CN103809556A - 风机状态监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风机状态监控系统和方法。该系统包括：相互通信的数据服务器和多个机组监控设备，其中每个机组监控设备包括：加速度传感器，设置在机组的传动部件处，被配置成检测传动部件的振动；油液检测传感器，沿机组的齿轮箱润滑油路设置，被配置成检测润滑油的状态参数；以及数据采集装置，被配置成采集来自加速度传感器的振动信号和油液检测传感器的状态参数信号，以及将所采集的信号输出到数据服务器；以及数据服务器，被配置成存储并分析从数据采集装置接收的信号，以获得监控结果。通过上述技术方案，利用加速度传感器和油液检测传感器对每个机组中各传动部件的振动和润滑油的状态进行实时监控，能够实现准确的故障定位和对可能故障的预测。

Description

风机状态监控系统和方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种风机状态监控系统和方法。

背景技术

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来带动发电机发电。风电场的发电总量及经济效益依赖于机组的良好、稳定运行。主轴、齿轮箱和发电机的故障在风电机组的故障中占了很大比例，其故障引起的设备停机时间占到了风电机组非计划停机时间的70%。主轴、齿轮箱等机械部件的失效是一个长期的、累积的过程，这些失效包括齿轮、轴承等旋转零件磨损、紧固件的连接松动等。因此，需要采取一定的监控方法来对故障做出诊断及定位，从而避免风机因严重故障造成的事故及经济损失。

在现有技术中，对风电机组的监控主要包括电气量及状态监控、视频监控、振动监控、油液监控等。其中，电气量及状态监控采用从风机数据采集与监视控制（SCADA）系统中采集的电压、电流、振动、温度等参量进行监测和分析，可以实现对机组重要部件如发电机、塔架、传动链、叶轮等的状态监测工作。但这种监控的相关性和时效性并不突出，能够发现的故障限于一些大的故障，不能用于故障的早期预测；视频监控手段主要是依靠安装在风电机组内外的视频采集设备对风机的运行状况进行监控。这种监控手段的优点是直观性较强，工作人员可以通过图像直观的了解到风机设备的运行情况，缺点是无法获取设备内部的失效特征，只能在故障发生后观测到故障的情况；振动监控主要是通过在风机内部的特定位置安装加速度传感器，采集设备的振动信息。通过对被测设备的时域波形图及频域谱图进行分析，来对内部零件做出定性诊断。振动监测的优点是对故障的诊断较为准确，缺点是振动监测的前瞻性较差，即当振动监测可以确切的得出失效结果时，故障往往已经发生；油液监控是通过专门的油液检测传感器对风机主轴轴承及齿轮箱中的润滑油进行监测，通过润滑油信息对故障做出诊断及预警。油液监控的优点是对失效较为敏感，尤其是磨损导致的机械失效，缺点是常规的油液监测需要在实验室环境中进行，很难做到在线监测，而且很大程度上需要依靠人的经验。可见，现有技术中尚无一种设备或方法能够对风机故障做出有效诊断及定位。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备和方法，该设备和方法能够对风机运行状态进行有效监控，诊断及预测故障。

为了实现上述目的，本发明提供一种风机状态监控系统，该系统包括：相互通信的数据服务器和多个机组监控设备，其中每个所述机组监控设备包括：加速度传感器，设置在机组的传动部件处，被配置成检测所述传动部件的振动；油液检测传感器，沿所述机组的齿轮箱润滑油路设置，被配置成检测润滑油的状态参数；以及数据采集装置，被配置成采集来自所述加速度传感器的振动信号和所述油液检测传感器的状态参数信号，以及将所采集的信号输出到所述数据服务器；以及所述数据服务器，被配置成存储并分析从所述数据采集装置接收的信号，以获得监控结果。

可选地，所述数据服务器还被配置成将从所述数据采集装置接收的信号与预先设置的阈值进行比较，以及当达到或超过所述阈值时，判断故障部位并生成报警信号。

可选地，所述数据服务器还包括：报警装置，被配置成根据所述报警信号生成并发送报警信息到移动终端。

可选地，所述传动部件包括：主轴、齿轮箱以及发电机；以及所述加速度传感器为两轴加速度传感器和/或三轴加速度传感器。

可选地，所述加速度传感器包括：分别设置在主轴轴承处、齿轮箱输出轴轴承处以及发电机传动端轴承处的三轴加速度传感器，以及分别设置在所述齿轮箱的低速级轴承、中间级轴承及内齿圈处和所述发电机非传动端轴承处的两轴加速度传感器。

可选地，所述油液检测传感器包括以下至少之一者：磨粒传感器、湿度传感器以及品质传感器，其中，所述磨粒传感器被配置成检测所述润滑油的油液磨粒；所述湿度传感器被配置成检测所述润滑油的油液湿度；以及所述品质传感器被配置成检测所述润滑油的油液品质。

可选地，所述数据服务器还包括：服务器端数据库，被配置成存储从所述数据采集装置接收的信号。

可选地，该系统还包括远程控制设备，该远程控制设备通过网络与所述数据服务器连接，被配置成能够访问所述数据服务器以及控制所述系统运行。

本发明另一个方面还提供了一种风机状态监控方法，该方法包括：通过传感器检测机组传动部件的振动以及所述机组的齿轮箱润滑油的状态参数；采集来自所述传感器的振动信号和状态参数信号；以及存储并分析所述振动信号和所述状态参数信号以获得监控结果。

可选地，所述分析所述振动信号和所述状态参数信号包括：将所述振动信号和/或所述状态参数信号与预先设置的阈值进行比较。

可选地，该方法还包括：当所述振动信号和/或所述状态参数信号达到或超过所述阈值时，判断故障部位并生成报警信号；以及将所生成的报警信号无线发送到移动终端。

可选地，所述报警信号包含以下信息中至少之一者：故障风机、故障类型、故障优先级以及故障发生时间。

通过上述技术方案，利用加速度传感器和油液检测传感器对每个机组中各传动部件的振动和润滑油的状态进行实时监控，能够实现准确的故障定位和对可能故障的预测。利用本发明提供的技术方案，不仅能够对已经出现的故障进行准确定位，还能够对可能出现的故障进行预测，以便于技术人员判断处理。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的风机状态监控系统结构示意图；

图2是根据本发明实施方式的加速度传感器设置位置示意图；

图3是根据本发明实施方式的油液检测传感器设置方式示意图；

图4是根据本发明实施方式的风机状态监控系统数据处理流程示意图；

图5是根据本发明实施方式的风机状态监控系统报警流程示意图；以及

图6是根据本发明实施方式的风机状态监控方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的风机状态监控系统结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供的风机状态监控系统可以包括：相互通信的数据服务器5和多个机组监控设备，其中每个所述机组监控设备包括：加速度传感器1，设置在机组的传动部件处，被配置成检测所述传动部件的振动；油液检测传感器2，沿所述机组的齿轮箱润滑油路设置，被配置成检测润滑油的状态参数；以及数据采集装置3，被配置成采集来自所述加速度传感器1的振动信号和所述油液检测传感器2的状态参数信号，以及将所采集的信号输出到所述数据服务器5；以及所述数据服务器5，被配置成存储并分析从所述数据采集装置接收的信号，以获得监控结果。

通过上述技术方案，利用加速度传感器1和油液检测传感器2对每个机组中各传动部件的振动和润滑油的状态进行实时监控，能够实现准确的故障定位和对可能故障的预测。利用本发明提供的技术方案，不仅能够对已经出现的故障进行准确定位，还能够对可能出现的故障进行预测，以便于技术人员判断处理。

在实施方式中，可以以24V直流电源对数据采集装置3进行供电，该数据采集装置3可以通过数据电缆线与传感器（例如，加速度传感器1和油液检测传感器2）进行物理连接，并负责为各个传感器提供电力驱动。该数据采集装置3可以支持多种总线协议，包括但不限于CAN总线、MODBUS RTU等。

优选的，本实施例中的数据采集装置3可以采用Linux嵌入式系统，可进行固件版本的更新以及支持软件扩展。数据采集装置3可以内置存储器（例如，512M内存），可以实现对传感器信号进行本地存储。通过内置存储器，例如，可以在通讯故障时保存一周之内的传感器检测信息历史记录。

在图1所示的实施方式中，数据服务器5可以通过风电场现场网络设备4与各个数据采集装置3进行通信。网络设备3可以包括集线器和交换机。通过网络设备3，能够对各个风机内部的数据采集装置3以及风电场服务器端进行组网，可以为组网（例如，以太网中）每台数据采集装置3分配固定的IP地址，可通过服务器端（即，数据服务器5）对每台数据采集装置3进行访问，以执行提取风电机组传感器数据、设置数据采集装置参数以及更新数据采集装置固件版本等操作。在实施方式中，数据采集装置3可以与网络设备4通过双绞线进行物理连接，采用TCP/IP协议进行通信。在不同的实施方式中，数据采集装置5可以自带有线接口或无线发射/接收模块，以通过有线或无线的方式与数据服务器5相互通信。

在优选的实施方式中，数据服务器5还包括：报警装置（未示出），被配置成根据所述报警信号生成并发送报警信息到移动终端；以及服务器端数据库（未示出），被配置成存储从所述数据采集装置3接收的信号。除此之外，通过数据服务器5技术人员可对风机内部的数据采集装置3进行条件化设置，对风机进行差异化管理，因此，数据服务器5还包括人机接口装置（未示出）。

图2是根据本发明实施方式的加速度传感器设置位置示意图。图2中示出了风电机组中的主要传动部件，包括：主轴、齿轮箱以及发电机，各传动部件之间通过联轴器相连。为了对不同传动部件的振动进行检测，本发明实施方式中使用的加速度传感器可以为两轴加速度传感器和/或三轴加速度传感器。在图2中示出了可选的加速度传感器的设置位置和类型。其中，在主轴轴承处、齿轮箱输出轴轴承处以及发电机传动端轴承处可以分别设置一个三轴加速度传感器，在所述齿轮箱的低速级轴承、中间级轴承及内齿圈处和所述发电机非传动端轴承处可以分别设置一个两轴加速度传感器。需要说明的是，加速度传感器的位置和类型可以根据机组实际情况（例如机组结构类型）进行选择。在优选的实施方式中，本发明使用的用于检测传动部件的传感器为对风电机组齿轮箱及主轴轴承进行三轴（即x、y、z）速度及加速度综合数据采集的振动传感器。可以依次将传感器的检测位置编号，例如，图2中测点1-17，以便于数据识别以及后期处理。

在实施方式中，可以根据振动的特性对加速度传感器的类型进行选择。例如，因主轴转动速率较低，因此，在主轴轴承处设置的加速度传感器可以是低频率加速度传感器。传感器的设置位置可以根据机组具体情况进行设置，例如，可以在齿轮箱低速级（例如，行星架轴承处）、箱体中部（例如，对应于内齿圈的顶部）以及后箱体（例如，接中间级箱体处）分别采用了三个两轴加速度传感器，在齿轮箱后部输出轴处采用了一个三轴加速度传感器，在发电机的传动端（例如，接齿轮箱输出轴）的轴承处及非传动端的轴承处分别采用了一个三轴加速度传感器以及一个两轴加速度传感器。通过上述实施方式，采用多个振动传感器可以加强故障诊断的精度。

图3是根据本发明实施方式的油液检测传感器设置方式示意图。如图3所示，根据本发明实施方式的油液检测传感器2可以包括以下至少之一者：所述磨粒传感器103被配置成检测所述润滑油的油液磨粒；所述湿度传感器104被配置成检测所述润滑油的油液湿度；所述品质传感器105被配置成检测所述润滑油的油液品质。在图3所示的实施方式中，待检测的润滑油流经检测管路102，磨粒传感器103、湿度传感器104以及品质传感器105可以以任意顺序串联在检测管路102中。在不同的实施方式中，磨粒传感器103可以是电磁感应式磨粒传感器，也可以是超声波式磨粒传感器。在实施方式中，湿度传感器104和品质传感器105可以直接透过管壁插入安装在检测管路102中。优选地，湿度传感器104和品质传感器105位于检测管路102底部以充分浸入润滑油。在一个实施方式中，数据采集装置3可以经由检测电路101从磨粒传感器103、湿度传感器104以及品质传感器105采集润滑油检测信号。在不同的实施方式中，数据采集装置3可以直接从磨粒传感器103、湿度传感器104以及品质传感器105采集润滑油检测信号，并可以向磨粒传感器103和品质传感器105提供驱动。

图4是根据本发明实施方式的风机状态监控系统数据处理流程示意图。如图4所示，根据本发明实施方式的风机状态监控系统除了能够实时获取传感器的传动部件振动信号和润滑油状态参数信号，服务器端数据库还能够通过执行相应的处理程序以及数据处理过程，实时地对所获取的传感器信号（或数据）进行分析（例如，对振动检测信号进行FFT变换以进行频谱分析，以及对油液磨粒信号进行统计学分析等）。通过分析，能够根据统计学数据确定风电机组齿轮箱及主轴轴承失效部件，为技术人员进行故障判断提供依据。

在实施方式中，数据服务器5还可以被配置成将从所述数据采集装置3接收的信号与预先设置的阈值（例如，振动阈值或润滑油状态参数阈值）进行比较，以及当达到或超过所述阈值时，判断故障部位并生成报警信号。图5是根据本发明实施方式的风机状态监控系统报警流程示意图。如图5所示，在一个示例性实施方式中，当数据服务器5根据数据比较结果判断需要报警时，预先设定的报警程序模块可以将数据服务器5提供的故障信息（例如，故障位置、故障类别等）发送到短信编制模块进行短信编制，而后可以通过GSM发射模块将编制好的包含故障位置及故障类别的报警短信向预设定的移动设备发送，以利于在最短的时间内处理风电机组的故障。

为了充分利用本发明提供的系统的功能，在优选的实施方式中，系统还可以包括远程控制设备，该远程控制设备可以通过网络与所述数据服务器连接，被配置成能够访问所述数据服务器以及控制所述系统运行。例如，可以利用远程控制设备通过互联网与风电场的数据服务器进行连接，可通过远程控制设备对服务器端数据库进行访问，对风电机组监控信息进行提取并根据诊断结果对数据服务器系统进行修改，以及将警报置位等。

在上述实施方式中，数据服务器5可以提供数据分析工具对风电机组检测数据进行进一步的分析，以便对风电机组齿轮箱及主轴轴承的失效阶段和故障部位做出更为准确的判断。在本实施方式中，数据服务器5可通过联网设备通过互联网与远程控制设备（例如，远程客户端）进行通信。例如，通过Web服务器，远程客户端可使用浏览器对风电机组的监控信息进行浏览，并提交诊断信息，或者对风机状态监控系统的参数进行修改。

图6是根据本发明实施方式的风机状态监控方法流程示意图。如图6所示，本发明的实施方式还提供了一种风机状态监控方法，包括：S602，通过传感器检测机组传动部件的振动以及所述机组的齿轮箱润滑油的状态参数；S604，采集来自所述传感器的振动信号和状态参数信号；以及S606，存储并分析所述振动信号和所述状态参数信号以获得监控结果。通过上述技术方案，利用加速度传感器和油液检测传感器对每个机组中各传动部件的振动和润滑油的状态进行实时监控，能够实现准确的故障定位和对可能故障的预测。利用本发明提供的技术方案，不仅能够对已经出现的故障进行准确定位，还能够对可能出现的故障进行预测，以便于技术人员判断处理。

在实施方式中，所述分析所述振动信号和所述状态参数信号的步骤可以包括：将所述振动信号和/或所述状态参数信号与预先设置的阈值进行比较。

在优选的实施方式中，上述方法还可以包括：当所述振动信号和/或所述状态参数信号达到或超过所述阈值时，判断故障部位并生成报警信号；以及将所生成的报警信号无线发送到移动终端。作为举例的报警信号可以包含以下信息中至少之一者：故障风机、故障类型、故障优先级以及故障发生时间。

利用本发明提供的上述系统和方法，通过对风电机组齿轮箱、主轴轴承以及发电机的振动信号及油液数据的综合检测及分析大大的提高了对风电机组故障的诊断精度，性能优越。通过对润滑油油液中的铁磁性及非铁磁性磨粒的检测，并进行统计学分析，可对齿轮箱中的故障部件进行精确定位。通过对齿轮箱及主轴轴承的振动信号的检测及频域分析，可了解各个零件的故障种类及失效形式。通过兼容多种通信方式的数据采集装置3对振动及油液信号进行同时的、实时的采集，保证了对风电机组的实时在线监测。通过网络设备4将整个风场的所有监测设备的所有监测数据发送到数据服务器5，保证了对整个风电场风机状态的统一监测及对所有风机的统一调配。数据服务器的数据库可对风电机组的监控数据进行长期储存，便于技术人员进行查询并能够根据历史数据对风电机组运行状况进行全面的了解。数据服务器可以（例如，通过处理或分析程序）对采集到的数据进行进一步的数理分析，从而对风机的状态有着更深入的了解。建立包括远程监控设备的系统可以保证技术人员可以随时随地的对风电机组的状态做出诊断，大大提高了监测系统的有效性和及时性。通过GSM短信报警可在最短的时间内通知技术人员，对风电机组的故障做出处理，最大程度的避免造成风电场的损失。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种风机状态监控系统，其特征在于，该系统包括：相互通信的数据服务器和多个机组监控设备，其中

每个所述机组监控设备包括：

加速度传感器，设置在机组的传动部件处，被配置成检测所述传动部件的振动；

油液检测传感器，沿所述机组的齿轮箱润滑油路设置，被配置成检测润滑油的状态参数；以及

数据采集装置，被配置成采集来自所述加速度传感器的振动信号和所述油液检测传感器的状态参数信号，以及将所采集的信号输出到所述数据服务器；以及

所述数据服务器，被配置成存储并分析从所述数据采集装置接收的信号，以获得监控结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据服务器还被配置成将从所述数据采集装置接收的信号与预先设置的阈值进行比较，以及当达到或超过所述阈值时，判断故障部位并生成报警信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据服务器还包括：报警装置，被配置成根据所述报警信号生成并发送报警信息到移动终端。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传动部件包括：主轴、齿轮箱以及发电机；以及所述加速度传感器为两轴加速度传感器和/或三轴加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加速度传感器包括：分别设置在主轴轴承处、齿轮箱输出轴轴承处以及发电机传动端轴承处的三轴加速度传感器，以及分别设置在所述齿轮箱箱体上位于低速级轴承处、中间级轴承处及内齿圈顶部和所述发电机非传动端轴承处的两轴加速度传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述油液检测传感器包括以下至少之一者：磨粒传感器、湿度传感器以及品质传感器，其中，

所述磨粒传感器被配置成检测所述润滑油的油液磨粒；

所述湿度传感器被配置成检测所述润滑油的油液湿度；以及

所述品质传感器被配置成检测所述润滑油的油液品质。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据服务器还包括：

服务器端数据库，被配置成存储从所述数据采集装置接收的信号。

8.根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，该系统还包括远程控制设备，该远程控制设备通过网络与所述数据服务器连接，被配置成能够访问所述数据服务器以及控制所述系统运行。

9.一种风机状态监控方法，其特征在于，该方法包括：

通过传感器检测机组传动部件的振动以及所述机组的齿轮箱润滑油的状态参数；

采集来自所述传感器的振动信号和状态参数信号；以及

存储并分析所述振动信号和所述状态参数信号以获得监控结果。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述分析所述振动信号和所述状态参数信号包括：将所述振动信号和/或所述状态参数信号与预先设置的阈值进行比较。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

当所述振动信号和/或所述状态参数信号达到或超过所述阈值时，判断故障部位并生成报警信号；以及

将所生成的报警信号无线发送到移动终端。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述报警信号包含以下信息中至少之一者：故障风机、故障类型、故障优先级以及故障发生时间。

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