一種風電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置制造方法
【專利摘要】一種風電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，屬于檢測設備領域。本實用新型的目的是提供一種基于小波包和BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)對故障的在線監(jiān)測及診斷，提高了診斷的效率；同時結合離線分析，提高診斷結果的準確性的風電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置。本實用新型的齒輪箱實驗臺輸入軸的前后側，輸出軸的前側分別布置一個加速度傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個接近開關，用來測試齒輪箱輸入軸和輸出軸的轉速，均通過信號傳輸線與PXI平臺連接，PXI平臺與在線監(jiān)控中心之間通過網(wǎng)絡電纜通信；PXI平臺包括有信號采集與調(diào)理模塊、PXI控制器。本實用新型針對風機的運行健康狀況評估問題，采用在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，可以使風場的管理人員及時了解風電機組的運行信息，實現(xiàn)了對風力發(fā)電機的主動性維護。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于檢測設備領域。 一種風電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置

【背景技術】
[0002] 近年來，世界各國在能源的發(fā)展方面都比較注重在可再生能源方面的投入，風能 作為一種清潔的可再生能源，儲量巨大，利用相對方便，受到了很多國家政府的青睞。
[0003] 隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，一些突出問題逐步顯現(xiàn)，針對大量的風電機 組裝機的故障診斷技術總是落后于實際情況，導致發(fā)電機組故障頻發(fā)。風力發(fā)電機組組成 結構復雜，零部件眾多，在惡劣的工作環(huán)境下，風機內(nèi)各個部件極易受到損傷，發(fā)生故障。這 些故障會導致風機工作效率低下，極有可能導致風機塔架倒塌或徹底報廢，嚴重影響風力 發(fā)電場的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益。
[0004] 目前，國內(nèi)的主要研究手段是分析風機振動信號，通過觀察時域和頻域特征值變 化來進行診斷，這種方法需要借助經(jīng)驗豐富的振動信號分析專家來識別頻譜中隱含的故障 信息，一般人員很難對風機完成專業(yè)的故障診斷定位分析。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型的目的是提供一種基于小波包和BP神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)對故障的在線監(jiān)測 及診斷，提高了診斷的效率；同時結合離線分析，提高診斷結果的準確性的風電機組狀態(tài)監(jiān) 測與故障診斷裝置。
[0006] 本實用新型的齒輪箱實驗臺輸入軸的前后側，輸出軸的前側分別布置一個加速度 傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個接近開關，用來測試齒輪箱輸入軸和輸出軸的轉 速，均通過信號傳輸線與PXI平臺連接，PXI平臺與在線監(jiān)控中心之間通過網(wǎng)絡電纜通信； PXI平臺包括有信號采集與調(diào)理模塊、PXI控制器；
[0007] 轉速信號通過信號線連接轉速信號的電壓轉換電路的輸入端SINGAL_IN，光耦隔 離芯片U1的3腳通過電線連接轉速信號的采集單元電路輸入端IN_PUT，經(jīng)濾波后，連接放 大器U2的同相輸入端3腳，U2的輸出端6腳，經(jīng)保護電路后，連接A/D芯片U3的15腳IN; A/D芯片U3的DO?D9連接PXI控制器通道的1?10腳；
[0008] 振動信號Vin通過信號線連接振動信號的程控放大電路的D/A芯片U4的VREF， D/A芯片U4的DI0?DI7連接振動信號的采集單元電路U6的XD0?XD7 ;D/A芯片U4的1 腳、19腳連接U6的51腳、161腳；D/A芯片U4的I0UT1、I0UT2分別接放大器U5的反向輸 入端2腳和同向輸入端3腳；放大器U5的輸出端6腳連接振動信號的采集單元電路U6的 164腳；U6的167?174腳分別連接振動信號的采集單元輸出接口 R18、R17的4?1腳； R17、R18的8?5腳連接PXI控制器通道的11?18腳；
[0009] PXI平臺與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。
[0010] 本實用新型針對風機的運行健康狀況評估問題，采用在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)， 可以使風場的管理人員及時了解風電機組的運行信息，實現(xiàn)了對風力發(fā)電機的主動性維 護，減少了傳統(tǒng)的不必要的定期現(xiàn)場工作巡視，提前對風機可能發(fā)生的重大故障做出預報， 不僅確保了風力發(fā)電生產(chǎn)的安全，也大大減少了相關的運行和維護費用，具有重大的經(jīng)濟 與社會效益。本實用新型通過對風力發(fā)電機組齒輪箱等部件信號的采集與分析處理，采用 本實例改進方法，實現(xiàn)對風力發(fā)電機組監(jiān)控狀態(tài)的智能監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電機組可能 出現(xiàn)的嚴重故障，保障機組安全平穩(wěn)運行，提高機組運行質(zhì)量。通過監(jiān)控中心可以實現(xiàn)遠程 故障診斷，并且可以實時查看機組運行監(jiān)控狀態(tài)，從而實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測風力發(fā)電機組的 工作狀態(tài)，操作簡單、快速可靠。、
[0011] 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：
[0012] (1)本實用新型中，采用轉速信號電壓轉換與振動信號程控放大電路，對輸入信號 進行處理，能夠更為精確、適時地對轉速、振動信號進行采集，并能節(jié)約系統(tǒng)資源，提高資源 利用率；
[0013] (2)本實用新型對采集的數(shù)據(jù)，利用小波包特征向量提取和BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練診 斷，消除噪聲因子的影響，同時結合離線分析，能夠更加準確地診斷出齒輪箱所發(fā)生的故 障，及時發(fā)現(xiàn)問題，對風機組進行維護，減少不必要的損失。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型實施例在線監(jiān)測與診斷裝置的結構連接示意圖；
[0015] 圖2為本實用新型實施例信號采集模塊的結構示意圖；
[0016] 圖3為本實用新型實施例轉速信號的電壓轉換電路圖；
[0017] 圖4為本實用新型實施例轉速信號的采集單元電路圖；
[0018] 圖5為本實用新型實施例振動信號的程控放大電路圖；
[0019]圖6為本實用新型實施例振動信號的采集單元電路圖；
[0020] 圖7為本實用新型實施例振動信號的采集單元輸出接口示意圖；
[0021] 圖8為本實用新型實施例電源轉換電路圖；
[0022] 圖9為本實用新型實施例在線監(jiān)測中心結構與功能示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 本實用新型的齒輪箱實驗臺1輸入軸的前后側，輸出軸的前側分別布置一個加速 度傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個接近開關，用來測試齒輪箱輸入軸和輸出軸的 轉速，均通過信號傳輸線2與PXI平臺3連接，PXI平臺3與在線監(jiān)控中心6之間通過網(wǎng)絡 電纜通信；PXI平臺3包括有信號采集與調(diào)理模塊5、PXI控制器4 ;其中信號采集與調(diào)理模 塊5是由信號調(diào)理電路51和信號采集和處理電路52構成；而在線監(jiān)控中心6包括數(shù)據(jù)儲 存模塊7、故障診斷模塊8和系統(tǒng)控制模塊9 ;
[0024] 轉速信號通過信號線連接轉速信號的電壓轉換電路的輸入端SINGAL_IN，光耦隔 離芯片U1的3腳通過電線連接轉速信號的采集單元電路輸入端IN_PUT，經(jīng)濾波后，連接放 大器U2的同相輸入端3腳，U2的輸出端6腳，經(jīng)保護電路后，連接A/D芯片U3的15腳IN; A/D芯片U3的DO?D9連接PXI控制器通道的1?10腳；
[0025] 振動信號Vin通過信號線連接振動信號的程控放大電路的D/A芯片U4的VREF， D/A芯片U4的DI0?DI7連接振動信號的采集單元電路U6的XD0?XD7 ;D/A芯片U4的1 腳、19腳連接U6的51腳、161腳；D/A芯片U4的I0UT1、I0UT2分別接放大器U5的反向輸 入端2腳和同向輸入端3腳；放大器U5的輸出端6腳連接振動信號的采集單元電路U6的 164腳；U6的167?174腳分別連接振動信號的采集單元輸出接口 R18、R17的4?1腳； R17、R18的8?5腳連接PXI控制器通道的11?18腳；
[0026] PXI平臺與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。
[0027] 以下結合附圖對本實用新型做詳細的描述：
[0028] 如圖1所示：本實用新型實施例的風電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置的結構示意 圖。主要包括：齒輪箱實驗臺，PXI平臺和在線監(jiān)控中心。
[0029] 本實施例的齒輪箱實驗臺通過信號傳輸線與PXI平臺相連，PXI平臺通過網(wǎng)絡電 纜與在線監(jiān)控中心連接。齒輪箱實驗臺輸入軸的前后側，輸出軸的前側分別布置一個壓電 式加速度傳感器，用于模擬風電機組正常工作狀態(tài)下，振動信號的米集；同時，輸入軸與輸 出軸各布置一個接近開關，用來測試輸入軸和輸出軸的轉速。
[0030] 如圖2所示，信號采集模塊由信號調(diào)理電路以及信號采集與處理電路組成。信號 調(diào)理電路用來調(diào)節(jié)轉速信號電壓范圍、降低振動信號噪聲等因素的影響。
[0031] 如圖3所示，轉速信號的傳感器接近開關連接SINGAL_IN，經(jīng)整流、限幅后，通過三 極管，再經(jīng)過光電隔離后，輸出的方波信號SINGAL_0UT連接圖4所示的IN_PUT。
[0032] 如圖4所示，輸入的模擬信號IN_PUT經(jīng)過濾波放大器后，進入ADS852的15號引 腳，轉換為數(shù)字信號，由ADS852的2~11號引腳D0~D9連接到PXI控制器通道的1~10引腳。
[0033] 如圖5,振動信號Vin的壓電式加速度傳感器連接DAC0832的8號引腳VREF， DAC0832的片選信號CS與數(shù)字信號輸入端ILE分別連接圖6所示TMS2812芯片的51號與 161號引腳；互補輸出端I0UT1和I0UT2引腳分別接放大器LF25?的反向輸入端2和同向 輸入端3。放大器輸出的電壓信號Vout接TMS2812芯片的164號引腳ADCBGREFIN。
[0034] 如圖6所示，TMS2812芯片167?174號引腳ADCINA7?ADCINA0分別連接圖7所示 電阻R_DIP4的輸入端，電阻R_DIP4輸出端連接PXI控制器通道的11~18號引腳。
[0035] 如圖8所示，系統(tǒng)中TMS2812采用3. 3 V的外設供電和1. 9 V的內(nèi)核供電，故系統(tǒng) 采用TI公司的芯片TPS75733和TPS76801，將電路板外接的+5 V轉換成+3. 3 V和1. 8V。
[0036] 如圖9所示，在線監(jiān)控中心是基于NI公司的LabVIEW軟硬平臺構成，由網(wǎng)絡地址 設置模塊、信號及波形顯示模塊和功能模塊組成。PXI平臺與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸 使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。PXI平臺將采集的振動數(shù)據(jù)和相關的信息(如采樣頻率、 采樣時間等)使用DataSocket協(xié)議方式通過網(wǎng)絡電纜傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)信息區(qū)域 進行存儲，在線監(jiān)控中心從該數(shù)據(jù)區(qū)中讀取數(shù)據(jù)信息，然后進行數(shù)據(jù)的存儲、分析、顯示等 操作。在線監(jiān)控中心對PXI平臺的數(shù)據(jù)采集開始與停止的控制命令也是通過DataSocket 技術傳送至PXI平臺上運行的。
[0037] 本實施例的在線監(jiān)控中心將PXI平臺采集的數(shù)據(jù)進行存儲分析顯示，對于PXI平 臺傳送過來的原始振動信號，含有很多的噪聲，直接進行小波包故障特征提取，特征參數(shù)值 中會含有比較大的噪聲分量，不能真實反映信號的信息，而采用3層小波包分解，將一段振 動信號分為8個頻段，分別計算8個頻段的歸一化后，再結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡為核心算法的程 序就可自動診斷出齒輪箱內(nèi)的齒輪或軸承等部件是否有故障，如果診斷發(fā)現(xiàn)齒輪箱內(nèi)有部 件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會在界面進行自動提示。
[0038] 本實施例的在線監(jiān)控中心結合數(shù)據(jù)的離線分析與在線分析，完善了故障診斷的實 現(xiàn)方法，能夠更加準確快速的掌握齒輪箱的運行狀況。當系統(tǒng)開始執(zhí)行診斷程序后，操作人 員可以針對提示的故障，在監(jiān)控中心的離線分析模塊處，選擇所要用的分析方法如功率譜 分析、包絡譜分析等方法，分析的結果就會顯示在系統(tǒng)的顯示模塊中，即可進一步確證齒輪 箱的故障原因及故障位置。
【權利要求】
1. 一種風電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，其特征在于：齒輪箱實驗臺（1)輸入軸的 前后側，輸出軸的前側分別布置一個加速度傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個接近 開關，用來測試齒輪箱輸入軸和輸出軸的轉速，均通過信號傳輸線（2)與PXI平臺（3)連接， PXI平臺（3)與在線監(jiān)控中心（6)之間通過網(wǎng)絡電纜通信；PXI平臺（3)包括有信號采集與 調(diào)理模塊（5)、PXI控制器（4); 轉速信號通過信號線連接轉速信號的電壓轉換電路的輸入端SINGAL_IN，光耦隔離芯 片U1的3腳通過電線連接轉速信號的采集單元電路輸入端IN_PUT，經(jīng)濾波后，連接放大器 U2的同相輸入端3腳，U2的輸出端6腳，經(jīng)保護電路后，連接A/D芯片U3的15腳IN ;A/D 芯片U3的DO?D9連接PXI控制器通道的1?10腳； 振動信號Vin通過信號線連接振動信號的程控放大電路的D/A芯片U4的VREF，D/A芯 片U4的DI0?DI7連接振動信號的采集單元電路U6的XD0?XD7 ;D/A芯片U4的1腳、19 腳連接U6的51腳、161腳；D/A芯片U4的I0UT1、I0UT2分別接放大器U5的反向輸入端2 腳和同向輸入端3腳；放大器U5的輸出端6腳連接振動信號的米集單兀電路U6的164腳； U6的167?174腳分別連接振動信號的采集單元輸出接口 R18、R17的4?1腳；R17、R18 的8?5腳連接PXI控制器通道的11?18腳； PXI平臺與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。
【文檔編號】G01M15/12GK203881539SQ201420152013
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權日:2014年4月1日
【發(fā)明者】周求湛, 姚為星, 歐淇源, 王皓, 吳艷茹 申請人:吉林大學, 天津海運星翰科技發(fā)展有限公司, 天津海思瑞特信息科技發(fā)展有限公司