CN212003447U - 用于风机叶片故障监测的数据采集器及状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于风力发电机叶片故障监测的数据采集器，包括：壳体、采集模块、CPU模块、电源调理模块和防雷模块；采集模块实时获取传感器采集的风机叶片状态数据，并传送给CPU模块；CPU模块对采集模块传送的风机叶片状态数据进行处理，并从风机主控制器获取风机状态数据，将风机状态数据及处理后的风机叶片状态数据上传给服务器；电源调理模块为采集模块和CPU模块供电；防雷模块提供防雷保护。本实用新型还公开一种风机叶片状态监测系统。本实用新型可以提高数据采集的可靠性及在风场恶劣环境中的适应性。

Description

用于风机叶片故障监测的数据采集器及状态监测系统

技术领域

本实用新型涉及声音采集领域，具体涉及一种用于风机叶片故障监测的数据采集器及状态监测系统。

背景技术

叶片是风机捕获风能的核心部件，风机运行时叶片承受载荷较大，因设计不完善、生产工艺等因素的影响，在运行过程中可能会出现不同程度的损伤；另外，由于风机叶片长时间在外界暴露下经受阳光、暴雨、风沙、雾霾等不利的自然条件，会逐渐老化而出现自然开裂、沙眼、裂纹等现象；这些损伤或老化等现象都会对叶片的寿命造成巨大的影响，如未能及时发现问题，极易造成事故，不仅带来昂贵的修补费用，更易造成发电量的严重损失。

为此，在现有技术中，通常采用叶片粘贴监测介质振动监测的方法对叶片进行监测，即通过采集监测介质的振动数据实现叶片监测。一方面，由于风机叶片运行过程中载荷复杂，工作环境恶劣，振动监测漏报、误报问题严重；另一方面，数据采集装置的安装以及如何更好地适应风场恶劣环境也是业界需要解决的一个重要问题。

实用新型内容

本实用新型一方面提供一种用于风机叶片故障监测的数据采集器，以提高数据采集的可靠性及在风场恶劣环境中的适应性。

本实用新型另一方面提供一种风机叶片状态监测系统，以提高风机叶片的监测效果。

为此，本实用新型提供如下技术方案：

一种用于风力发电机叶片故障监测的数据采集器，包括：壳体、采集模块、CPU模块、电源调理模块和防雷模块；所述采集模块和所述CPU模块设置在壳体内，所述电源调理模块和防雷模块设置在壳体内或者壳体外；

所述采集模块，用于实时获取传感器采集的风机叶片状态数据，并将所述风机叶片状态数据传送给所述CPU模块；

所述CPU模块，用于对所述采集模块传送的风机叶片状态数据进行处理，并从风机主控制器获取风机状态数据，将所述风机状态数据及处理后的风机叶片状态数据上传给服务器；

所述电源调理模块，用于将输入的交流电分别转换为所述采集模块和所述CPU模块需要的直流电，并对所述直流电进行滤波处理，为所述采集模块和所述CPU模块供电；

所述防雷模块，与所述电源调理模块连接，用于提供防雷保护。

可选地，所述壳体包括：可拆卸连接的上壳和下壳。

可选地，在所述下壳与所述上壳的接口处具有凹槽结构，在所述凹槽内填充有密封条。

可选地，所述上壳和所述下壳均为压铸铝一次成型结构。

可选地，在所述上壳和/或所述下壳的外表面布设有齿型导热片。

可选地，在所述下壳上设置有与所述采集模块连接的第一以太网接口和第二以太网接口；所述第一以太网接口接入风机环网，所述第二以太网接口接入风场环网；

在所述下壳上还设置有与所述采集模块连接的数据采集接口，用于接入传感器线缆。

可选地，在所述下壳上还设置有电源指示灯，所述电源指示灯与所述电源调理模块连接。

可选地，所述防雷模块由风力发电机的塔基或机舱的220VAC/50Hz供电。

可选地，所述壳体表面做喷塑处理。

一种风机叶片状态监测系统，所述系统包括：传感器、风机主控制器、上面所述的数据采集器、站端服务器；所述传感器与所述数据采集器通过线缆连接，所述风机主控制器与所述数据采集器通过风机环网连接，所述数据采集器与所述站端服务器通过风场环网相连；

所述传感器，用于实时采集风机叶片状态数据；

所述风机主控制器，用于对风机进行控制；

所述数据采集器，用于从所述传感器获取所述风机叶片状态数据，从所述风机主控制器获取风机状态数据，将所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据传送给所述站端服务器；

所述站端服务器，用于利用所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据在线监测叶片状态。

可选地，所述站端服务器，还用于利用所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据确定叶片损伤类别和/或叶片损伤等级。

本实用新型提供的用于风机叶片故障监测的数据采集器，将采集模块、 CPU模块、电源调理模块和防雷模块集中设置在一个壳体内，方便了数据采集器的安装，而且提高了数据采集器对风场环境的适应性，保证了数据采集器工作的可靠性。

进一步地，所述壳体采用上下可拆卸结构，方便了其内部器件的更换。另外，壳体的结构设计使得本实用新型提供的数据采集器可以适应各种不同的外界环境，比如可用于盐雾、高雷暴、高雨蚀风场，可适用于陆上、海上风机叶片的故障监测系统。

进一步地，在壳体上分别设置连接风机环网和风场环网的以太网接口，使数据采集器可以借助于现有的网络进行数据传输，无需额外搭建网络环境。

本实用新型提供的风机叶片状态监测系统，利用上述数据采集器实时获取风机叶片状态数据及风机状态数据，进而利用这些数据对叶片外形的损伤实现在线实时监测，如雷击损伤、前缘腐蚀、排水孔堵塞等，避免该类损伤因不能及时发现和维修而导致的更换或大修成本，同时减少了由此导致的发电损失或风机安全事故。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型用于风力发电机叶片故障监测的数据采集器的一种原理框图；

图2是本实用新型数据采集器中壳体的上壳和下壳扣接后的结构示意图；

图3是本实用新型数据采集器中壳体的上壳和下壳打开后的结构示意图；

图4是本实用新型风机叶片状态监测系统的原理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例作进一步的详细说明。

本实用新型提供一种用于风力发电机叶片故障监测的数据采集器，其特征在于，包括：壳体、采集模块、CPU模块、电源调理模块和防雷模块；所述采集模块和所述CPU模块设置在壳体内，所述电源调理模块和防雷模块设置在壳体内或者壳体外。

如图1所示，是本实用新型用于风力发电机叶片故障监测的数据采集器的一种原理框图。

在该实施例中，所述采集模块和所述CPU模块设置在壳体内，其中：

所述采集模块用于实时获取传感器采集的风机叶片状态数据，并将所述风机叶片状态数据传送给所述CPU模块；

所述CPU模块用于对所述风机叶片状态数据进行降噪、脱敏、瘦身等处理，并从风机主控制器获取风机状态数据，将所述风机状态数据及处理后的风机叶片状态数据上传给服务器；

所述电源调理模块用于将输入的交流电分别转换为所述采集模块和所述CPU模块需要的直流电，并对所述直流电进行滤波处理，为所述采集模块和所述CPU模块供电；

所述防雷模块与所述电源调理模块连接，用于为所述数据采集器提供防雷保护。

需要说明的是，所述风机叶片状态数据包括但不限于：音频数据、振动数据、温度数据、应变数据、距离数据等电压/电流模拟和数字信号，可以分别由相应的传感器采集，所述采集模块通过这些传感器获得相应数据。另外，在实际应用中，所述采集模块还可进一步对传感器进行一些处理，比如针对声音和振动类传感器进行IEPE/ICP调整，可以提供0～4mA IEPE/ICP激励，为声音传感器和振动传感器提供IEPE/ICP外部激励，无需额外配置激励装置。IEPE/ICP激励功能，还可以通过软件设置是否启用，当不启用时，适用于采集普通电压或电流类型的传感器信号。

在实际应用中，所述采集模块可采用支持2～8通道、带IEPE/ICP调理的高速数据传感器采集功能，提供4mA激励电流，最高可达50kS/s/ch可编程采样速率，输入支持AC耦合、24位分辨率、信号输入范围在±10V 之内，输入模式为差分/伪差分，能够兼容包括声音、加速度、温度、距离、应变等多种电压/电流信号的高速数据采集。所述采集模块可实现实时连续循环采集的功能，并且提供支持Python/C开发的驱动以供Linux操作系统使用。

所述CPU模块可选用内置高性能64位四核的ARM处理器，2GB内存，主频高达1.2GHz，支持Linux操作系统；支持以太网，可以快速完成多终端的互联组网。

所述电源调理模块通常可以采用220V AC供电，进行交流电转换为直流电，并对转换后的直流电进行EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)滤波处理。所述电源调理模块向采集模块输出24V DC供电，向CPU 模块提供5V DC和3.3V DC供电。所述防雷模块是为了在高雷暴的恶劣环境下，防止数据采集器内部关键电气元件因受到过量的冲击而遭到损坏，增强了数据采集器的户外适应性，使所述数据采集器能够适用于普通或高雷暴风场。在实际应用中，所述防雷模块可以使用浪涌保护器，直接由塔基或机舱的220VAC/50Hz供电，可以达到Imax:40kA，Uc：320V～50～ 60Hz，In:20kA，Up:1.6kV的防雷等级保护。

需要说明的是，在实际应用中，所述电源调理模块和所述防雷模块可以是两个各自独立的模块，也可以是集成在一起，对此本实用新型实施例不做限定。

需要说明的是，在所述数据采集器内还可进一步设置有存储模块，用于对所述风机叶片状态数据和所述风机状态数据进行保存。根据存储空间的实际需求，所述存储模块可以通过TF卡扩展，支持高频数据存储，相应地，所述CPU模块还可以对声音传感器和振动传感器的高频数据进行降噪、脱敏以及瘦身的转换。

本实用新型提供的用于风机叶片故障监测的数据采集器，将采集模块、 CPU模块、电源调理模块和防雷模块集中设置在一个壳体内，方便了数据采集器的安装，而且提高了数据采集器对风场环境的适应性，保证了数据采集器工作的可靠性。

在本实用新型中，所述外壳不仅考虑了风场施工的便捷性，还兼顾考虑了风场的恶劣环境适应性。

参照图2和图3所示，所述壳体包括：可拆卸连接的上壳21和下壳 22。在上壳21和下壳22上分别设置相适配的突缘，在所述突缘上设置固定通孔31，通过穿过所述通孔31的螺钉将上壳21和下壳22固定。所述壳体采用分体式结构，可以方便壳体内部器件的安装和更换。所述上壳21 和下壳22可采用压铸铝一次成型，无焊接缝，使所述数据采集器具备高效的抗电磁干扰(EMI)特性。另外，还可以在所述上壳21和下壳22之间设置连接机构，如图3所示的合叶30，当然也可以采用其它方式连接机构。

进一步地，还可在所述下壳22与所述上壳21的接口处设计有凹槽结构7，在所述凹槽内填充有密封条，可以有较好的防尘防水效果。另外，所述壳体表面还可做喷塑处理，可达C4防盐雾等级。

进一步地，还可在所述上壳21和/或所述下壳22的外表面布设有齿型导热片6、9，可有效增大无对流风情况下的散热效果，保障-40℃～70℃温度范围内所述数据采集器都能正常工作。当然，也可以在所述上壳21和/ 或所述下壳22的外表面布设其它结构形式的导热片，对此本实用新型实施例不做限定。

进一步地，在所述下壳22上设置有接入220VAC供电的电源接口8、与所述采集模块连接的第一以太网接口1和第二以太网接口2；所述第一以太网接口1接入风机环网，所述第二以太网接口2接入风场环网。另外，在所述下壳22上还可设置有与所述采集模块连接的数据采集接口，用于接入传感器线缆，具体可以采用航插或接线端子等多种模式，实现物理信号的接入。所述数据采集通道的数据可以根据实际应用需要来确定，比如图 2中示出了第一数据采集接口3和第二数据采集接口4。

另外，在所述下壳22上还设置有电源指示灯5，所述电源指示灯5与所述电源调理模块连接。

为了更好地适应某些恶劣环境的风场，上述以太网接口、数据采集接口、以及指示灯均可采用防水、防腐航空连接器设计，使整体结构达到IP65 防护等级。

本实用新型的数据采集器设计结构小巧，支持导轨/螺栓安装，可方便快速安装在塔基，不影响风机内的空间布局，可直接使用塔基或机舱的 220VAC/50Hz供电，无需额外的供电线路。而且，壳体的结构设计使得本实用新型提供的数据采集器可以适应各种不同的外界环境，比如可用于盐雾、高雷暴、高雨蚀风场，可适用于陆上、海上风机叶片的故障监测系统。本实用新型的数据采集器具备高性能、高精度、高采样率、高可靠性和环境适应性的特点，可以为风机叶片的状态监测提供有效数据。

基于上述数据采集器，本实用新型还提供一种风机叶片状态监测系统，如图4所示，是该系统的一种原理框图。

在该实施例中，所述系统包括：传感器、风机主控制器、数据采集器、站端服务器；所述传感器与所述数据采集器通过线缆连接，所述风机主控制器与所述数据采集器通过风机环网连接，所述数据采集器与所述站端服务器通过风场环网相连。其中：

所述传感器用于实时采集风机叶片状态数据，比如叶片运行时的气动声音信号、振动信号、温度信号、应变信号以及其他相关电流、电压信号采集等；

所述风机主控制器用于对风机进行控制；

所述数据采集器用于从所述传感器获取所述风机叶片状态数据，从所述风机主控制器获取风机状态数据，将所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据传送给所述站端服务器；所述风机状态数据包括但不限于：风机运行时的风速、风轮转速、风向、偏航状态、桨叶角度以及风机有功功率等工况信息；

所述站端服务器用于利用所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据在线监测叶片状态，叶片状态的具体判断方式可采用现有技术，对此本实用新型实施例不做限定。

进一步地，所述站端服务器还可利用所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据确定叶片损伤类别和/或叶片损伤等级。

本实用新型提供的风机叶片状态监测系统，利用上述数据采集器并通过以太网实时获取风机叶片状态数据及风机状态数据，无需额外搭建网络环境，为叶片故障监测分析提供风机工况参考信息，通过以太网基于风场环网把数据发送到升压站的站端服务器，进而由站端服务器利用这些数据对叶片外形的损伤实现在线实时监测和报警，避免了数据处理的复杂度和单一性，可更精准地进行叶片运行状态在线故障监测及诊断，避免该类损伤因不能及时发现和维修而导致的更换或大修成本，同时减少了由此导致的发电损失或风机安全事故。

以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本实用新型进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及装置；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种用于风机叶片故障监测的数据采集器，其特征在于，包括：壳体、采集模块、CPU模块、电源调理模块和防雷模块；所述采集模块和所述CPU模块设置在壳体内，所述电源调理模块和防雷模块设置在壳体内或者壳体外；

所述采集模块，用于实时获取传感器采集的风机叶片状态数据，并将所述风机叶片状态数据传送给所述CPU模块；

所述CPU模块，用于对所述采集模块传送的风机叶片状态数据进行处理，并从风机主控制器获取风机状态数据，将所述风机状态数据及处理后的风机叶片状态数据上传给服务器；

所述电源调理模块，用于将输入的交流电分别转换为所述采集模块和所述CPU模块需要的直流电，并对所述直流电进行滤波处理，为所述采集模块和所述CPU模块供电；

所述防雷模块，与所述电源调理模块连接，用于提供防雷保护。

2.根据权利要求1所述的数据采集器，其特征在于，所述壳体包括：可拆卸连接的上壳和下壳。

3.根据权利要求2所述的数据采集器，其特征在于，在所述下壳与所述上壳的接口处具有凹槽结构，在所述凹槽内填充有密封条。

4.根据权利要求2所述的数据采集器，其特征在于，所述上壳和所述下壳均为压铸铝一次成型结构。

5.根据权利要求2所述的数据采集器，其特征在于，在所述上壳和/或所述下壳的外表面布设有齿型导热片。

6.根据权利要求2所述的数据采集器，其特征在于，在所述下壳上设置有与所述采集模块连接的第一以太网接口和第二以太网接口；所述第一以太网接口接入风机环网，所述第二以太网接口接入风场环网；

在所述下壳上还设置有与所述采集模块连接的数据采集接口，用于接入传感器线缆。

7.根据权利要求1所述的数据采集器，其特征在于，所述防雷模块由风力发电机的塔基或机舱的220VAC/50Hz供电。

8.根据权利要求1至7任一项所述的数据采集器，其特征在于，所述壳体表面做喷塑处理。

9.一种风机叶片状态监测系统，其特征在于，所述系统包括：传感器、风机主控制器、权利要求1至8任一项所述的数据采集器、站端服务器；所述传感器与所述数据采集器通过线缆连接，所述风机主控制器与所述数据采集器通过风机环网连接，所述数据采集器与所述站端服务器通过风场环网相连；

所述传感器，用于实时采集风机叶片状态数据；

所述风机主控制器，用于对风机进行控制；

所述数据采集器，用于从所述传感器获取所述风机叶片状态数据，从所述风机主控制器获取风机状态数据，将所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据传送给所述站端服务器；

所述站端服务器，用于利用所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据在线监测叶片状态。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，

所述站端服务器，还用于利用所述风机叶片状态数据及所述风机状态数据确定叶片损伤类别和/或叶片损伤等级。

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