CN114412730A - 一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风机发电技术领域，尤其涉及一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，包括：监测模块，用于通过若干种传感器监测风机叶片实时在线状态的多种物理量数据；传输模块，用于将监测的物理量数据传输至光纤解调仪；光纤解调仪，用于接收传输的物理量数据，并进行解调和数据分析；主控模块与风机叶片的变桨控制柜通过传输模块连接，控制模块用于根据光纤解调仪信号向变桨控制柜发送控制信号。本发明通过使用若干种传感器进行实时在线状态监测，使用成本降低，还能够根据相关监测结果对风机叶片进行相应的调控。

Description

一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统

技术领域

本发明属于风机发电技术领域，尤其涉及一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统。

背景技术

风机叶片，是风力发电机的核心部件之一，其基本结构包括叶片、叶根、叶尖、前缘以及后缘，风机叶片在高空、全天候条件下工作，承受的载荷较大，运行环境恶劣，风吹、日晒、雨淋、雷击以及腐蚀等时刻对风机叶片进行侵蚀或者对其寿命造成影响，通常风机叶片的损伤包括：(1)表面磨砂，形成砂眼；(2)叶片裂纹和开裂；(3)叶片材料碳化；此外，风机叶片的好坏直接关系到风力发电机的性能以及收益，因此，风机叶片的维修和维护及其重要。

现有技术的针对风机叶片的在线状态监测和故障诊断所使用的技术方法为包括由运维人员定期巡检、无人机巡检或者通过声波采集设备对叶片运行期间的声波信号进行采集，运维人员通过定期巡检，使用望远镜检查叶片表面是否存在异常，该方式往往由现场人员的个人经验判断，容易造成巡检误差，并且无法发现早期的细微裂横；无人机巡检的操作较为复杂，技术门槛较高，并且需要停机巡检，受到风力影响较大，难以达到预期效果；声波采集设备通过放置在离风力发电机的塔筒3-5米处，通过200KHz高频域声波信号采集器，对叶片运行期间的声波信号进行采集，从而可以快速采集到损伤叶片的扫风异常，虽然该方式轻便易操作，相较于运维人员定期巡检和无人机巡检更有利，但是该方法使用时不能连接风力发电机的相关控制系统，需要由工作人员针对采集结果手动调整控制系统，例如变桨控制柜等，并且声波采集设备使用成本较高，第一在于购买成本和维护成本，第二在于声波采集设备属于短期使用设备，若要监测长期处于运行状态的风机叶片的损伤状态，需要长期开启声波采集设备，运行成本较高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，以解决现有技术中的监测设备成本较高的问题。

本发明提供的基础方案：一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，包括监测模块、传输模块、光纤解调仪以及主控模块，其中：

所述监测模块用于通过若干种传感器监测风机叶片实时在线状态的多种物理量数据；

所述传输模块用于将监测的物理量数据传输至光纤解调仪；

所述光纤解调仪用于接收传输的物理量数据，并进行解调和数据分析；

所述主控模块与风机叶片的变桨控制柜通过传输模块连接，所述控制模块用于根据光纤解调仪信号向变桨控制柜发送控制信号。

本发明的原理及优点在于：在现有相关技术所使用的风机叶片监测技术中，通过声波采集设备是一种较为常见的，声波采集设备采集风机叶片运行期间的声波信号，进而分析风机叶片的损伤状态，但是该方式存在使用成本较高的问题。

因此，为解决现有相关技术中存在的问题，本发明所使用的一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，首先若干种传感器监测风机叶片的物理量数据，通过传感器对风机叶片进行监测，传感器的购买成本较低，并且传感器中的光纤传感器系统具有本质安全、不受电磁干扰、抗雷击、耐腐蚀、使用寿命长以及组网简便且复用能力强的优点；传输模块将监测结果传输至光纤解调仪中进行数据解调和数据分析，从而得到光纤解调仪的解调结果，传输模块又将解调结果传输至主控模块，因为主控模块与风机的变桨控制柜通过传输模块连接，因此主控模块可根据光纤解调仪的信号控制变桨控制柜从而进行变桨策略控制，使得系统具备独立诊断能力，能够实时反馈数据指标以及实现针对识别故障做出相应的控制策略。

本发明的优点在于，(1)使用传感器进行风机叶片的在线状态监测，其中光纤传感器系统使用成本相对声波采集设备较低，并且具有本质安全、不受电磁干扰、抗雷击、耐腐蚀、使用寿命长以及组网简便且复用能力强的优点；(2)诊断的结果通过传输模块进行通讯连接，使得主控模块能够通过控制命令控制风机的变桨控制柜，从而实现自动控制过程。

进一步，所述监测模块包括应力监测模块、振动监测模块和雷击监测模块，所述应力监测模块用于对风机叶片进行叶片载荷监测、叶片-塔架净空监测以及叶片合模缝开裂监测；所述振动监测模块用于对风机叶片进行雷击损伤监测、结冰及覆冰厚度监测、叶片损伤监测以及气动不平衡监测；所述雷击监测模块用于监测风机叶片受雷击时的雷电流信号。

有益效果：通过不同的监测模块监测风机叶片的多种物理量数据，包括叶片载荷监测、叶片-塔架净空监测、叶片合模缝开裂监测、雷击损伤监测、结冰及覆冰厚度监测、叶片损伤监测、气动不平衡监测以及雷电流信号，保证能够完整监测到风机叶片运行时的参数数据。

进一步，所述应力监测模块分别设置在距离风机叶片根部1.8m的圆周截面处、风机叶片中部和风机叶片叶尖处以及风机叶片的过渡段合模缝处；所述振动监测模块设置在位于风机叶片距离叶根1/3处；所述雷击监测模块设置在风机叶片根部。

有益效果：将应力监测模块设置在距离风机叶片根部1.8m的圆周截面处、风机叶片中部和风机叶片叶尖处以及风机叶片的过渡段合模缝处，能够监测到风机叶片的驱动载荷，将振动监测模块设置在位于风机叶片距离叶根1/3处，能够通过频谱数据分析叶片的损伤或者缺陷程度，将雷击监测模块设置在位于风机叶片根部，能够收集到风机叶片在运行期间的雷电流信号。

进一步，所述监测模块还包括无人机巡检模块，所述无人机巡检模块用于通过无人机对风机叶片进行停机巡检。

有益效果：无人机巡检能够做到在风机停机时进行相关的巡检，使得风机叶片能够实现全方面的监测。

进一步，所述传输模块包括有线传输模块和无线传输模块，所述有线传输模块为接口总线，所述无线传输模块包括4G网络模块、5G网络模块、WIFI模块以及蓝牙模块中的一种。

有益效果：传输模块设置为有线和无线两种，能够满足用户的不同需求。

进一步，所述主控模块还设有警报模块，所述主控模块还用于接收到光纤解调仪信号中存在异常或者故障时，控制警报模块发出警报。

有益效果：警报模块能够起到警示的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的功能框图；

图2为本发明实施例中传感器在风机叶片上的分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例基本如附图1所示：一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，包括监测模块、传输模块、光纤解调仪以及主控模块，其中：

监测模块用于通过若干种传感器监测风机叶片实时在线状态的多种物理量数据；

传输模块用于将监测的物理量数据传输至光纤解调仪；

光纤解调仪用于接收传输的物理量数据，并进行解调和数据分析；

主控模块与风机叶片的变桨控制柜通过传输模块连接，控制模块用于根据光纤解调仪信号向变桨控制柜发送控制信号

如图2所示，在本实施例中，针对若干种传感器和多种物理量数据具体为：

监测模块包括应力监测模块、振动监测模块、雷击监测模块以及无人机巡检模块，应力监测模块用于对风机叶片进行叶片载荷监测、叶片-塔架净空监测以及叶片合模缝开裂监测，在本实施例中，应力监测模块为传感器，具体为，(1)叶片载荷监测：将多只传感器粘贴于距离叶片根部1.8m的横截面上，其中横截面为圆形截面，在本实施例中，选择4只光纤应变传感器按照90°均匀分布粘贴在叶片根部1.8m的圆周截面上，因此，当风机运行时，光纤应变传感器监测获取风机叶片的载荷应变值，通过传输模块将载荷应变值传输至光纤解调仪进行解调和分析计算，实现对风机叶片驱动载荷的监测。(2)叶片-塔架净空监测：将多只传感器粘贴在风机叶片的中部及叶片尖处，对叶片的变形进行实时监测，通过传输模块将监测数据传输至光纤解调仪进行解调和分析计算，计算出叶片的弯曲变形量，从而判断叶片变形是否过大，是否有扫塔的风险，在本实施例中，在叶片尖处设置3个光纤应变传感器，叶片中部截面处和叶片最大弦长截面处分别设置2个光纤应变传感器。(3)叶片合模缝开裂监测：将多只传感器粘贴于风机叶片最易出现开裂的过渡段合模缝处，监测该处的合模缝开裂的应变值，通过传输模块将应变值传输至光纤解调仪进行解调和计算分析，实现合模缝开裂的判断，在本实施例中，选择一只光纤应变传感器，该光纤应变传感器位于风机叶片的过渡段。

综上所述，应力监测模块所选择的传感器类型为光纤应变传感器，光纤应变传感器采用的是光纤光栅原理，在承受应力的状态下，根据结构发生形变引起光纤光栅发生应变，光纤中反射光的中心波长发生变化，中心波长的变化量与应力呈线性关系，因此通过检测波长的变化量，实现测量应变值的目的，此外，光纤应变传感相比传统电学测量具有本质安全、不受电磁干扰、抗雷击、耐腐蚀、使用寿命长、组网简便且复用能力强等优点，因此，使用光纤应变传感器监测风机叶片的应变值可以很好的达到应力监测的目的；在本实施例中，所采用的光纤应变传感器的型号为FS62PSS贴片应变传感器。

振动监测模块用于对风机叶片进行雷击损伤监测、结冰及覆冰厚度监测、叶片损伤监测以及气动不平衡监测，在本实施例中，振动监测模块同样为传感器，具体为，将传感器安装于风机叶片上距离叶根1/3处，获得风机叶片的振动频谱数据，通过传输模块将振动频谱数据传输至光纤解调仪进行解调和分析计算，判断叶片雷击损伤程度分析，结冰及覆冰重量分析、合模缝开裂、叶尖脱落、层间开裂等以及气动不平衡，实现对叶片损伤或者缺陷的判断。其中，所使用的传感器为光纤MEMS振动传感器，光纤MEMS振动传感器是一种双向宽频带加速度传感器，非光纤光栅式，它将加速度检测质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导直接集成在一个微小的芯片上，真正实现了对加速度信号的全光检测，具有探头和传输线路不供电、抗电磁干扰、动态范围大、体积小巧、无疲劳和退化部件、可远距离光信号传输等诸多优点，在本实施例中所使用的光纤MEMS振动传感器的型号为BA-MA100D1。

雷击监测模块用于监测风机叶片受雷击时的雷电流信号，在本实施例中，雷击监测模块为雷电监测传感器，具体为，将雷电监测传感器通过永久性磁铁安装在风机叶片根部，能够实时、准确的感应到风力发电机叶片遭受雷击时的雷电流信号，通过传输模块将雷电流信号传输至光纤解调仪进行解调和分析，其中，雷电流信号包括雷击发生时间、次数、雷电流峰值、极性等，此外，雷击监测模块内还设有存储模块，存储模块用于存储雷电流信号，存储模块的数据记录阈值达到1000条，在本实施例中，所述的存储模块为具备断电保护的存储器，能够实现长时间监测避免数据丢失；此外，雷电监测传感器的工作参数可由用户自行定义，包括触发阈值，温度采集时间间隔以及自检时间间隔等参数，其中雷电监测传感器采用非接触式高精度暂态电流传感器，信号响应频带宽，能有效感应雷电信号，评估雷电防护设施的效果，为风机所在的区域进行防雷设计和改造提供依据。

无人机巡检模块用于通过无人机对风机叶片进行停机巡检；具体为，首先巡检工作人员将无人机移动到需要检查的风机附近，并做好准备工作，工作人员设定好需要巡检的目标风机后，通过后台软件自动规划无人机航线，无人机自动飞出作业；接着工作人员指示无人机拍摄风机叶片的照片，获取风机叶片的物理量数据，最后通过传输模块将该数据传输至光纤解调仪进行计算分析，生成详细的工作报告。

此外，在本实施例中，传输模块包括有线传输模块和无线传输模块，光纤解调仪上设有总线接口或军工标准接口，支持CAN、Kline、Ethernet、R485等通讯协议，因此，监测模块与光纤解调仪之间的传输模块为有线传输模块；主控模块为光纤解调仪的内部控制模块，主控模块通过无线传输模块与风机的变桨控制柜进行通讯连接，用于将监测到的异常信息及故障信息生成控制信号传输至风机的变桨控制系统，从而达到相应的策略控制，主控模块在本实施例中采用单片机，具体为STM32单片机；无线传输模块包括4G网络模块、5G网络模块、WIFI模块以及蓝牙模块中的一种，在本实施例中所使用的无线传输模块为4G网络模块。

主控模块还设有警报模块，主控模块还用于接收到故障诊断结果中的异常或者故障时，控制警报模块发出警报，在本实施例中，警报模块为蜂鸣器或者警示灯。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，其特征在于：包括监测模块、传输模块、光纤解调仪以及主控模块，其中：

所述监测模块用于通过若干种传感器监测风机叶片实时在线状态的多种物理量数据；

所述传输模块用于将监测的物理量数据传输至光纤解调仪；

所述光纤解调仪用于接收传输的物理量数据，并进行解调和数据分析；

所述主控模块与风机叶片的变桨控制柜通过传输模块连接，所述控制模块用于根据光纤解调仪信号向变桨控制柜发送控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，其特征在于：所述监测模块包括应力监测模块、振动监测模块和雷击监测模块，所述应力监测模块用于对风机叶片进行叶片载荷监测、叶片-塔架净空监测以及叶片合模缝开裂监测；所述振动监测模块用于对风机叶片进行雷击损伤监测、结冰及覆冰厚度监测、叶片损伤监测以及气动不平衡监测；所述雷击监测模块用于监测风机叶片受雷击时的雷电流信号。

3.根据权利要求2所述的一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，其特征在于：所述应力监测模块分别设置在距离风机叶片根部1.8m的圆周截面处、风机叶片中部和风机叶片叶尖处以及风机叶片的过渡段合模缝处；所述振动监测模块设置在位于风机叶片距离叶根1/3处；所述雷击监测模块设置在风机叶片根部。

4.根据权利要求3所述的一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，其特征在于：所述监测模块还包括无人机巡检模块，所述无人机巡检模块用于通过无人机对风机叶片进行停机巡检。

5.根据权利要求4所述的一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，其特征在于：所述传输模块包括有线传输模块和无线传输模块，所述有线传输模块为接口总线，所述无线传输模块包括4G网络模块、5G网络模块、WIFI模块以及蓝牙模块中的一种。

6.根据权利要求5所述的一种风机叶片在线状态及故障诊断监测的智慧传感器系统，其特征在于：所述主控模块还设有警报模块，所述主控模块还用于接收到光纤解调仪信号中存在异常或者故障时，控制警报模块发出警报。

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