CN111878319B - 一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法及系统，在地面距离塔筒壁安全净空值处定一个点，机舱上安装一个带多个激光头的激光测距仪，一个激光头光束打在下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头光束打在下叶尖附近区域，多个激光头作用下，叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点(可形成一个面)，避免由非叶片行为引起的净空误报，测距仪配置一个可见定位激光，用于调节测距仪角度时确定激光所打在的位置，若叶片在安全净空区域运行，测距仪测得的是其与地面激光所打在位置间的距离，若叶片进入非安全净空区域，测距仪测得的是其与叶片下叶尖之间的距离，控制系统会做出判断，报警停机，保证风机运行安全。

Description

一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法及系统。
背景技术
随着技术的发展，风机的叶片越来越长，意味着叶片越来越柔软，在旋转过程中变形非常大，有可能打到塔筒带来危险，因此，有必要实时监控叶片与塔筒之间的距离，即净空距离。
目前行业内用于测量叶片与塔筒净空的做法是在塔筒上靠近叶片下叶尖的位置，沿径向360度布置若干个激光扫描仪，激光扫描仪反复水平扫描，通过实时测量激光与叶片之间的夹角和距离，计算下叶尖与塔筒之间的最小距离。
上述技术存在若干个不足，首先，需要布置若干个激光扫描仪，并且激光扫描仪是带角度和距离测量功能的，价格昂贵；其次，激光扫描仪安装高度为下叶尖高度，距离地面最少20米，安装和维护不方便，费用高；最后，由于激光是不断左右扫描运动的，叶片也是运动的，一个运动的物体去测量另一个运动的物体，要求采样频率很高，并且该方法通过测量激光与叶片之间的夹角和距离，实时计算最小距离，数据量很大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种安全可靠、准确、低成本的基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法及系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法，首先，通过仿真计算，先确定一个风机运行的叶片净空安全值，然后在地面距离风机的塔筒外壁安全净空值处定一个点，接着在风机的机舱上安装一个激光测距仪，该激光测距仪设计有多个激光头，一个激光头的光束打在叶片下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在叶片下叶尖附近区域，由于其测距激光肉眼不可见，调节激光测距仪角度时无法确定激光所打在的位置，所以在激光测距仪内部配置一个可见定位激光，用于调节激光测距仪角度时确定激光所打在的位置，所述可见定位激光与打在下叶尖位置的激光头所发射的激光平行，确保可见定位激光所打在的位置即为打在下叶尖位置的激光头所发射的激光所打在的位置，当可见定位激光打到地面确定好的位置时，固定激光测距仪，即完成激光测距仪的定位，随后即可进行叶片净空自动监测：风机在运行过程中，如果叶片在安全净空区域运行时，则激光测距仪测得的距离是其与地面激光所打在位置之间的距离，如果叶片由于受大风作用而进入非安全净空区域，则激光将打到叶片上，激光测距仪测得的距离会发生变化，此时激光测距仪测得的距离是其与叶片下叶尖之间的距离，控制系统监测到上述变化，会做出判断，报警停机，叶片停止旋转，以保证风机运行安全，并且，在多个激光头的作用下，使得叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报，从而提高净空报警的准确性。
进一步，所述激光测距仪集成有启停逻辑开关、运行状态码和可见激光开关；由于风机在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停逻辑开关来控制激光测距仪的打开和关闭，使得风机在停机和小功率运行状态时，能够通过启停逻辑开关控制激光测距仪自动关机，以延长激光测距仪的使用寿命；所述运行状态码用于反馈激光测距仪是否正常运行，能够实时了解激光测距仪运行情况，遇到数据异常时能够区别到底是因气候环境异常还是监测系统本身故障引起；所述激光测距仪的可见定位激光由可见激光开关控制打开或关闭，在每次调完激光测距仪的角度后将可见定位激光关闭，而后期维护及验证角度偏差时将可见激光开关打开即可。
进一步，所述由非叶片行为引起的净空误报包括飞鸟飞过或空中漂浮物遮挡激光测距仪的激光位置时所触发的净空误报，及雨雪沙尘暴天气引起的净空误报。
一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测系统，包括：
激光测距仪，安装在风机的机舱上，该激光测距仪设计有多个激光头，其中一个激光头的光束打在叶片下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在叶片下叶尖附近区域，在多个激光头的作用下，使得叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报；
净空监测模块，从风机的控制系统读取风机与净空相关的参量，并对读取的参量进行逻辑判断，当读取的参量满足叶片净空监测接入条件时，整个叶片净空自动监测系统将自动切入叶片净空监测模式，所述净空监测模块会控制激光测距仪的启停逻辑开关打开，使激光测距仪处于工作状态，反之，控制激光测距仪的启停逻辑开关继续关闭，这样能够让风机在停机状态和小功率运行不存在净空不安全问题时，激光测距仪不工作，延长激光测距仪的使用寿命；其中，在叶片净空监测模式下，所述净空监测模块实时读取激光测距仪的运行状态码和测距值，并传输给风机的控制系统，在测距值正常情况下，所述控制系统通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，进而再决定是否需要报警停机，当发现测距值数据异常时，所述控制系统通过激光测距仪的运行状态码判断是因为激光测距仪遭遇气候环境异常还是激光测距仪本身出现问题，从而提升整套叶片净空自动监测系统的可靠性，保证风机的安全运行。
进一步，所述激光测距仪内部配置一个可见定位激光，用于调节激光测距仪角度时确定激光所打在的位置，所述可见定位激光与打在下叶尖位置的激光头所发射的激光平行，确保可见定位激光所打在的位置即为打在下叶尖位置的激光头所发射的激光所打在的位置，当可见定位激光打到地面确定好的位置时，固定激光测距仪，即完成激光测距仪的定位。
进一步，所述激光测距仪集成有启停逻辑开关、运行状态码和可见激光开关；由于风机在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停逻辑开关来控制激光测距仪的打开和关闭，使得风机在停机和小功率运行状态时，能够通过启停逻辑开关控制激光测距仪自动关机，以延长激光测距仪的使用寿命；所述运行状态码用于反馈激光测距仪是否正常运行，能够实时了解激光测距仪运行情况，遇到数据异常时能够区别到底是因气候环境异常还是监测系统本身故障引起；所述激光测距仪的可见定位激光由可见激光开关控制打开或关闭，在每次调完激光测距仪的角度后将可见定位激光关闭，而后期维护及验证角度偏差时将可见激光开关打开即可。
进一步，所述参量包括风机的运行状态、功率、风速、风轮转速和桨距角。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用纯测距的激光测距仪，代替昂贵的带角度和距离测量功能的激光扫描仪。
2、只需要安装一个激光测距仪，不论偏航到哪个角度，测量效果都一样，代替若干个激光扫描仪，节省费用。
3、将激光测距仪安装在机舱上，代替安装在塔筒上的方式，降低安装和维护难度。
4、采集到的数据无需二次计算，直接判断即可，减轻采集器的负担。
5、激光测距仪能够输出运行状态码，数据出现异常时能够通过运行状态码识别出是气候环境变化引起还是监测系统引起。
6、采用多个激光头(多光束)的激光测距仪，叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，防止因为飞鸟、漂浮物及雨雪沙尘暴天气引起的数据误报。
7、净空监测对角度定位的准确性要求非常高，激光测距仪内置可见定位激光，保证角度调节的高准确性。
8、激光测距仪加入启停逻辑开关，风机在停机或小功率运行时断开，延长激光测距仪的使用寿命，降低成本。
附图说明
图1为风机叶片净空监测的设备示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，风机的机舱3安装在塔筒6顶部，风机的控制系统2安装在机舱3中，三只叶片4组成的风轮，在吸收风能后顺时针旋转。
本实施例提供了一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测系统，包括激光测距仪1和净空监测模块(图中未画出)。
所述激光测距仪1安装在风机的机舱上，该激光测距仪1设计有多个激光头，能打出多光束，其中一个激光头的光束打在下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在下叶尖附近区域，由于测距激光肉眼不可见，调节激光测距仪1角度时无法确定激光所打在的位置，所以在激光测距仪1内部配置一个可见定位激光，用于调节激光测距仪1角度时确定激光所打在的位置，所述可见定位激光与打在下叶尖位置的激光头所发射的激光平行，确保可见定位激光所打在的位置即为打在下叶尖位置的激光头所发射的激光所打在的位置。
当前行业中使用的激光测距仪为单激光头测距仪，单激光头测距仪只能监测到单光束所打在的位置是否有障碍物，但是无法确定此障碍物是否叶片经过还是因为空中漂浮物、飞鸟飞过或雨雪沙尘暴天气时其它原因引起的，所以有时候会引起净空误报。本系统采用的激光测距仪1设计有多个激光头，由于其中一个激光头的光束打在下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在下叶尖附近区域，因此，每次叶片4进入非安全净空区域都能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片4扫过监测位置时能够监测到一个面，可以通过监测到的该个面与飞鸟飞过或漂浮物遮挡激光测距仪激光位置时所触发的净空误报明显区别开来，也能够与雨雪沙尘暴天气等引起的净空误报明显区别开来。
当前行业内使用的激光测距仪仅仅是简单的输出测距值，对于测距仪本身运行状态、激光所测位置的定位以及何时启动监测等功能都没有。基于这些情况本系统采用的激光测距仪1集成了启停逻辑开关、运行状态码和可见激光开关等功能。由于风机在停机状态和小功率运行时净空较大，不存在净空不安全的问题，加入启停逻辑开关来控制激光测距仪的打开和关闭，使得风机在停机和小功率运行状态时，能够通过启停逻辑开关控制激光测距仪自动关机，如此可以极大延长激光测距仪的使用寿命，降低净空监测的成本。所述运行状态码用于反馈激光测距仪1是否正常运行，如此便可以实时了解激光测距仪1运行情况，遇到数据异常时能够区别到底是因气候环境异常还是监测系统本身故障引起；叶片净空监测对激光测距仪1调节的角度要求特别高，激光测距仪1内置可见定位激光，该可见定位激光由可见激光开关控制打开或关闭，在调整激光测距仪角度时比外部可见激光标识更精确，每次调完角度之后将可见定位激光关闭，后期维护及验证角度偏差将可见激光开关打开即可，相比采用外部的激光笔来调节角度，既节省了大量时间和工作量，同时可更好地提升激光测距仪角度调节的准确性。
所述净空监测模块可以集成到风机的控制系统2中，也可以单独分出来，该净空监测模块主要从风机的控制系统2读取风机与净空相关的参量，包括风机的运行状态、功率、风速、风轮转速和桨距角等，并对读取的这些参量进行逻辑判断，当这些参量满足叶片净空监测接入条件时，整个叶片净空自动监测系统将自动切入叶片净空监测模式，此时净空监测模块会控制激光测距仪1的启停逻辑开关打开，使激光测距仪1处于工作状态，反之，控制激光测距仪1的启停逻辑开关继续关闭，这样能够让风机在停机状态和小功率运行不存在净空不安全问题时，激光测距仪1不工作，如此可以极大延长激光测距仪1的使用寿命，降低净空监测的成本；其中，在叶片净空监测模式下，所述净空监测模块实时读取激光测距仪1的运行状态码和测距值，并传输给风机的控制系统2，在测距值正常情况下，所述控制系统1可通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，进而再决定是否需要报警停机，当发现测距值数据异常时，所述控制系统2可通过激光测距仪1的运行状态码判断是因为激光测距仪遭遇气候环境异常还是激光测距仪本身出现问题，从而提升整套叶片净空自动监测系统的可靠性，保证风机的安全运行。
本实施例也提供了一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法，该方法可以通过上述监测系统实现，其具体情况如下：
首先，通过仿真计算，先确定一个风机运行的叶片净空安全值L1，然后在地面距离塔筒6外壁安全净空值L1处定一个A点，接着在机舱3侧面安装一个上述的激光测距仪1，当该激光测距仪1的可见定位激光打到地面确定好的位置时，即A点，固定激光测距仪1，即完成了激光测距仪1的定位；风机在运行过程中，如果叶片净空在安全净空区域运行时，则激光测距仪1测得的距离是激光测距仪1与地面激光所打在位置之间的距离H1，如果叶片由于受大风作用而进入非安全净空区域，激光5将打到叶片4上，激光测距仪1测得的距离会发生变化，此时激光测距仪1测得的距离是激光测距仪1与叶片下叶尖之间的距离H2，控制系统2监测到上述变化，会做出判断，报警停机，叶片4停止旋转，保证风机运行安全，并且，在多个激光头的作用下，使得叶片4进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片4扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报，即与飞鸟飞过或漂浮物遮挡激光测距仪激光位置时所触发的净空误报明显区别开来，也能够与雨雪沙尘暴天气等引起的净空误报明显区别开来，从而提高净空报警的准确性。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法，其特征在于：首先，通过仿真计算，先确定一个风机运行的叶片净空安全值，然后在地面距离风机的塔筒外壁安全净空值处定一个点，接着在风机的机舱上安装一个激光测距仪，该激光测距仪设计有多个激光头，一个激光头的光束打在叶片下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在叶片下叶尖附近区域，由于其测距激光肉眼不可见，调节激光测距仪角度时无法确定激光所打在的位置，所以在激光测距仪内部配置一个可见定位激光，用于调节激光测距仪角度时确定激光所打在的位置，所述可见定位激光与打在下叶尖位置的激光头所发射的激光平行，确保可见定位激光所打在的位置即为打在下叶尖位置的激光头所发射的激光所打在的位置，当可见定位激光打到地面确定好的位置时，该位置为在地面距离风机的塔筒外壁安全净空值处定的一个点，固定激光测距仪，即完成激光测距仪的定位，随后即可进行叶片净空自动监测：风机在运行过程中，如果叶片在安全净空区域运行时，则激光测距仪测得的距离是其与地面激光所打在位置之间的距离，如果叶片由于受大风作用而进入非安全净空区域，则激光将打到叶片上，激光测距仪测得的距离会发生变化，此时激光测距仪测得的距离是其与叶片下叶尖之间的距离，风机的控制系统监测到上述变化，会做出判断，报警停机，叶片停止旋转，以保证风机运行安全，并且，在多个激光头的作用下，使得叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报，从而提高净空报警的准确性。
2.根据权利要求1所述的一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法，其特征在于：所述激光测距仪集成有启停逻辑开关、运行状态码和可见激光开关；由于风机在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停逻辑开关来控制激光测距仪的打开和关闭，使得风机在停机和小功率运行状态时，能够通过启停逻辑开关控制激光测距仪自动关机，以延长激光测距仪的使用寿命；所述运行状态码用于反馈激光测距仪是否正常运行，能够实时了解激光测距仪运行情况，遇到数据异常时能够区别到底是因气候环境异常还是监测系统本身故障引起；所述激光测距仪的可见定位激光由可见激光开关控制打开或关闭，在每次调完激光测距仪的角度后将可见定位激光关闭，而后期维护及验证角度偏差时将可见激光开关打开即可。
3.根据权利要求1所述的一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法，其特征在于：所述由非叶片行为引起的净空误报包括飞鸟飞过或空中漂浮物遮挡激光测距仪的激光位置时所触发的净空误报，及雨雪沙尘暴天气引起的净空误报。
4.一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测系统，其特征在于，包括：
激光测距仪，安装在风机的机舱上，该激光测距仪设计有多个激光头，其中一个激光头的光束打在叶片下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在叶片下叶尖附近区域，在多个激光头的作用下，使得叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报；
净空监测模块，从风机的控制系统读取风机与净空相关的参量，并对读取的参量进行逻辑判断，当读取的参量满足叶片净空监测接入条件时，整个叶片净空自动监测系统将自动切入叶片净空监测模式，所述净空监测模块会控制激光测距仪的启停逻辑开关打开，使激光测距仪处于工作状态，反之，控制激光测距仪的启停逻辑开关继续关闭，这样能够让风机在停机状态和小功率运行不存在净空不安全问题时，激光测距仪不工作，延长激光测距仪的使用寿命；其中，在叶片净空监测模式下，所述净空监测模块实时读取激光测距仪的运行状态码和测距值，并传输给风机的控制系统，在测距值正常情况下，所述控制系统通过测距值判断叶片是运行在安全净空区域还是非安全净空区域，进而再决定是否需要报警停机，当发现测距值数据异常时，所述控制系统通过激光测距仪的运行状态码判断是因为激光测距仪遭遇气候环境异常还是激光测距仪本身出现问题，从而提升整套叶片净空自动监测系统的可靠性，保证风机的安全运行。
5.根据权利要求4所述的一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测系统，其特征在于：所述激光测距仪内部配置一个可见定位激光，用于调节激光测距仪角度时确定激光所打在的位置，所述可见定位激光与打在叶片下叶尖位置的激光头所发射的激光平行，确保可见定位激光所打在的位置即为打在下叶尖位置的激光头所发射的激光所打在的位置，当可见定位激光打到地面确定好的位置时，该位置为在地面距离风机的塔筒外壁安全净空值处定的一个点，固定激光测距仪，即完成激光测距仪的定位。
6.根据权利要求5所述的一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测系统，其特征在于：所述激光测距仪集成有启停逻辑开关、运行状态码和可见激光开关；由于风机在停机状态和小功率运行时净空大，不存在净空不安全的问题，加入启停逻辑开关来控制激光测距仪的打开和关闭，使得风机在停机和小功率运行状态时，能够通过启停逻辑开关控制激光测距仪自动关机，以延长激光测距仪的使用寿命；所述运行状态码用于反馈激光测距仪是否正常运行，能够实时了解激光测距仪运行情况，遇到数据异常时能够区别到底是因气候环境异常还是监测系统本身故障引起；所述激光测距仪的可见定位激光由可见激光开关控制打开或关闭，在每次调完激光测距仪的角度后将可见定位激光关闭，而后期维护及验证角度偏差时将可见激光开关打开即可。
7.根据权利要求4所述的一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测系统，其特征在于：所述参量包括风机的运行状态、功率、风速、风轮转速和桨距角。
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