CN116292146B - 一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统及方法，塔筒安全诊断系统包括数据采集模块、数据传输模块、云端平台、安全诊断模块。数据采集模块包括数据采集单元，4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4，风力传感器SV，风向传感器SD。数据采集单元采集到的数据通过数据传输模块发送到云端平台，云端平台通过消息队列将数据转发给安全诊断模块。安全诊断模根据塔筒ID查询对应的预警基础数据表和沉降数据记录表判断风能塔筒的安全情况。本发明能够得出更为详细的安全诊断结果，克服了现有监测系统的诊断结果对塔筒维护、维修指导性不强的缺陷。

Description

一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及风电塔筒健康监测和安全诊断领域，尤其涉及一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统及方法。

背景技术

近年来，我国风电产业发展迅速，风电机组装机总量持续稳定增长，然而风机在运行过程中产生的安全问题也越来越突出。作为风电机组的支撑系统，塔筒是风电机组容易损坏的部分。风机塔筒、塔筒法兰及螺栓质量不合格，风机基础发生不均匀沉降，或者塔筒连接螺栓力矩值达不到要求，均会导致塔筒产生一定的倾斜，使塔筒发生形变，导致损坏、倒塌，造成经济损失，甚至人员伤亡。因此，获取风机塔筒倾斜度对风电机组故障诊断、维护维修、加固设计等十分重要。

现有技术采用在线监测系统实时采集塔筒的倾角、加速度等参数信息，经过计算，得出塔筒倾斜或晃动的幅度超过阈值时，然后发出报警信息。然而，造成塔筒倾斜的原因可能涉及多种因素，如果能够监测较多的造成塔筒倾斜的因素，对故障原因能够详细诊断，对后续的维护、抢修工作具有更强的指导意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统及方法。为实现以上目的，提供以下技术方案：

一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据传输模块、云端平台、安全诊断模块；

数据采集模块包括数据采集单元，4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4，风速传感器SV和风向传感器SD；TS1安装于塔基的基础环上，TS2、TS3、TS4分别安装于塔筒底段、中段、顶段每一段的塔筒内壁顶部，风速传感器和风向传感器安装于塔筒顶部；数据采集单元采集到的数据通过数据传输模块发送到云端平台，云端平台通过消息队列将数据转发给安全诊断模块；

安全诊断模块用于故障诊断，根据塔筒ID查询预警基础数据表和沉降数据记录表判断风能塔筒的安全情况，所述预警基础数据表是一个二维数据表，包括风级、风向、第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值；其中第一阈值为塔基的倾角阈值、第二倾角阈值为塔筒底段的倾角阈值、第三倾角阈值为塔筒中段的倾角阈值、第四倾角阈值为塔筒顶段的倾角阈值。

作为本发明的进一步改进方案，所述4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4，风速传感器SV，风向传感器SD和数据采集单元通过ZigBee、或Lora局域组网。

作为本发明的进一步改进方案，数据传输模块包括数据转换模块和数据发送模块，数据转换模块将数据采集单元的数据转换为4G信号，经由4G网络发送到云端平台。

作为本发明的进一步改进方案，所述安全诊断模块还包括沉降数据记录表，沉降数据记录表的字段包括塔筒ID、倾角日均值、倾角日增量、日期；其中，倾角日均值一天内接收到倾角传感器TS1的数据的平均值，倾角日增量为当天的倾角日均值与前一天的倾角日均量之差；

当塔基的倾角日均值大于第一倾角阈值或者连续三天的倾角日增量均大于0时，输出塔基沉降报警信息。

作为本发明的进一步改进方案，如果塔筒底段的倾角数据大于第二倾角阈值，输出塔筒底段法兰松动报警信息；

如果塔筒底段的倾角数据正常，而塔筒中段的倾角数据大于第三倾角阈值时，输出塔筒中段法兰松动报警信息；

如果塔筒底段和中段的倾角数据正常，而塔筒顶段的倾角数据大于塔第四角阈值时，输出塔筒顶段法兰松动报警信息。

作为本发明的进一步改进方案，所述4个倾角传感器均采用基于MEMS技术的高精度倾角传感器，测量精度达到0.001度。

作为本发明的进一步改进方案，预警基础数据表中的风级至少包括13个等级；预警基础数据表中的风向至少包括8个风向。

作为本发明的进一步改进方案，预警基础数据表中的第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值的初始值是根据仿真软件计算得到的。

本发明还公开了一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断方法，其特征在于，

步骤1、采集4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4的数据S1、S2、S3、S4，以及风速和风向数据，通过4G网络传输到云端平台；TS1安装于塔基的基础环上，TS2、TS3、TS4分别安装于塔筒底段、中段、顶段每一段的塔筒内壁顶部，风速传感器和风向传感器安装于塔筒顶部；

步骤2、获得塔筒ID，根据内置的风速转换表、风向转换表，对采集的风速和风向数据进行转换，得到风级WL和风向WD，根据塔筒ID、风级WL和风向WD查询预警基础数据表T1，得到第二倾角阈值TH2、第三倾角阈值TH3和第四倾角阈值TH4；

步骤3、根据塔筒ID和S1更新沉降数据记录表T2中当天的倾角日均值、倾角日增量；沉降数据记录表T2的字段包括塔筒ID、倾角日均值、倾角日增量、日期；其中，倾角日均值是一天内接收到的倾角传感器TS1的数据的平均值，倾角日增量为当天的倾角日均值与前一天的倾角日均量之差；

步骤4、根据塔筒ID和当天日期查询沉降数据记录表T2，得到倾角日均值和倾角日增量；

步骤5、故障诊断，输出故障诊断结果；

故障诊断结果包括：当塔基的倾角日均值大于TH1或者连续三天的倾角日增量均大于0时，输出塔基沉降报警信息。

作为本发明的进一步改进方案，所述故障诊断结果还包括：

如果S2大于TH2，输出塔筒底段法兰松动报警信息；

如果S2小于等于TH2，并且S3大于TH3，输出塔筒中段法兰松动报警信息；

如果S2小于等于TH2，并且S3小于等于TH3，并且S4大于TH4，输出塔筒顶段法兰松动报警信息。

本发明的有益效果为：

1.采用4个倾角传感器测量塔基、塔筒底端、塔筒中段、塔筒顶段的倾角数据，对造成塔筒倾斜的多种因素进行监测，能够得出更为详细的安全诊断结果；

2.预警基础数据表对根据风速、风向对倾角传感器的倾角阈值进行了更为详细的划分，根据不同风速等级、主风方向、垂直主风方向等因素设置不同的倾角阈值，能够得出更为准确的安全诊断结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1是本发明的塔筒结构与传感器布置示意图；

图2是本发明的使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统的结构示意图；

图3是本发明的风向划分示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

常见的风机塔筒一般由3-4段塔筒构成，且3段塔筒最为常见，为了表述方便，以3段塔筒为例描述本发明的技术方案。图1是本发明的塔筒结构与传感器布置示意图，塔筒分为底段、中段、顶段三部分。将倾角传感器TS1安装于塔基的基础环上，用于监测塔筒基础的不均匀沉降。一般来说，塔基沉降是一个缓慢的过程，因而需要采用高精度、高灵敏度的传感器，本发明使用的倾角传感器均采用基于MEMS技术，测量精度达到0.001度。一般来说，塔基主风方向产生沉降的可能性较大，因而一般将倾角传感器安装于塔基的基础环的主风方向上。并且，在塔筒连接部位较为容易产生塔筒最大应力，因而在塔筒底段、中段、顶段每一段的塔筒内壁顶部分别安装倾角传感器TS2、TS3、TS4。

如图2所示，本发明的使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统的结构示意图，包括数据采集模块、数据传输模块、云端平台、安全诊断模块。

数据采集模块包括数据采集单元，4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4，风速传感器SV和风向传感器SD。数据采集单元采集到的数据通过数据传输模块发送到云端平台，云端平台通过消息队列将数据转发给安全诊断模块。消息队列能够实现流量控制、异步处理等功能，是构建高可用、高可靠性软件系统的重要组成部分。消息队列可以采用Rabbit、Kafka等，本发明不作具体限制。

所述4个倾角传感器、风速传感器、风向传感器和数据采集单元通过ZigBee、或Lora技术局域组网。数据传输模块包括数据转换模块和数据发送模块，数据转换模块将数据采集单元的数据转换为4G信号，经由4G网络发送到云端平台。当然，如果条件允许，也可以通过5G网络发送到云端平台。

安全诊断模块用于故障诊断，根据塔筒ID查询预警基础数据表和沉降数据记录表判断风能塔筒的安全情况，预警基础数据表是一个二维数据表，包括风级、风向、第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值。其中第一阈值为塔基的倾角阈值、第二倾角阈值为塔筒底段的倾角阈值、第三倾角阈值为塔筒中段的倾角阈值、第四倾角阈值为塔筒顶段的倾角阈值。

安全诊断模块还包括风速转换模块和风向转换模块，用于对风速、风向进行转换。风速转换模块包括风速转换表，如表1所示。

表1风速转换表

风向转换模块包括风向转换表，如表2所示。风向划分可以如图3所示，划分为8个方向，也可以划分为16个方向，本发明不做具体限制。

风向(度)	风向
		0-22.5	北
22.6-67.5	东北
		67.6-112.5	东
112.6-157.5	东南
		157.6-202.5	南
202.6-247.5	西南
		247.6-292.5	西
292.6-337.5	西北
		337.6-359.9	北

根据转换后的风速、风向数据和塔筒ID查询预警基础数据表，得到对应的第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值。

预警基础数据表对根据风速、风向对倾角传感器TS2、TS3、TS4的倾角阈值进行了更为详细的划分，根据不同风速等级、风向等因素设置不同的倾角阈值，能够得出更为准确的安全诊断结果。

安全诊断模块中的沉降数据记录表的字段包括塔筒ID、倾角日均值、倾角日增量、日期。其中，倾角日均值一天内接收到的安装于塔基的基础环上的倾角传感器的数据的平均值，倾角日增量为当天的倾角日均值与前一天的倾角日均量之差。安全诊断模块还包括一个沉降倾角记录表，用来记录安装于塔基的基础环上的倾角传感器每次上传的数据，每次接收到数据后，计算一次当天的倾角日均值，以及倾角日增量。根据塔筒ID和当天日期查询沉降数据记录表T2，得到倾角日均值和倾角日增量。

安全诊断模块的诊断逻辑包括：

逻辑1：若果塔基的倾角日均值大于第一倾角阈值或者连续三天的倾角日增量均大于0时，输出塔基沉降报警信息。

逻辑2：如果塔筒底段的倾角数据大于第二倾角阈值，输出塔筒底段法兰松动报警信息。

逻辑3：如果塔筒底段的倾角数据正常，而塔筒中段的倾角数据大于第三倾角阈值时，输出塔筒中段法兰松动报警信息。

逻辑4：如果塔筒底段和中段的倾角数据正常，而塔筒顶段的倾角数据大于塔第四角阈值时，输出塔筒顶段法兰松动报警信息。

优选地，输出的信息还包括风速，风向，以及4个倾角传感器的数据。

第一倾角阈值的大小可以根据沉降允许范围的相关国家标准进行设定，也可以根据实际需要进行设定，本发明不做具体限定。

第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值可以通过软件仿真获得，例如可以使用ABAQUS/CAE提供的仿真平台计算塔筒各段在不同风速情况下的形变和水平位移量，结合塔筒各段的高度，计算得到第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值。使用ABAQUS/CAE提供的仿真平台对混凝土、各种材料进行受力分析，属于本领域成熟解决方案，在此不再赘述。

实施例2

本发明还公开了一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、采集4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4的数据S1、S2、S3、S4，以及风速和风向数据，通过4G网络传输到云端平台；TS1安装于塔基的基础环上，TS2、TS3、TS4分别安装于塔筒底段、中段、顶段每一段的塔筒内壁顶部，风速传感器和风向传感器安装于塔筒顶部；

步骤2、获得塔筒ID，根据内置的风速转换表、风向转换表，对采集的风速和风向数据进行转换，得到风级WL和风向WD，根据塔筒ID、风级WL和风向WD查询预警基础数据表T1，得到第二倾角阈值TH2、第三倾角阈值TH3和第四倾角阈值TH4；

步骤3、根据塔筒ID和S1更新沉降数据记录表T2中当天的倾角日均值、倾角日增量；沉降数据记录表T2的字段包括塔筒ID、倾角日均值、倾角日增量、日期；其中，倾角日均值是一天内接收到的倾角传感器TS1的数据的平均值，倾角日增量为当天的倾角日均值与前一天的倾角日均量之差；

步骤4、根据塔筒ID、S1和当天日期查询沉降数据记录表T2，得到倾角日均值和倾角日增量

步骤5、故障诊断，输出故障诊断结果；

故障诊断结果包括：当塔基的倾角日均值大于TH1或者连续三天的倾角日增量均大于0时，输出塔基沉降报警信息。

其中，步骤5中的输出故障诊断结果包括：

如果S2大于TH2，输出塔筒底段法兰松动报警信息；

如果S2小于等于TH2，并且S3大于TH3，输出塔筒中段法兰松动报警信息；

如果S2小于等于TH2，并且S3小于等于TH3，并且S4大于TH4，输出塔筒顶段法兰松动报警信息。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据传输模块、云端平台、安全诊断模块；

数据采集模块包括数据采集单元，4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4，风速传感器SV和风向传感器SD；TS1安装于塔基的基础环上，TS2、TS3、TS4分别安装于塔筒底段、中段、顶段每一段的塔筒内壁顶部，风速传感器和风向传感器安装于塔筒顶部；数据采集单元采集到的数据通过数据传输模块发送到云端平台，云端平台通过消息队列将数据转发给安全诊断模块；其中，消息队列采用kafka；

安全诊断模块用于故障诊断，根据塔筒ID查询预警基础数据表和沉降数据记录表判断风能塔筒的安全情况，所述预警基础数据表是一个二维数据表，包括塔筒ID、风级、风向、第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值，根据不同风速等级、风向因素设置不同的倾角阈值；其中第一阈值为塔基的倾角阈值、第二倾角阈值为塔筒底段的倾角阈值、第三倾角阈值为塔筒中段的倾角阈值、第四倾角阈值为塔筒顶段的倾角阈值；

所述安全诊断模块还包括沉降数据记录表，沉降数据记录表的字段包括塔筒ID、倾角日均值、倾角日增量、日期；其中，倾角日均值一天内接收到倾角传感器TS1的数据的平均值，倾角日增量为当天的倾角日均值与前一天的倾角日均量之差；

当塔基的倾角日均值大于第一倾角阈值或者连续三天的倾角日增量均大于0时，输出塔基沉降报警信息；

如果塔筒底段的倾角数据大于第二倾角阈值，输出塔筒底段法兰松动报警信息；

如果塔筒底段的倾角数据正常，而塔筒中段的倾角数据大于第三倾角阈值时，输出塔筒中段法兰松动报警信息；

如果塔筒底段和中段的倾角数据正常，而塔筒顶段的倾角数据大于塔第四角阈值时，输出塔筒顶段法兰松动报警信息；

其中，根据沉降允许范围的相关国家标准进行设定第一倾角阈值的大小，预警基础数据表中的第二倾角阈值、第三倾角阈值和第四倾角阈值的初始值是根据仿真软件计算得到的。

2.根据权利要求1所述的一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统，其特征在于，

所述4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4，风速传感器SV，风向传感器SD和数据采集单元通过ZigBee、或Lora局域组网。

3.根据权利要求2所述的一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统，其特征在于，

数据传输模块包括数据转换模块和数据发送模块，数据转换模块将数据采集单元的数据转换为4G信号，经由4G网络发送到云端平台。

4.根据权利要求1所述的一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统，其特征在于，

所述4个倾角传感器均采用基于MEMS技术的高精度倾角传感器，测量精度达到0.001度。

5.根据权利要求1所述的一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断系统，其特征在于，

预警基础数据表中的风级至少包括13个等级；预警基础数据表中的风向至少包括8个风向。

6.一种使用倾角传感器的塔筒安全诊断方法，应用于如权利要求1-5所述的塔筒安全诊断系统，其特征在于，

步骤1、采集4个倾角传感器TS1、TS2、TS3、TS4的数据S1、S2、S3、S4，以及风速和风向数据，通过4G网络传输到云端平台；TS1安装于塔基的基础环上，TS2、TS3、TS4分别安装于塔筒底段、中段、顶段每一段的塔筒内壁顶部，风速传感器和风向传感器安装于塔筒顶部；

步骤2、获得塔筒ID，根据内置的风速转换表、风向转换表，对采集的风速和风向数据进行转换，得到风级WL和风向WD，根据塔筒ID、风级WL和风向WD查询预警基础数据表T1，得到第二倾角阈值TH2、第三倾角阈值TH3和第四倾角阈值TH4；其中，通过软件仿真获得TH2、TH3和TH4；

步骤3、根据塔筒ID和S1更新沉降数据记录表T2中当天的倾角日均值、倾角日增量；沉降数据记录表T2的字段包括塔筒ID、倾角日均值、倾角日增量、日期；其中，倾角日均值是一天内接收到的倾角传感器TS1的数据的平均值，倾角日增量为当天的倾角日均值与前一天的倾角日均量之差；

步骤4、根据塔筒ID和当天日期查询沉降数据记录表T2，得到倾角日均值和倾角日增量；

步骤5、故障诊断，输出故障诊断结果；

故障诊断结果包括：当塔基的倾角日均值大于TH1或者连续三天的倾角日增量均大于0时，输出塔基沉降报警信息；

如果S2大于TH2，输出塔筒底段法兰松动报警信息；

如果S2小于等于TH2，并且S3大于TH3，输出塔筒中段法兰松动报警信息；

如果S2小于等于TH2，并且S3小于等于TH3，并且S4大于TH4，输出塔筒顶段法兰松动报警信息。