風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線振動系統(tǒng)主要由振動信號采集單元、風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)診斷中心三部分組成。信號采集傳輸單元實(shí)時(shí)采集風(fēng)力機(jī)機(jī)艙傳動部件的振動信號，通過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號整合，通過網(wǎng)線接入風(fēng)場SCADA光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中；風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)顯示測量到的轉(zhuǎn)速、振動等信號，并進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)分析與存儲；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、信號采集單元
每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝8個(gè)不同頻段的加速度振動傳感器與一個(gè)電感式接近開關(guān)，振動傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理器后輸出直流電壓信號，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。接近開關(guān)信號接入數(shù)據(jù)采集器的編碼器通道，測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，所有測量信號均接入風(fēng)電場SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。振動采集單元具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
（1）振動傳感器
振動傳感器選用壓電式IEPE/ICP振動加速度傳感器，具有測量精度高、安裝可靠、信號傳輸距離遠(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：IP65。具體選型結(jié)果及安裝位置見表1。
（2）信號調(diào)理器
設(shè)計(jì)選用2個(gè)JK343L型加速度傳感器信號調(diào)理器，通過BNC及2針MIL-C5015接頭電纜連接振動傳感器，為振動傳感器提供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。單個(gè)JK343L信號調(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型電感式接近開關(guān)，安裝在齒輪箱高速軸側(cè)，用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，信號接入數(shù)據(jù)采集器的增量式編碼器測速接口。
（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)字濾波器過采樣功能，輸出接口通過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C語言編程實(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、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)，將所采集的信號發(fā)送到SCADA監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
2、風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心
風(fēng)電場數(shù)據(jù)處理中心由前臺監(jiān)控主機(jī)與后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩部分組成，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障分析預(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語言環(huán)境開發(fā)前臺監(jiān)控軟件。
（1）前臺監(jiān)控主機(jī)
前臺監(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)存儲分析、故障預(yù)測等功能，監(jiān)控主界面采用Python編程環(huán)境的PyQT5模塊開發(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)庫存儲，采用scipy、numpy、pandas庫進(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)、振動數(shù)值及振動曲線。
②數(shù)據(jù)存儲分析，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲到后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，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，通過自學(xué)習(xí)的方法分析歷史數(shù)據(jù)的各類時(shí)域指標(biāo)，形成故障閾值，自動識別異常部件。根據(jù)部件的特征頻率設(shè)定錄波參數(shù)，定時(shí)采集振動數(shù)據(jù)，通過FFT變換、包絡(luò)解調(diào)分析等識別故障部位及損壞程度。
（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為在線振動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，搭建Postgre SQL 12數(shù)據(jù)庫，按風(fēng)機(jī)名稱建立數(shù)據(jù)表，存儲前臺監(jiān)控軟件所獲取的風(fēng)機(jī)振動、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)診斷中心通過防火墻VPN方式接入風(fēng)電場的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)具備使用Web網(wǎng)頁連接訪問數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)的功能，振動分析專家可使用專業(yè)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，檢驗(yàn)自動分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時(shí)生成監(jiān)測報(bào)告，保證設(shè)備安全運(yùn)行。
