借助集中式數(shù)據(jù)采集開發(fā)在線風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

挑戰(zhàn): 開發(fā)診斷網(wǎng)絡(luò)，自動追蹤鋒利渦輪機(jī)的狀態(tài)，并具備集中存取功能，讓用戶對獲取的信息進(jìn)行離線分析。

解決方案: 使用NILabVIEW開發(fā)應(yīng)用，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、為應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)存取功能，并使用NI CompactDAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便在單一設(shè)備上調(diào)節(jié)并獲取不同的信號。


構(gòu)成該應(yīng)用的模塊示意圖


CARTIF的工業(yè)診斷與預(yù)測維護(hù)工程師，工作內(nèi)容是開發(fā)診斷式工業(yè)環(huán)境系統(tǒng)。 而這些系統(tǒng)必須能取得如振動、電子與高低頻率的各種數(shù)位信號，并達(dá)到高存數(shù)容量。許多情況下，我們必須在整個(gè)電力生產(chǎn)過程不斷操作這些系統(tǒng)。

對風(fēng)力渦輪而言，其功能與設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)采集、診斷與存儲需求，均近似于任何旋轉(zhuǎn)機(jī)器的應(yīng)用。 在風(fēng)力渦輪的應(yīng)用上，我們必須診斷多臺機(jī)器，也因此大幅提高了資料與診斷的數(shù)量，使中央處理壓力增大。

在與Iberdrola Renovables公司合作中，我們開發(fā)的解決方案，可向所有機(jī)器提供獨(dú)立的診斷裝置、分散式 PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，同時(shí)每個(gè)風(fēng)力電廠搭配1組服務(wù)器，和1組中央服務(wù)器。 我們對界面進(jìn)行修改使其可用于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，從而分散資料的存取。 有了LabVIEW網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器工具組，我們開發(fā)的應(yīng)用可供單機(jī)使用，并可發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。 因此，我們使用LabVIEW作為單一的開發(fā)工具，在不考慮個(gè)別功能的安裝位置、溝通方式，與用戶使用方式的情況下，整合數(shù)據(jù)采集、信號處理以及界面設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集

根據(jù)診斷需求，我們必須從每座風(fēng)力渦輪機(jī)中采集多個(gè)信號。 我們安裝了第一款原型，它具備8組ICP加速度計(jì)、5組電容加速度計(jì)、3組電流鉗、3組電壓傳感器和2個(gè)測量速度的電感傳感器。 在考慮了各種信號類型之后，我們選擇使用NI CompactDAQ系統(tǒng)，其中包含NI cDAQ-9172 8槽機(jī)箱、NIUSB-9233加速度計(jì)、NI 9205 C系列模擬輸入模塊、NI 9423漏極輸入C系列模塊，與NI 9474 C系列電子輸出模塊。

由于該系統(tǒng)在研究過程中能以可變速度操作，所以該系統(tǒng)符合我們對信號采集的多種需求，包括將速度信號與其余用作分析的信號同步。 因?yàn)榕c緩慢轉(zhuǎn)動軸相關(guān)因素的一般頻率非常低，而且該系統(tǒng)某時(shí)間段內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度數(shù)據(jù)變動性并不高且便于分析，所以該系統(tǒng)還能夠在較長時(shí)間內(nèi)連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

為了設(shè)定指定的采集時(shí)段，我們只有在所需的采集時(shí)段內(nèi)、速度變動百分比在不超過某個(gè)閥值時(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。 這種方法相當(dāng)于使用觸發(fā)軟件，該軟件中已存儲的資料會對應(yīng)預(yù)觸發(fā)時(shí)間，并且觸發(fā)條件時(shí)由某個(gè)計(jì)算所決定，此計(jì)算會決定以往數(shù)據(jù)中的最高速度變化。

除了編碼器信號，針對8個(gè)模擬通道，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)25 kHz的傳輸率，從而將資料連續(xù)存儲至磁盤，并能夠在所需時(shí)間內(nèi)獲得該頻率的信號。

診斷應(yīng)用

考慮到動力相對的不足，該系統(tǒng)會逐次采集資料并稍后處理所收集到的資料。 在每一輪的基礎(chǔ)上我們進(jìn)行不同通道和頻率的采集，這是根據(jù)定期診斷進(jìn)行的；我們將全部的結(jié)果存儲在本地資料庫中，并且只將最顯著的結(jié)果或警報(bào)發(fā)送至中央數(shù)據(jù)庫。

多個(gè)模塊組成應(yīng)用程序， 監(jiān)督模塊讀取數(shù)據(jù)庫設(shè)定，并根據(jù)這些設(shè)定、命令在預(yù)定時(shí)間執(zhí)行各種采集、后續(xù)處理與可用數(shù)據(jù)的診斷。 用戶界面模塊提供已采集信號的存取，以及用診斷結(jié)果進(jìn)行簡單的分析功能，例如1個(gè)或多個(gè)采集的快速傅里葉(FFT)顯示，而且該模塊可互相比較。 無需下載已采集的信號，任何用戶都可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器連接至該界面。

模塊化設(shè)計(jì)便于處理演算法的執(zhí)行修改，且不必重新便宜編譯應(yīng)用程序就能增加新的功能。 在此案例中，該演算法位于動態(tài)連接庫，可在系統(tǒng)處理沒有運(yùn)行時(shí)對其進(jìn)行編輯。

診斷網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)的管理機(jī)制可方便每個(gè)數(shù)據(jù)庫保持最新狀態(tài)，即使其中一個(gè)點(diǎn)失去了聯(lián)系，所有的機(jī)器仍會連續(xù)自動進(jìn)行預(yù)訂的診斷。
我們設(shè)計(jì)了一個(gè)位于中央服務(wù)器上、可從任何網(wǎng)絡(luò)瀏覽器存取、監(jiān)控或進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(SCADA)的用戶界面，所以該應(yīng)用程序的用戶能夠快速獲得各種機(jī)器所產(chǎn)生的診斷信息，并且具有高度的靈活性。 為了快速地存取或分析采集的信號，用戶可以連接到機(jī)器上(而非中央服務(wù)器上)的界面。 在Apache服務(wù)器上，我們將該方法建立在LabVIEW應(yīng)用程序上。

為了在測試期間讓各種網(wǎng)絡(luò)元素相互通信，我們建立了一個(gè)無線診斷網(wǎng)絡(luò)，使其獨(dú)立于風(fēng)力場中所有其他通信之外。

使用LabVIEW簡化模塊集成

我們使用LabVIEW作為整個(gè)診斷應(yīng)用程序的開發(fā)軟件。 LabVIEW圖形化編程環(huán)境，不需任何額外費(fèi)用即可將模塊整合至研發(fā)階段。 盡管我們獨(dú)立設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、處理與診斷模塊，此模塊設(shè)計(jì)能夠推進(jìn)軟件開發(fā)過程，并且可以根據(jù)計(jì)算要求與設(shè)備功能，在不同平臺(或多核心系統(tǒng)及不同的微處理器)上執(zhí)行該模塊。 我們在Iberdrola Renovables公司的電廠中實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)，他們的大力支持對我們項(xiàng)目的開展起了巨大的作用。