CN102621281A - 一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统及方法。系统由检测装置和控制设备组成。检测装置通过粘贴式电阻应变片的形变自动检测叶片状态，并控制报警模块给出报警信号，在检测叶片状态的同时还具有检测周围环境温湿度信息的功能；系统内部通过ZigBee网络实现系统的互联，不需要复杂的网络布线，结构简单；系统与外界之间采用GPRS通信，便于管理部门及时掌握叶片的状态和温湿度信息；系统采用低功耗器件，以及定时检测，其余时间睡眠的方法最大程度地减小功耗。本发明可广泛用于风电机组叶片状态的实时自动检测，这种检测技术能对产生裂纹的叶片予以预警，为叶片的安全可靠运行提供了保证，具有广阔的经济效益和社会价值。

Description

一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统及方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，特别是一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统及方法。

背景技术

随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国政府的重视。风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。从长远利益看，风力发电是保证可持续发展的战略举措。叶片是风力发电机的关键部件之一，成本占风电机总成本的15～20％，叶片的性能直接影响着风电机的效率、寿命和性能。风力发电机一般在偏远地区或海上运行，风机叶片在运行过程中载荷复杂，工作条件苛刻。所以，长期运行的风机叶片，会出现不同程度的裂纹，最终引起叶片断裂，给整个风电机组的安全运行带来严重的威胁，甚至导致重大事故的产生。因此，对风机叶片裂纹损伤进行实时状态监测是尤为重要的。现在的叶片裂纹检测技术主要集中在叶片制造过程中，如果能够实时监测叶片的状态，在早期发现叶片的损伤，根据实际情况对叶片进行及时维护，就可以保证叶片的安全可靠，降低事故和维修成本。

目前公开的叶片裂纹检测方法主要有复型法、电位法、显微镜直接观察法和声发射技术等。复型法具有较低的成本和很高分辨力，但是劳动强度大，费时，并且很难适用于实验室以外的试验环境；电位法适用于在高温和腐蚀介质中的裂纹扩展；显微镜直接观察法是各种方法中最直接的测试方法，特点是分辨力高，精度高，可用于高温环境介质条件，但是成本高昂；声发射技术几乎不受材料的限制，可对裂纹的萌生和扩展进行动态监测，但实际环境中的机械噪声会对监测系统造成干扰。

综上所述，这些方法在一定程度上实现了对裂纹损伤的检测，但是由于采用上述方法对风力发电机叶片进行检测或者工作量大，或者效率较低，或者成本高，因此不能有效应用于大型风机叶片裂纹的检测上，很难得到普及。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种高效的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，包括若干检测装置和控制设备，所述检测装置安装在风电机组的叶片上，该检测装置与控制设备通过ZigBee无线通信方式相连接，将检测的结果传输给控制设备；所述检测装置包括嵌入式处理器核心模块、若干裂纹检测模块、温湿度检测模块、LED报警模块以及ZigBee无线通信接口，所述裂纹检测模块与嵌入式处理器核心模块相连接，将检测的叶片状态信号传输给嵌入式处理器核心模块，温湿度检测模块与嵌入式处理器核心模块相连接，将检测到的温湿度信号传输给嵌入式处理器核心模块，LED报警模块与嵌入式处理器核心模块相连接，在嵌入式处理器核心模块的控制下报警，ZigBee无线通信接口与嵌入式处理器核心模块相连接，为其提供无线通信接口。

一种风力发电机叶片裂纹自动检测方法，包括以下步骤：

步骤1、检测装置中的裂纹检测模块检测风力发电机叶片状态，并将信号传输给嵌入式处理器核心模块，由该模块判断是否有裂纹，如果有则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2、LED报警模块开始报警；

步骤3、检测装置中的温湿度检测模块检测风场的温湿度，并将温湿度信号传输给嵌入式处理器核心模块；

步骤4、嵌入式处理器核心模块将叶片状态信号和温湿度信号汇总后传输给控制设备；

步骤5、控制设备将若干检测装置的信号汇总后传输给管理部门。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）系统能够实时自动检测叶片状态，在早期发现叶片的损坏并及时进行维护，自动化程度高，可以为风电叶片管理提供决策依据，具有非常广阔的应用前景；2）系统带有温湿度检测功能，能够在检测叶片状态的同时检测温湿度情况；3）系统采用ZigBee无线网络技术，不需要复杂的网络布线，结构简单；4）系统采用GPRS或以太网通信，便于管理部门及时掌握叶片状态；5）只在定时检测的时候唤醒检测装置，功耗低。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的系统组成和工作原理示意图。

图2为本发明的检测装置组成示意图。

图3为本发明的控制设备组成示意图。

图4为本发明的嵌入式处理器核心单元组成示意图。

图5为本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

结合图1、图2，本发明的一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，包括若干检测装置1和控制设备4，所述检测装置1安装在风电机组2的叶片上，该检测装置1与控制设备4通过ZigBee无线通信方式相连接，将检测的结果传输给控制设备4；所述检测装置1包括嵌入式处理器核心模块12、若干裂纹检测模块13、温湿度检测模块14、LED报警模块15以及ZigBee无线通信接口16，所述裂纹检测模块13与嵌入式处理器核心模块12相连接，将检测的叶片状态信号传输给嵌入式处理器核心模块12，温湿度检测模块14与嵌入式处理器核心模块12相连接，将检测到的温湿度信号传输给嵌入式处理器核心模块12，LED报警模块15与嵌入式处理器核心模块12相连接，在嵌入式处理器核心模块12的控制下报警，ZigBee无线通信接口16与嵌入式处理器核心模块12相连接，为其提供无线通信接口。

所述裂纹检测模块13包括粘贴式电阻应变片和不平衡全桥电路。每个检测装置1主要完成裂纹检测功能，还同时具有温湿度检测和无线通信功能。

裂纹检测模块用于实时检测风电机各个叶片的状态；温湿度检测模块用于检测当地的温湿度情况；ZigBee无线通信接口用于各检测装置联网和设备间的信息传递；GPRS接口用于将裂纹和温湿度检测结果自动上报给管理部门，根据不同的使用地点，也可以选用以太网接口上报检测结果，节省系统成本。设备供电可采用太阳能电池板供电，检测装置被定时唤醒，其余时间处于睡眠模式，尽可能减小功耗。

使用时用粘合剂将应变片粘贴在叶片表面一些较易出现裂纹的部位，例如叶根表面等。如果应变片未检测到叶片的裂纹，则系统不产生动作；如果确认检测到某一叶片产生了裂纹，则该检测装置自动控制叶片对应的报警灯闪烁，以指示某一叶片出现了裂纹状况。温湿度检测功能由温湿度传感器来完成，它具有较高的温度和湿度检测精度。上述检测得到的结果通过ZigBee无线网络传输方式发送给控制设备4。控制设备4负责收集一定区域范围内的检测装置1检测到的叶片裂纹信息和温湿度信息，并将这些数据定时上报给管理部门5。管理部门5通过获得的信息，就可以确定各个风电机2的叶片裂纹情况和当地的温湿度情况。

所述裂纹检测模块13与叶片的数量一致，一个叶片对应一个裂纹检测模块13；一个模块可以包括若干应变片，具体根据需要进行设置。

所述嵌入式处理器核心模块12包括嵌入式处理器以及分别与之相连接的电源模块、时钟模块、复位模块、调试接口模块。所述嵌入式处理器核心模块12中嵌入式处理器的型号为TI公司的SoC解决方案CC2530。电源模块为嵌入式处理器提供工作电源，时钟模块为微控制器提供时钟信号,复位模块用于在嵌入式处理器工作出现故障时提供复位信号，调试接口模块用于将应用程序下载到嵌入式处理器以及在嵌入式处理器工作时观测内部的工作情况。

结合图3，控制设备4包括嵌入式处理器核心单元17、ZigBee无线通信接口模块18、GPRS接口19以及以太网接口20，所述ZigBee无线通信接口模块18、GPRS接口19和以太网接口20均与嵌入式处理器核心单元17相连接，为其提供通信接口。

结合图4，嵌入式处理器核心单元17包括嵌入式处理器以及分别与之相连接的电源模块、时钟模块、复位模块、调试接口模块。嵌入式处理器核心单元17中的嵌入式处理器为NXP公司的LPC芯片。电源模块为嵌入式处理器提供工作电源，时钟模块为嵌入式处理器提供时钟信号,复位模块用于在嵌入式处理器工作出现故障时提供复位信号，调试接口模块用于将应用程序下载到嵌入式处理器以及在嵌入式处理器工作时观测内部的工作情况。

上述嵌入式处理器核心模块12和嵌入式处理器核心单元17结构类似，区别仅为嵌入式处理器的型号和相关外围电路。

结合图5，一种风力发电机叶片裂纹自动检测方法，包括以下步骤：

步骤1、检测装置1中的裂纹检测模块13检测风力发电机叶片状态，并将信号传输给嵌入式处理器核心模块12，由该模块判断是否有裂纹，如果有则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2、LED报警模块15开始报警；

步骤3、检测装置1中的温湿度检测模块14检测风场3的温湿度，并将温湿度信号传输给嵌入式处理器核心模块12；

步骤4、嵌入式处理器核心模块12将叶片状态信号和温湿度信号汇总后传输给控制设备4；

步骤5、控制设备4将若干检测装置1的信号汇总后传输给管理部门5。

下面结合实施例，对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，风电叶片裂纹自动检测报警系统由检测装置1和控制设备4组成。每个检测装置1安装于风电机2上，各自独立地检测叶片状态和温湿度情况。另外，在风场3范围安装多个控制设备4。检测装置1和控制设备4通过ZigBee无线方式联网组成叶片裂纹自动检测报警系统，控制设备4通过GPRS无线数据传输方式或以太网有线方式将叶片检测结果和温湿度信息自动上报给管理部门5。

结合图2-图4，检测装置的构成包括嵌入式处理器核心模块12、裂纹检测模块13、温湿度检测模块14、LED报警模块15以及ZigBee无线通信接口16；控制设备4的构成包括嵌入式处理器核心单元17、ZigBee无线通信接口模块18、GPRS接口19以及以太网接口20。其中，检测装置1的嵌入式处理器核心模块12与控制设备4的嵌入式处理器核心单元17的基本构成相同，包括嵌入式处理器以及分别与之相连接的电源模块、时钟模块、复位模块、调试接口模块等，但是这两种设备具体所选用的嵌入式处理器有所不同。裂纹检测模块13由粘贴式电阻应变片以及相关的变换测量电路完成，当叶片表面产生微小变形时，粘贴在上面的应变片线栅亦随之发生变形，由于金属导体的应变效应，使线栅的电阻发生变化。这时，再由变换测量电路将电阻的变化转换为电压变换后输出。测量电路采用不平衡电桥电路来实现把应变片的电阻变化量转换为电压变化量。为了使测量电桥具有较高的灵敏度和测量精度，并且不受温度的影响，采用了全桥电路。温湿度检测模块14由Sensirion公司的SHT11数字温湿度传感器及相关外围电路组成，具有较高的检测精度。检测装置1的ZigBee无线通信接口16和控制设备4的ZigBee无线通信接口模块18硬件相同，选用TI公司的CC2530。检测装置1的LED报警模块15，采用LED灯实现。控制设备4的GPRS接口19选用SIMCom公司专为中国大陆市场设计的2频的GSM/GPRS模块SIM900A，以太网接口20选用Wiznet公司的W5100。嵌入式处理器根据不同的设备选用不同的型号，如控制设备4中的嵌入式处理器可选用NXP公司的LPC系列芯片，而检测装置1中的嵌入式处理器则选用CC2530中集成的增强型51单片机。

结合图1和图5，说明系统的工作流程。当检测装置1上电工作以后，通过裂纹检测模块13定时检测叶片的状态，即是否有裂纹产生。如果未检测到裂纹，则LED报警模块15不动作，无报警信号；如果检测到有裂纹产生，则控制LED报警模块15发出按一定频率闪烁的报警信号，起到显著的警示作用。在检测完叶片的状态后，温湿度检测模块14检测叶片周围的温湿度情况。

检测装置1定时检测叶片状态和温湿度信息后，将检测结果通过ZigBee无线网络发送出去。信息经过无线网络的多跳路由以后，将被控制设备4的ZigBee无线通信接口模块18接收到。控制设备4收集各个检测装置1发送的叶片状态和温湿度信息，并将这些信息组合成有一定意义的信息帧，定时通过GPRS接口19或以太网接口20发送给管理部门5。管理部门5通过判断接收到的信息帧中的各个地址，即可准确获知相关地理位置上的叶片状态和温湿度信息。

Claims (8)

1.一种风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，包括若干检测装置[1]和控制设备[4]，所述检测装置[1]安装在风电机组[2]的叶片上，该检测装置[1]与控制设备[4]通过ZigBee无线通信方式相连接，将检测的结果传输给控制设备[4]；所述检测装置[1]包括嵌入式处理器核心模块[12]、若干裂纹检测模块[13]、温湿度检测模块[14]、LED报警模块[15]以及ZigBee无线通信接口[16]，所述裂纹检测模块[13]与嵌入式处理器核心模块[12]相连接，将检测的叶片状态信号传输给嵌入式处理器核心模块[12]，温湿度检测模块[14]与嵌入式处理器核心模块[12]相连接，将检测到的温湿度信号传输给嵌入式处理器核心模块[12]，LED报警模块[15]与嵌入式处理器核心模块[12]相连接，在嵌入式处理器核心模块[12]的控制下报警，ZigBee无线通信接口[16]与嵌入式处理器核心模块[12]相连接，为其提供无线通信接口。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，所述裂纹检测模块[13]包括粘贴式电阻应变片和不平衡全桥电路。

3.根据权利要求1所述的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，控制设备[4]包括嵌入式处理器核心单元[17]、ZigBee无线通信接口模块[18]、GPRS接口[19]以及以太网接口[20]，所述ZigBee无线通信接口模块[18]、GPRS接口[19]和以太网接口[20]均与嵌入式处理器核心单元[17]相连接，为其提供通信接口。

4.根据权利要求1所述的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，所述嵌入式处理器核心模块[12]包括嵌入式处理器以及分别与之相连接的电源模块、时钟模块、复位模块、调试接口模块。

5.根据权利要求4所述的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，所述嵌入式处理器核心模块[12]中嵌入式处理器的型号为TI公司的CC2530。

6.根据权利要求3所述的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，嵌入式处理器核心单元[17]包括嵌入式处理器以及分别与之相连接的电源模块、时钟模块、复位模块、调试接口模块。

7.根据权利要求6所述的风力发电机叶片裂纹自动检测报警系统，其特征在于，嵌入式处理器核心单元[17]中的嵌入式处理器为NXP公司的LPC芯片。

8.一种风力发电机叶片裂纹自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、检测装置[1]中的裂纹检测模块[13]检测风力发电机叶片状态，并将信号传输给嵌入式处理器核心模块[12]，由该模块判断是否有裂纹，如果有则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2、LED报警模块[15]开始报警；

步骤3、检测装置[1]中的温湿度检测模块[14]检测风场的温湿度，并将温湿度信号传输给嵌入式处理器核心模块[12]；

步骤4、嵌入式处理器核心模块[12]将叶片状态信号和温湿度信号汇总后传输给控制设备[4]；

步骤5、控制设备[4]将若干检测装置[1]的信号汇总后传输给管理部门[5]。

Images