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

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

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


構成該應用的模塊示意圖


CARTIF的工業(yè)診斷與預測維護工程師，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，并達到高存數(shù)容量。許多情況下，我們必須在整個電力生產(chǎn)過程不斷操作這些系統(tǒng)。

對風力渦輪而言，其功能與設計階段的數(shù)據(jù)采集、診斷與存儲需求，均近似于任何旋轉機器的應用。 在風力渦輪的應用上，我們必須診斷多臺機器，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，可向所有機器提供獨立的診斷裝置、分散式 PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，同時每個風力電廠搭配1組服務器，和1組中央服務器。 我們對界面進行修改使其可用于網(wǎng)絡瀏覽器，從而分散資料的存取。 有了LabVIEW網(wǎng)絡服務器工具組，我們開發(fā)的應用可供單機使用，并可發(fā)布到網(wǎng)絡上。 因此，我們使用LabVIEW作為單一的開發(fā)工具，在不考慮個別功能的安裝位置、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計。

數(shù)據(jù)采集

根據(jù)診斷需求，我們必須從每座風力渦輪機中采集多個信號。 我們安裝了第一款原型，它具備8組ICP加速度計、5組電容加速度計、3組電流鉗、3組電壓傳感器和2個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槽機箱、NIUSB-9233加速度計、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。 因為與緩慢轉動軸相關因素的一般頻率非常低，而且該系統(tǒng)某時間段內(nèi)的旋轉速度數(shù)據(jù)變動性并不高且便于分析，所以該系統(tǒng)還能夠在較長時間內(nèi)連續(xù)地進行數(shù)據(jù)采集。

為了設定指定的采集時段，我們只有在所需的采集時段內(nèi)、速度變動百分比在不超過某個閥值時才能進行數(shù)據(jù)存儲。 這種方法相當于使用觸發(fā)軟件，該軟件中已存儲的資料會對應預觸發(fā)時間，并且觸發(fā)條件時由某個計算所決定，此計算會決定以往數(shù)據(jù)中的最高速度變化。

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

診斷應用

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。 在每一輪的基礎上我們進行不同通道和頻率的采集，這是根據(jù)定期診斷進行的；我們將全部的結果存儲在本地資料庫中，并且只將最顯著的結果或警報發(fā)送至中央數(shù)據(jù)庫。

多個模塊組成應用程序， 監(jiān)督模塊讀取數(shù)據(jù)庫設定，并根據(jù)這些設定、命令在預定時間執(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，以及用診斷結果進行簡單的分析功能，例如1個或多個采集的快速傅里葉(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)絡瀏覽器連接至該界面。

模塊化設計便于處理演算法的執(zhí)行修改，且不必重新便宜編譯應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)處理沒有運行時對其進行編輯。

診斷網(wǎng)絡

該系統(tǒng)的管理機制可方便每個數(shù)據(jù)庫保持最新狀態(tài)，即使其中一個點失去了聯(lián)系，所有的機器仍會連續(xù)自動進行預訂的診斷。
我們設計了一個位于中央服務器上、可從任何網(wǎng)絡瀏覽器存取、監(jiān)控或進行數(shù)據(jù)采集(SCADA)的用戶界面，所以該應用程序的用戶能夠快速獲得各種機器所產(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，用戶可以連接到機器上(而非中央服務器上)的界面。 在Apache服務器上，我們將該方法建立在LabVIEW應用程序上。

為了在測試期間讓各種網(wǎng)絡元素相互通信，我們建立了一個無線診斷網(wǎng)絡，使其獨立于風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作為整個診斷應用程序的開發(fā)軟件。 LabVIEW圖形化編程環(huán)境，不需任何額外費用即可將模塊整合至研發(fā)階段。 盡管我們獨立設計了數(shù)據(jù)采集、處理與診斷模塊，此模塊設計能夠推進軟件開發(fā)過程，并且可以根據(jù)計算要求與設備功能，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公司的電廠中實現(xiàn)了該系統(tǒng)，他們的大力支持對我們項目的開展起了巨大的作用。