CN104092997A - 一种风力发电机组叶片监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力发电机组叶片监测系统及方法，该系统包括摄像头、以太网连接设备、工控机、串行接口转网络服务器、带有多模光纤接口的网络交换机、带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机、带有单模光纤接口的网络交换机、服务器端计算机和客户端计算机。在风力发电机组工作过程中，服务器端计算机接收到开启摄像头拍照的指令时，服务器端计算机将开启摄像头拍照的指令传输至工控机，工控机控制摄像头开启，摄像头对风力发电机组叶片进行拍照，工控机将图像通过串行通讯方式传输至客户端计算机，根据显示的图像，判断风力发电机组叶片是否存在损坏情况。本发明实现了远程自动监测，降低了维护成本，减小了工作人员工作中的危险性。
Description
技术领域
[0001] 本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组叶片监测系统及方 法。
背景技术：
[0002] 风力发电机组叶片一般由复合材料制造，具有良好的力学稳定性、化学稳定性以 及电稳定性。由于叶片长期连续运行，且风力发电机组一般安装于环境恶劣地区，风力发电 机组叶片长时间受到风沙、雨水、雷击、紫外线以及温差等因素的影响，叶片损伤难以避免。
[0003] 风力发电机组叶片上小的损伤如果没有被及时发现并进行专业修复，将导致裂纹 延伸至叶尖，造成大面积的开裂，不得不进行大型修补或者返厂处理，给风力发电场业主带 来重大经济损失。
[0004] 风力发电机组叶片外部损伤可在地面上通过肉眼或望远镜进行检查，而叶片内部 损伤目前只能依靠人员进入叶片内部进行检查。风力发电场一般位于偏远地区，交通不便， 环境恶劣；工作人员需利用爬梯进入机舱，通过轮毂进入叶片内部进行检查，危险性高；叶 片内部空间狭窄、结构复杂，灰尘、有害气体等对人体有很大伤害，冬夏两季气温人体难以 承受。综上所述，人工对叶片内部进行检查，工作量大，危险性高，效率低。
[0005] 由于叶片和轮毂为风力发电机组的旋转部分，变桨柜与机舱柜之间的供电及通讯 采用滑环的连接方式。考虑到维护等后续工作，通常预留少量冗余线路，由于滑环的更换及 增加滑环通道非常复杂，因此外接设备必须尽可能节约滑环资源。
[0006] 常规的图像监测设备，如通过同轴电缆传输的模拟信号监控摄像头，虽然只占用 两条通讯线路，但清晰度很难满足要求，而且只能传输单个摄像头的画面，无法覆盖多个监 测区域；而通过以太网线传输的数字信号监控摄像头，至少需要四条通讯线路才能够实现， 过多占用了滑环资源。另一方面，一旦实现了图像监测，每个风力发电场部署有数十台风力 发电机组，每个风力发电机组需部署若干监控摄像头，每次监测均会产生大量的图像数据。 可以预想，人工检查图像将是一个枯燥繁重的工作。因此必须尽可能对图像处理，提高图像 辨识度，以辅助检查，减轻人工检查工作量。
[0007] 随着清洁能源产业的快速发展，风力发电机组在全国各地大量部署，风力发电机 组的维护问题逐渐凸显。叶片内部检测是风力发电机组维护的重要环节，而现有技术尚未 提出能够实现高效、远程、自动监测的解决方案。
发明内容
[0008] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种风力发电机组叶片监测系统及方法。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] 一种风力发电机组叶片监测系统，包括摄像头、以太网连接设备、工控机、串行接 口转网络服务器、带有多模光纤接口的网络交换机、带有单模光纤接口和多模光纤接口的 网络交换机、带有单模光纤接口的网络交换机、服务器端计算机和客户端计算机； toon] 摄像头有多个，分别安装于风力发电机组叶片内部易发生故障位置，以太网连接 设备和工控机安装于风力发电机组轮毂内，串行接口转网络服务器和带有多模光纤接口的 网络交换机安装于风力发电机组机舱内，带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机 安装于风力发电机组塔底，带有单模光纤接口的网络交换机和服务器端计算机位于风力发 电场的中控室；
[0012] 各摄像头通过以太网线连接以太网连接设备，以太网连接设备通过以太网线连接 工控机，工控机通过串行总线连接串行接口转网络服务器，串行接口转网络服务器通过以 太网线连接带有多模光纤接口的网络交换机，带有多模光纤接口的网络交换机通过多模光 纤连接带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机，带有单模光纤接口和多模光纤接 口的网络交换机通过单模光纤连接带有单模光纤接口的网络交换机，带有单模光纤接口的 网络交换机通过以太网线连接服务端计算机，客户端计算机通过互联网与服务端计算机进 行通讯。
[0013] 摄像头采用以太网接口的数字信号摄像头。
[0014] 以太网连接设备采用工业以太网交换机或工业以太网路由器。
[0015] 工控机采用无风扇、固态硬盘、提供RS485串行接口 /CAN总线接口和以太网接口 的工控机。
[0016] 串行接口转网络服务器采用RS485串行接口或CAN总线接口转以太网接口服务 器。
[0017] 工控机与串行接口转网络服务器之间的串行总线通过风力发电机组轮毂的变桨 柜与风力发电机组机舱的机舱柜时，仅占用轮毂与机舱之间的两根滑环线路。
[0018] 工控机通过串行总线与串行接口转网络服务器连接，形成半双工模式、带宽小于 等于1Mbps的通讯线路。
[0019] 风力发电机组叶片监测系统进行风力发电机组叶片监测的方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤1 :在风力发电机组工作过程中，当客户端计算机向服务器端计算机发送手 动拍照指令或当前时间达到客户端计算机设定的自动拍照时间时，服务器端计算机将开启 摄像头拍照的指令经以太网线传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输 至带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有多模光纤接 口的网络交换机，再经以太网线传输至串行接口转网络服务器，再经串行总线传输至工控 机；
[0021] 步骤2 :工控机根据接收到的开启摄像头的指令，控制摄像头开启；
[0022] 步骤3 :各摄像头分别对风力发电机组叶片内部易发生故障位置进行拍照；
[0023] 步骤4 :摄像头将拍照获得的图像经以太网线传输至以太网连接设备，再经以太 网线传输至工控机；
[0024] 步骤5 :工控机对接收的图像进行压缩处理；
[0025] 步骤6 :当服务器端计算机等待至指定时间，服务器端计算机将获取图像指令经 以太网线传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口 和多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有多模光纤接口的网络交换机，再 经以太网线传输至串行接口转网络服务器，再经串行总线传输至工控机；
[0026] 步骤7 :工控机根据接收到的获取图像指令，判断图像压缩是否完成，是则执行步 骤8,否则工控机将继续等待信息经串行总线传输至网络串行服务器，再经以太网线传输至 带有多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有单模光纤接口和多模光纤接口 的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经以太网线传输 至服务器端计算机，然后返回步骤5 ;
[0027] 步骤8 :工控机将压缩完成的图像经串行总线传输至网络串行服务器，再经以太 网线传输至带有多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有单模光纤接口和多 模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经以 太网线传输至服务器端计算机；
[0028] 步骤9 :服务器端计算机验证接收的图像是否完整，若是，执行步骤10,否则返回 步骤8 ;
[0029] 步骤10 :服务器端计算机对压缩的图像进行图像处理并保存，图像处理包括图像 锐化和边缘检测；
[0030] 步骤11 :服务器端计算机将处理后的图像发送至客户端计算机，客户端计算机显 示图像；
[0031] 步骤12 :根据客户端计算机显示的图像，判断风力发电机组叶片监控部位是否存 在损坏情况。
[0032] 本发明的有益效果是：本发明实现了远程自动监测，减少了工作人员实地监测产 生的巨大成本及劳动量，降低了维护成本，减小了工作人员工作中的危险性；实验证明，摄 像头拍摄的图像的识别率不低于人工监测的效果，并且具有实时性，工作效率明显高于人 工监测。工控机与串行接口转网络服务器之间采用串行总线进行通讯，并且串行总线通过 风力发电机组轮毂的变桨柜与风力发电机组机舱的机舱柜时，仅占用轮毂至机舱之间的两 根滑环线路，占用通道少，提高了抗干扰性，避免了更换和增加滑环通道带来的麻烦。数据 在风力发电机组机舱和塔底通过多模光纤和单模光纤进行传输，实现了远距离的数据传 输，提高了可实现性。
附图说明
[0033] 图1为本发明一种风力发电机组叶片监测系统的结构图；
[0034] 其中，1-摄像头，2-以太网连接设备，3-工控机，4-串行接口转网络服务器，5-带 有多模光纤接口的网络交换机，6-带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机，7-带 有单模光纤接口的网络交换机，8-服务器端计算机，9-客户端计算机；
[0035] 图2为本发明一种风力发电机组叶片监测方法的流程图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明，如图1所示。
[0037] 一种风力发电机组叶片监测系统，包括摄像头1、以太网连接设备2、工控机3、串 行接口转网络服务器4、带有多模光纤接口的网络交换机5、带有单模光纤接口和多模光纤 接口的网络交换机6、带有单模光纤接口的网络交换机7、服务器端计算机8和客户端计算 机9。
[0038] 本实施方式中，三个摄像头1分别安装于风力发电机组三个叶片内部易发生故障 位置，例如风力发电机组叶片最大弦长处，本实施方式中，某43米型号风力发电机组叶片 的最大弦长处为距其风力发电机组叶片根部10米处，此处易产生褶皱或裂痕，以太网连接 设备2和工控机3安装于风力发电机组轮毂内，串行接口转网络服务器4和带有多模光纤 接口的网络交换机5安装于风力发电机组机舱内，带有单模光纤接口和多模光纤接口的网 络交换机6安装于风力发电机组塔底，带有单模光纤接口的网络交换机7和服务器端计算 机8位于风力发电场的中控室。
[0039] 摄像头1通过以太网线连接以太网连接设备2,以太网连接设备2通过以太网线连 接工控机3,工控机3通过串行总线连接串行接口转网络服务器4,串行接口转网络服务器 4通过以太网线连接带有多模光纤接口的网络交换机5,带有多模光纤接口的网络交换机5 通过多模光纤连接带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机6,带有单模光纤接口 和多模光纤接口的网络交换机6通过单模光纤连接带有带有单模光纤接口的网络交换机 7,带有单模光纤接口的网络交换机7通过以太网线连接服务端计算机8,客户端计算机8通 过互联网与服务端计算机9进行通讯。
[0040] 摄像头1采用以太网接口的数字信号摄像头，本实施方式中选用DS-2⑶2332-1型 号摄像头。
[0041] 以太网连接设备2采用工业以太网交换机或工业以太网路由器，本实施方式中选 用EKI-2528/I型号以太网交换机。
[0042] 工控机3采用无风扇、固态硬盘、提供RS485串行接口 /CAN总线接口和以太网接 口的工控机，本实施方式中选用ITA-1610型号工控机。
[0043] 串行接口转网络服务器4采用RS485串行接口或CAN总线接口转以太网接口服务 器，本实施方式中选用EKI-1521型号RS485网络服务器。
[0044] 工控机3与串行接口转网络服务器4之间的通讯选用RS485或CAN通讯接口，本 实施方式选用的串行总线为RS485总线，RS485总线通过风力发电机组轮毂的变桨柜与风 力发电机组机舱的机舱柜时，仅占用轮毂与机舱之间的两根滑环线路。
[0045] 工控机3通过串行总线与串行接口转网络服务器4连接，形成半双工模式、带宽小 于等于1Mbps的通讯线路。
[0046] 本实施方式中带有多模光纤接口的网络交换机5选用EDS-316-MM-SC型号带有多 模光纤接口的以太网交换机。
[0047] 本实施方式中带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机6选用 EDS-316-MS-SC-80型号带有单模光纤接口和多模光纤接口的以太网交换机。
[0048] 本实施方式中带有单模光纤接口的网络交换机7选用EDS-316-SS-SC-80型号带 有单模光纤接口的以太网交换机。
[0049] 服务器端计算机8采用主流配置的商用台式计算机或服务器，本实施方式中，选 用610H型号计算机。
[0050] 本实施方式中客户端计算机9可以采用通过互联网访问服务器端计算机8数据的 设备，可以选用计算机、平板电脑、智能手机等。
[0051] 风力发电机组叶片监测系统进行风力发电机组叶片监测的方法，如图2所示，包 括以下步骤：
[0052] 步骤1 :在风力发电机组工作过程中，当客户端计算机向服务器端计算机发送手 动拍照指令或当前时间达到客户端计算机设定的自动拍照时间时，服务器端计算机将开启 摄像头拍照的指令经以太网线传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输 至带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有多模光纤接 口的网络交换机，再经以太网线传输至串行接口转网络服务器，再经串行总线传输至工控 机。
[0053] 步骤2 :工控机根据接收到的开启摄像头的指令，控制摄像头开启。
[0054] 步骤3 :各摄像头分别对风力发电机组叶片内部易发生故障位置进行拍照。
[0055] 步骤4:摄像头将拍照获得的图像经以太网线传输至以太网连接设备，再经以太 网线传输至工控机。
[0056] 步骤5 :工控机对接收的图像进行压缩处理。
[0057] 摄像头拍照得到的单幅原始图像尺寸（一般在2-5MB左右）相比于通讯线路所能 提供的带宽过于庞大，需要数分钟甚至数十分钟才能完成传输，工控机使用JPEG格式进行 图像压缩，将单幅图像压缩至500K以下，相应的传输时间减少到一分钟以内。
[0058] 步骤6 :当服务器端计算机等待至指定时间，服务器端计算机将获取图像指令经 以太网线传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口 和多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有多模光纤接口的网络交换机，再 经以太网线传输至串行接口转网络服务器，再经串行总线传输至工控机。
[0059] 步骤7 :工控机根据接收到的获取图像指令，判断图像压缩是否完成，是则执行步 骤8,否则工控机将继续等待信息经串行总线传输至网络串行服务器，再经以太网线传输至 带有多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有单模光纤接口和多模光纤接口 的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经以太网线传输 至服务器端计算机，然后返回步骤5。
[0060] 工控机与服务器端计算机之间的串行总线通讯为半双工模式，因此将工控机作为 通讯的从端、服务器端计算机作为通讯的主端，需要判断工控机的图像压缩处理是否完成。
[0061] 步骤8 :工控机将压缩完成的图像经串行总线传输至网络串行服务器，再经以太 网线传输至带有多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有单模光纤接口和多 模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经以 太网线传输至服务器端计算机。
[0062] 工控机将压缩完成的图像传输至服务器端计算机的过程中将图像以网络数据包 的形式进行传输。
[0063] 步骤9 :服务器端计算机验证接收的图像是否完整，若是，执行步骤10,否则返回 步骤8。
[0064] 以从端工控机静默超过指定时间作为工控机图像传输的结束符，来判定传输的图 像是否完整。
[0065] 步骤10 :服务器端计算机对压缩的图像进行图像处理并保存，图像处理包括图像 锐化和边缘检测。
[0066] 由于风力发电机叶片内部光照条件的限制及检测对象材质的原因，采集到的图像 对比度不够理想，细节不够明显，为提高检测准确率，服务器端计算机采用了图像锐化、边 缘检测的图像处理，本实施方式中，图像锐化采用了 Laplace算法，边缘检测采用了 Canny 算法。
[0067] 步骤11 :服务器端计算机将处理后的图像发送至客户端计算机，客户端计算机显 示图像。
[0068] 步骤12 :根据客户端计算机显示的图像，判断风力发电机组叶片监控部位是否存 在损坏情况，如裂纹、褶皱等。
Claims (8)
1. 一种风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，包括摄像头、以太网连接设备、工控 机、串行接口转网络服务器、带有多模光纤接口的网络交换机、带有单模光纤接口和多模 光纤接口的网络交换机、带有单模光纤接口的网络交换机、服务器端计算机和客户端计算 机； 摄像头有多个，分别安装于风力发电机组叶片内部易发生故障位置，以太网连接设备 和工控机安装于风力发电机组轮毂内，串行接口转网络服务器和带有多模光纤接口的网络 交换机安装于风力发电机组机舱内，带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机安装 于风力发电机组塔底，带有单模光纤接口的网络交换机和服务器端计算机位于风力发电场 的中控室； 各摄像头通过以太网线连接以太网连接设备，以太网连接设备通过以太网线连接工控 机，工控机通过串行总线连接串行接口转网络服务器，串行接口转网络服务器通过以太网 线连接带有多模光纤接口的网络交换机，带有多模光纤接口的网络交换机通过多模光纤连 接带有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机，带有单模光纤接口和多模光纤接口的 网络交换机通过单模光纤连接带有单模光纤接口的网络交换机，带有单模光纤接口的网络 交换机通过以太网线连接服务端计算机，客户端计算机通过互联网与服务端计算机进行通 讯。
2. 根据权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，所述的摄像头采 用以太网接口的数字信号摄像头。
3. 根据权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，所述的以太网连 接设备采用工业以太网交换机或工业以太网路由器。
4. 根据权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，所述的工控机采 用无风扇、固态硬盘、提供RS485串行接口 /CAN总线接口和以太网接口的工控机。
5. 根据权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，所述的串行接口 转网络服务器采用RS485串行接口或CAN总线接口转以太网接口服务器。
6. 根据权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，所述的工控机与 串行接口转网络服务器之间的串行总线通过风力发电机组轮毂的变桨柜与风力发电机组 机舱的机舱柜时，仅占用轮毂与机舱之间的两根滑环线路。
7. 根据权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统，其特征在于，所述的工控机通 过串行总线与串行接口转网络服务器连接，形成半双工模式、带宽小于等于1Mbps的通讯 线路。
8. 利用权利要求1所述的风力发电机组叶片监测系统进行风力发电机组叶片监测的 方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :在风力发电机组工作过程中，当客户端计算机向服务器端计算机发送手动拍 照指令或当前时间达到客户端计算机设定的自动拍照时间时，服务器端计算机将开启摄像 头拍照的指令经以太网线传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带 有单模光纤接口和多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有多模光纤接口的 网络交换机，再经以太网线传输至串行接口转网络服务器，再经串行总线传输至工控机； 步骤2 :工控机根据接收到的开启摄像头的指令，控制摄像头开启； 步骤3 :各摄像头分别对风力发电机组叶片内部易发生故障位置进行拍照； 步骤4:摄像头将拍照获得的图像经以太网线传输至以太网连接设备，再经以太网线 传输至工控机； 步骤5 :工控机对接收的图像进行压缩处理； 步骤6:当服务器端计算机等待至指定时间，服务器端计算机将获取图像指令经以太 网线传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口和多 模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有多模光纤接口的网络交换机，再经以 太网线传输至串行接口转网络服务器，再经串行总线传输至工控机； 步骤7 :工控机根据接收到的获取图像指令，判断图像压缩是否完成，是则执行步骤8， 否则工控机将继续等待信息经串行总线传输至网络串行服务器，再经以太网线传输至带有 多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有单模光纤接口和多模光纤接口的网 络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经以太网线传输至服 务器端计算机，然后返回步骤5 ; 步骤8 :工控机将压缩完成的图像经串行总线传输至网络串行服务器，再经以太网线 传输至带有多模光纤接口的网络交换机，再经多模光纤传输至带有单模光纤接口和多模光 纤接口的网络交换机，再经单模光纤传输至带有单模光纤接口的网络交换机，再经以太网 线传输至服务器端计算机； 步骤9 :服务器端计算机验证接收的图像是否完整，若是，执行步骤10,否则返回步骤 8 ； 步骤10 :服务器端计算机对压缩的图像进行图像处理并保存，图像处理包括图像锐化 和边缘检测； 步骤11 :服务器端计算机将处理后的图像发送至客户端计算机，客户端计算机显示图 像； 步骤12 :根据客户端计算机显示的图像，判断风力发电机组叶片监控部位是否存在损 坏情况。
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