(fēng)電場(chǎng)SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。振動(dòng)采集單元具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
（1）振動(dòng)傳感器
振動(dòng)傳感器選用壓電式IEPE/ICP振動(dòng)加速度傳感器，具有測(cè)量精度高、安裝可靠、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)所選用振動(dòng)傳感器性能滿足如下要求：①通頻傳感器靈敏度100mV/g，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍50g，低頻傳感器靈敏度500mV/g，應(yīng)用范圍10g；②頻率范圍：0.5~10kHz；③量程：不小于0~10g；④防護(hù)等級(jí)：IP65。具體選型結(jié)果及安裝位置見(jiàn)表1。
（2）信號(hào)調(diào)理器
設(shè)計(jì)選用2個(gè)JK343L型加速度傳感器信號(hào)調(diào)理器，通過(guò)BNC及2針MIL-C5015接頭電纜連接振動(dòng)傳感器，為振動(dòng)傳感器提供4mA恒流源供電電流，具有硬件濾波、去偏置電壓、抗混疊功能，同時(shí)可輸出差分電壓信號(hào)。單個(gè)JK343L信號(hào)調(diào)理器具有4個(gè)通道，24VDC恒流供電電壓，低頻下限0.08Hz，高頻上限1~100kHz，默認(rèn)設(shè)置為30kHz，輸出電壓增益為1~100，默認(rèn)設(shè)置為1。
（3）轉(zhuǎn)速傳感器
選用BESM18EI型電感式接近開(kāi)關(guān)，安裝在齒輪箱高速軸側(cè)，用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集器的增量式編碼器測(cè)速接口。
（4）ADC轉(zhuǎn)換器
采用基于AD7606芯片的8通道16位ADC同步模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，所有通道都具有高達(dá)200kSPS的采樣率，搭載二階抗混疊模擬濾波器，帶8檔數(shù)字濾波器過(guò)采樣功能，輸出接口通過(guò)8080并行方式接入數(shù)據(jù)采集器GPIO接口。
（5）數(shù)據(jù)采集器
數(shù)據(jù)采集器選用STM32F429BIT6/LQFP-208型ARM微處理器，主頻為180MHz，板載通用GPIO接口、MicroSD數(shù)據(jù)卡存儲(chǔ)接口、RS232串行通訊接口（SP3232）、CAN2.0通訊接口（SN65HVD230）、100M以太網(wǎng)傳輸接口（DM9000）。通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)以下功能：8通道1Hz頻率的數(shù)據(jù)連續(xù)并行采樣、8通道小于20kHz的自定義頻率1分鐘定時(shí)數(shù)據(jù)采樣、采集器離線時(shí)MicroSD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸、編碼器通道轉(zhuǎn)速采集、與風(fēng)機(jī)主控PLC CAN模塊通訊傳輸風(fēng)電機(jī)組功率、溫度等附加信息。數(shù)據(jù)采集器使用100米CAT6型網(wǎng)線接入風(fēng)機(jī)底部監(jiān)控柜的線路交換機(jī)，將所采集的信號(hào)發(fā)送到SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
2、風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理中心
風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理中心由前臺(tái)監(jiān)控主機(jī)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器兩部分組成，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析預(yù)警的需求分析、不同操作系統(tǒng)的可移植性及大數(shù)據(jù)分析的便利性，采用Python語(yǔ)言環(huán)境開(kāi)發(fā)前臺(tái)監(jiān)控軟件。
（1）前臺(tái)監(jiān)控主機(jī)
前臺(tái)監(jiān)控主機(jī)所搭載的監(jiān)控軟件具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、故障預(yù)測(cè)等功能，監(jiān)控主界面采用Python編程環(huán)境的PyQT5模塊開(kāi)發(fā)，SocketServer模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與處理，SqlServer模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，采用scipy、numpy、pandas庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，采集各機(jī)組1S間隔的周期數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、振動(dòng)數(shù)值及振動(dòng)曲線。
②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出、時(shí)域指標(biāo)（峰值、均方根值、偏度、峭度、波形因子、峰值因子、脈沖因子、裕度因子）分析功能及錄波數(shù)據(jù)的時(shí)域分析、頻域分析功能。
③故障預(yù)測(cè)，通過(guò)自學(xué)習(xí)的方法分析歷史數(shù)據(jù)的各類(lèi)時(shí)域指標(biāo)，形成故障閾值，自動(dòng)識(shí)別異常部件。根據(jù)部件的特征頻率設(shè)定錄波參數(shù)，定時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)FFT變換、包絡(luò)解調(diào)分析等識(shí)別故障部位及損壞程度。
（2）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器
數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為在線振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，搭建Postgre SQL 12數(shù)據(jù)庫(kù)，按風(fēng)機(jī)名稱建立數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)前臺(tái)監(jiān)控軟件所獲取的風(fēng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、功率、溫度等所有信息，同時(shí)也以獨(dú)立文件形式存儲(chǔ)定時(shí)采集的高頻錄波數(shù)據(jù)。
3、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心通過(guò)防火墻VPN方式接入風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)具備使用Web網(wǎng)頁(yè)連接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)的功能，振動(dòng)分析專(zhuān)家可使用專(zhuān)業(yè)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，檢驗(yàn)自動(dòng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時(shí)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告，保證設(shè)備安全運(yùn)行。
