CN111787091A - 一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法及系统，包括，采集模块采集叶片声发射和振动参数数据；将采集到的数据通过无线通信模块发送至处理模块；处理模块对数据进行处理并发送至监控模块；用户通过监控模块获取风机状况。本发明的有益效果：本发明能够使操作人员不受时间、空间限制，随时随地对设备进行监测与控制。不仅减轻了设备管理人员的操作负荷，而且在操作的安全性上提升到了一个更高的层次，具有较好的应用性。

Description

一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及风机叶片监测的技术领域，尤其涉及一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法及系统。

背景技术

近年来，能源危机和环境问题成为了当今人类生存和发展所面临着的巨大威胁。在替代火力发电的新型能源中，以空气流动作为能量来源的风力发电具有清洁无污染且可以被持续利用的特点，凭借其对环保的突出贡献及在自然界的巨大能量储备，积极加以开发利用，将对我国社会发展、经济建设、国防建设具有十分重要的意义。

风力发电是将叶片转动时的动能通过传动装置转化为机械能，再通过电机等装置转化为电能。其中，风力机叶片部位不仅是整个风力发电机机组中最为昂贵的核心部件，同时其强度和刚度决定了风电机组工作性能的优劣。由于在风机正常工作时叶片部位承受主要风力载荷，所处工作环境一般比较恶劣，通常承受复杂的随机变幅载荷作用，很容易发生疲劳破坏，从而导致风轮乃至整个风电机组失效停机。特别是叶根处承受的载荷很大，是叶片中最脆弱的部位，叶片在工作过程中，叶根连接处主要受到剪切、挤压或胶接剪切等力的作用，导致叶根处易产生损伤。

对风机叶片进行健康监测是叶片优化设计、载荷分析，早期故障预测、降低维护成本、提高发电效率及风机健康状态大数据分析的有效手段。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的一个技术问题是：提供一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，能够对叶片状况进行监测和预测。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，包括，采集模块采集叶片声发射和振动参数数据；将采集到的数据通过无线通信模块发送至处理模块；处理模块对数据进行处理并发送至监控模块；用户通过监控模块获取风机状况。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述采集模块设置于单个叶片上，包括声发射传感器、应变片和加速度传感器。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述无线通信模块的数据发送还包括，采集到的数据通过Zigbee终端节点发送至路由节点；通过多级Zigbee路由节点转发至协调器节点；协调器节点与处理模块相连接并传送数据。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述无线通信模块与处理模块通过串口通信方式进行数据传输，且所述无线通信模块能够外接GSM模块。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述处理模块判断风机叶片振动参数是否超出阈值，并在超出时通过监控模块发出报警。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述处理模块和监控模块之间通过串口通信或以太网通信。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述监控模块通过C/S与B/S相结合的CB/S模式实现。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的一种优选方案，其中：所述监控模块包括以下作用，客户端通过Web服务器发送请求信息至数据库服务器；数据库服务器根据相应的数据处理逻辑从数据库中取得数据，并将响应信息发送至Web服务器；Web服务器对响应信息进行业务逻辑处理并发送至客户端。

本发明解决的另一个技术问题是：提供一种基于无线物联网的风机叶片状态监测系统，使上述方法能够依托于该系统实现。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于无线物联网的风机叶片状态监测系统，包括，采集模块，所述采集模块为能够采集叶片数据的传感器，包括声发射传感器、应变片和加速度传感器；无线通信模块，所述无线通信模块用于信息的传输；处理模块，所述处理模块能够对采集模块采集到的数据进行处理；监控模块，所述监控模块能够获取风机状况并提供给用户随时查看，且能够结合当前气候状况对风机的控制策略进行优化。

作为本发明所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测系统的一种优选方案，其中：所述无线通信模块还包括终端节点、路由节点和协调器节点；所述监控模块还包括客户端、数据库服务器和Web服务器。

本发明的有益效果：本发明提供的风机叶片状态监测方案能够使操作人员不受时间、空间限制，随时随地对设备进行监测与控制。不仅减轻了设备管理人员的操作负荷，而且在操作的安全性上提升到了一个更高的层次，在某种程度上弥补了传统模式的缺陷，具有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一种实施例所述基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的整体流程示意图；

图2为本发明第一种实施例中所述采集模块和无线通信模块部分节点在风机塔筒的位置示意图；

图3为本发明第一种实施例中所述处理模块与其它设备的连接示意图；

图4为本发明第二种实施例所述基于无线物联网的风机叶片状态监测系统的整体结构示意图；

图5为本发明第二种实施例所述监控模块对用户请求的处理流程示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1的示意，为本实施例提供的一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法的整体流程示意图。

具体的，本实施例提供的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，包括，

S1：采集模块100采集叶片声发射和振动参数数据。其中，采集模块100设置于单个叶片上，包括声发射传感器、应变片和加速度传感器。

具体的，采集模块100主要运行在单片机平台下，风电叶片复合材料中的纤维断裂、基体开裂、分层、脱黏等都是重要的声发射源，这些结构缺陷的扩展特征可以用采集到的声发射信号的幅度、能量、振铃累计数、持续时间、电压有效值和上升时间等声发射特征参量以及时频特征来描述，进而研究叶片的复合材料的损伤破坏过程，预测复合材料的最大承载能力，确定其薄弱区域。

在叶片从微观裂纹到宏观裂纹的演变过程中，有声发射信号产生，设置在叶片表面的采集模块100的声发射传感器会采集到这一信号，声发射信号经过前置放大器放大，并通过数据采集卡进行A/D转换后传输至处理模块300。

S2：将采集到的数据通过无线通信模块200发送至处理模块300。参照图2，无线通信模块200可以为Zigbee模块，其节点布置可以参照图2的示意。

具体的，所述无线通信模块200的数据发送还包括，

S2-1：采集到的数据通过Zigbee终端节点201发送至路由节点202；其中，终端节点201和采集模块100相连接，路由节点202可以设置在风机的塔筒上。

S2-2：通过多级Zigbee路由节点202转发至协调器节点203；其中，协调器节点203可以设置在风机的塔筒底部。

S2-3：协调器节点203与处理模块300相连接并传送数据。其中，协调器节点203的主要任务是建立一个网络、设置网络的基本环境参数、管理无线传感器网络中的其它节点和存储其它节点的网络信息，它可以与处理模块300直接连接，并将接收到的数据通过串口传输到处理模块300上。协调器节点203的工作量较大，因此功耗也大，通常采用直流电对其供电。

S3：处理模块300对数据进行处理并发送至监控模块400。其中，处理模块300可以为STM32系列的微控制器，本实施例中选用STM32F407微控制器，

具体的，无线通信模块200与处理模块300通过串口通信方式进行数据传输，且无线通信模块200能够外接GSM模块。

参照图3，处理模块300对接收到的采集数据进行处理后发送给监控模块400，可添加报警程序，在风机叶片振动参数超出阈值时，产生报警信息。发送给电脑，或通过GSM模块，发送到远程用户手机上进行提示。本领域技术人员应当理解的是，风机叶片振动参数的阈值通常由工作人员根据实际情况进行设定。

S4：用户通过监控模块400获取风机状况。其中，处理模块300和监控模块400之间通过串口通信或以太网通信。

具体的，监控模块400通过C/S与B/S相结合的CB/S模式实现，可实时获取各个风机的振动、应变参数，使得工作人员随时了解风机叶片的状况。结合当前气候状况，可以对风机的控制策略进行优化。监控模块400可以将各个设备的工作状态、系统报警信息、系统操作记录等情况反馈给用户，同时可通过屏幕等显示设备进行显示，使用户随时掌握风机叶片的运行状况，用户根据风机叶片的当前运行状况，进行定速定浆距控制、定速变浆距控制、变速定浆距控制、变速变浆距控制等策略优化工作，或根据目标需求进行综合优化。

监控模块400的工作还包括，

客户端401通过Web服务器403发送请求信息至数据库服务器402；其中，客户端401主要负责用户界面的显示和事物逻辑的处理，客户端401是用户和监控模块400进行交互的界面，用户可以通过客户端401进行操作并对风机的控制策略等进行设置，Web服务器403负责事物处理逻辑，并将客户端401的请求发送至数据库服务器402。

数据库服务器402根据相应的数据处理逻辑从数据库中取得数据，并将响应信息发送至Web服务器403；其中，数据库服务器402内包括数据库，根据请求信息和数据处理逻辑的结果，从数据库中获取对应的数据。

Web服务器403对响应信息进行业务逻辑处理并发送至客户端401。其中，Web服务器403负责响应信息的业务逻辑处理，并将处理后的信息发送至客户端401，客户端401接收并显示到用户界面，完成人机交互。

场景一：

目前使用的传统风机叶片监测方法是采用无线组网，将采集信息无线传输到监控中心的较少；而本实施例的监测方法不仅包括无线组网，还包括了信息采集后的无线传输模块，能够将采集信息无线传输到监控中心。

本实例提供的监测方法能够通过对页面控件的简单操作，根据相关约束条件方便地启停相应设备、更改设备运行参数，以及在设备出现故障时实现报警、排错的功能，使操作人员不受时间、空间限制，能够随时随地对设备进行监测与控制，该方法不仅减轻了设备管理人员的操作负荷，而且在操作的安全性上提升到了一个更高的层次，包括减轻设备管理人员的操作负荷，减少设备管理人员前往风机现场的时间，同时减少危险操作、电磁环境工作的时间，在某种程度上弥补了传统模式的缺陷，因此拥有很好的应用前景。本实施例提出的监测方法和传统方法的对比如下表1所示，

表1：本实施例方法和传统方法各项对比表

实施例2

参照图4的示意，为本实施例提供的一种基于无线物联网的风机叶片状态监测系统的整体结构示意图，上述实施例提出的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法能够基于该系统实现。该基于无线物联网的风机叶片状态监测系统包括采集模块100、无线通信模块200、处理模块300和监控模块400，其中，采集模块100为能够采集叶片数据的传感器，包括声发射传感器、应变片和加速度传感器；无线通信模块200用于信息的传输；处理模块300能够对采集模块100采集到的数据进行处理；监控模块400能够获取风机状况并提供给用户随时查看，且能够结合当前气候状况对风机的控制策略进行优化

具体的，无线通信模块200可以为Zigbee模块，该系统的无线通信模块200包括终端节点201、路由节点202和协调器节点203，终端节点201用于接收采集模块100采集到的数据，并传输到设置于风机塔筒中部的路由节点202以待远程传输，最终汇集在协调器节点203，协调器节点203通常设置于风机塔筒底部，与监控模块400相连接。协调器节点203的主要任务是建立一个网络、设置网络的基本环境参数、管理无线传感器网络中的其它节点和存储其它节点的网络信息，协调器节点203可以与处理模块300直接连接，将接收到的数据通过串口传输到处理模块300上。协调器节点203的工作量比较大，功耗大，通常采用直流电对其供电。

无线通信模块200中单节点的寿命关系到整个模块的生存周期，某些关键节点的能耗甚至决定着整个Zigbee网络的生存周期。若在数据传输的过程中，频繁使用同一条路径，会造成该路径上的节点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个网络分割成互不相连的孤立部分，缩短整个网络的生存周期。而该系统需要对风机叶片进行长期有效的监测，因此在该系统中Zigbee无线网络节点在数据发送期间峰值电流为29mA，在数据接收期间峰值电流为24mA，将传感器的工作电流估算在内，总电流约为70mA，且采集方式为定时或触发采集，存在休眠期。据此估算系统功耗，选取3.6-4.2V合适容量的锂电池即可保证无线传感网络工作数月之久。基于实际应用中的转换效率、市场份额和成本的综合考虑，选用单晶硅太阳能电池。为避免锂电池过充损坏，需实时检测充电电压和电流；为避免锂电池过放电，设计放电保护电路，监测放电电压。

处理模块300为微控制器，本实施例中选用STM32系列的STM32F407微控制器，能够与无线通信模块200通过串口连接，与PC机通过以太网或串口进行通信，也可以外接GSM模块，与手机直接通讯，不受距离的限制。

监控模块400是该系统的核心模块，能够实时获取各个风机的振动、应变参数，使得用户随时了解风机现状。结合当前气候状况，可以对风机的控制策略进行优化。监控模块400能够将各个设备的工作状态、系统报警信息、系统操作记录等情况反馈给用户，同时可显示在显示模块中显示风机叶片的监测状况，监控模块400包括计算机、显示屏幕或GMS设备，使用户通过监控中心的屏幕或随身携带的手机，随时查看风机叶片的当前状况，并及时做出处理。参照图5的示意，与用户发生交互的为监控模块400的客户端401，客户端401能够通过Web服务器403发送请求信息至数据库服务器402；数据库服务器402根据相应的数据处理逻辑从数据库中取得数据，并将响应信息发送至Web服务器403；Web服务器403再对响应信息进行业务逻辑处理并发送至客户端401。其中，Web服务器403负责响应信息的业务逻辑处理，并将处理后的信息发送至客户端401，客户端401接收并显示到用户界面，完成人机交互。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：包括，

采集模块(100)采集叶片声发射和振动参数数据；

将采集到的数据通过无线通信模块(200)发送至处理模块(300)；

处理模块(300)对数据进行处理并发送至监控模块(400)；

用户通过监控模块(400)获取风机状况。

2.如权利要求1所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述采集模块(100)设置于单个叶片上，包括声发射传感器、应变片和加速度传感器。

3.如权利要求1或2所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述无线通信模块(200)的数据发送还包括，

采集到的数据通过Zigbee终端节点(201)发送至路由节点(202)；

通过多级Zigbee路由节点(202)转发至协调器节点(203)；

协调器节点(203)与处理模块(300)相连接并传送数据。

4.如权利要求3所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述无线通信模块(200)与处理模块(300)通过串口通信方式进行数据传输，且所述无线通信模块(200)能够外接GSM模块。

5.如权利要求4所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述处理模块(300)判断风机叶片振动参数是否超出阈值，并在超出时通过监控模块(400)发出报警。

6.如权利要求4或5所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述处理模块(300)和监控模块(400)之间通过串口通信或以太网通信。

7.如权利要求6所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述监控模块(400)通过C/S与B/S相结合的CB/S模式实现。

8.如权利要求7所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测方法，其特征在于：所述监控模块(400)包括以下作用，

客户端(401)通过Web服务器(403)发送请求信息至数据库服务器(402)；数据库服务器(402)根据相应的数据处理逻辑从数据库中取得数据，并将响应信息发送至Web服务器(403)；

Web服务器(403)对响应信息进行业务逻辑处理并发送至客户端(401)。

9.一种基于无线物联网的风机叶片状态监测系统，其特征在于：包括，

采集模块(100)，所述采集模块(100)为能够采集叶片数据的传感器，包括声发射传感器、应变片和加速度传感器；

无线通信模块(200)，所述无线通信模块(200)用于信息的传输；

处理模块(300)，所述处理模块(300)能够对采集模块(100)采集到的数据进行处理；

监控模块(400)，所述监控模块(400)能够获取风机状况并提供给用户随时查看，且能够结合当前气候状况对风机的控制策略进行优化。

10.如权利要求9所述的基于无线物联网的风机叶片状态监测系统，其特征在于：所述无线通信模块(200)还包括终端节点(201)、路由节点(202)和协调器节点(203)；

所述监控模块(400)还包括客户端(401)、数据库服务器(402)和Web服务器(403)。

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