一種風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷裝置制造方法
【專利摘要】一種風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷裝置，屬于檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域。本實(shí)用新型的目的是提供一種基于小波包和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的在線監(jiān)測(cè)及診斷，提高了診斷的效率；同時(shí)結(jié)合離線分析，提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷裝置。本實(shí)用新型的齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸入軸的前后側(cè)，輸出軸的前側(cè)分別布置一個(gè)加速度傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)測(cè)試齒輪箱輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速，均通過(guò)信號(hào)傳輸線與PXI平臺(tái)連接，PXI平臺(tái)與在線監(jiān)控中心之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜通信；PXI平臺(tái)包括有信號(hào)采集與調(diào)理模塊、PXI控制器。本實(shí)用新型針對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行健康狀況評(píng)估問(wèn)題，采用在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，可以使風(fēng)場(chǎng)的管理人員及時(shí)了解風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主動(dòng)性維護(hù)。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域。 一種風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，世界各國(guó)在能源的發(fā)展方面都比較注重在可再生能源方面的投入，風(fēng)能 作為一種清潔的可再生能源，儲(chǔ)量巨大，利用相對(duì)方便，受到了很多國(guó)家政府的青睞。
[0003] 隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，一些突出問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，針對(duì)大量的風(fēng)電機(jī) 組裝機(jī)的故障診斷技術(shù)總是落后于實(shí)際情況，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組故障頻發(fā)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，在惡劣的工作環(huán)境下，風(fēng)機(jī)內(nèi)各個(gè)部件極易受到損傷，發(fā)生故障。這 些故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)工作效率低下，極有可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔架倒塌或徹底報(bào)廢，嚴(yán)重影響風(fēng)力 發(fā)電場(chǎng)的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)的主要研究手段是分析風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)觀察時(shí)域和頻域特征值變 化來(lái)進(jìn)行診斷，這種方法需要借助經(jīng)驗(yàn)豐富的振動(dòng)信號(hào)分析專家來(lái)識(shí)別頻譜中隱含的故障 信息，一般人員很難對(duì)風(fēng)機(jī)完成專業(yè)的故障診斷定位分析。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的是提供一種基于小波包和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的在線監(jiān)測(cè) 及診斷，提高了診斷的效率；同時(shí)結(jié)合離線分析，提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān) 測(cè)與故障診斷裝置。
[0006] 本實(shí)用新型的齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸入軸的前后側(cè)，輸出軸的前側(cè)分別布置一個(gè)加速度 傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)測(cè)試齒輪箱輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn) 速，均通過(guò)信號(hào)傳輸線與PXI平臺(tái)連接，PXI平臺(tái)與在線監(jiān)控中心之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜通信； PXI平臺(tái)包括有信號(hào)采集與調(diào)理模塊、PXI控制器；
[0007] 轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)信號(hào)線連接轉(zhuǎn)速信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端SINGAL_IN，光耦隔 離芯片U1的3腳通過(guò)電線連接轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集單元電路輸入端IN_PUT，經(jīng)濾波后，連接放 大器U2的同相輸入端3腳，U2的輸出端6腳，經(jīng)保護(hù)電路后，連接A/D芯片U3的15腳IN; A/D芯片U3的DO?D9連接PXI控制器通道的1?10腳；
[0008] 振動(dòng)信號(hào)Vin通過(guò)信號(hào)線連接振動(dòng)信號(hào)的程控放大電路的D/A芯片U4的VREF， D/A芯片U4的DI0?DI7連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元電路U6的XD0?XD7 ;D/A芯片U4的1 腳、19腳連接U6的51腳、161腳；D/A芯片U4的I0UT1、I0UT2分別接放大器U5的反向輸 入端2腳和同向輸入端3腳；放大器U5的輸出端6腳連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元電路U6的 164腳；U6的167?174腳分別連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元輸出接口 R18、R17的4?1腳； R17、R18的8?5腳連接PXI控制器通道的11?18腳；
[0009] PXI平臺(tái)與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。
[0010] 本實(shí)用新型針對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行健康狀況評(píng)估問(wèn)題，采用在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)， 可以使風(fēng)場(chǎng)的管理人員及時(shí)了解風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主動(dòng)性維 護(hù)，減少了傳統(tǒng)的不必要的定期現(xiàn)場(chǎng)工作巡視，提前對(duì)風(fēng)機(jī)可能發(fā)生的重大故障做出預(yù)報(bào)， 不僅確保了風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)的安全，也大大減少了相關(guān)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，具有重大的經(jīng)濟(jì) 與社會(huì)效益。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱等部件信號(hào)的采集與分析處理，采用 本實(shí)例改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)控狀態(tài)的智能監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能 出現(xiàn)的嚴(yán)重故障，保障機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行，提高機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量。通過(guò)監(jiān)控中心可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 故障診斷，并且可以實(shí)時(shí)查看機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 工作狀態(tài)，操作簡(jiǎn)單、快速可靠。、
[0011] 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0012] (1)本實(shí)用新型中，采用轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換與振動(dòng)信號(hào)程控放大電路，對(duì)輸入信號(hào) 進(jìn)行處理，能夠更為精確、適時(shí)地對(duì)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并能節(jié)約系統(tǒng)資源，提高資源 利用率；
[0013] (2)本實(shí)用新型對(duì)采集的數(shù)據(jù)，利用小波包特征向量提取和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練診 斷，消除噪聲因子的影響，同時(shí)結(jié)合離線分析，能夠更加準(zhǔn)確地診斷出齒輪箱所發(fā)生的故 障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)風(fēng)機(jī)組進(jìn)行維護(hù)，減少不必要的損失。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例在線監(jiān)測(cè)與診斷裝置的結(jié)構(gòu)連接示意圖；
[0015] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例信號(hào)采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例轉(zhuǎn)速信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換電路圖；
[0017] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集單元電路圖；
[0018] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例振動(dòng)信號(hào)的程控放大電路圖；
[0019]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例振動(dòng)信號(hào)的采集單元電路圖；
[0020] 圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例振動(dòng)信號(hào)的采集單元輸出接口示意圖；
[0021] 圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例電源轉(zhuǎn)換電路圖；
[0022] 圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例在線監(jiān)測(cè)中心結(jié)構(gòu)與功能示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 本實(shí)用新型的齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)1輸入軸的前后側(cè)，輸出軸的前側(cè)分別布置一個(gè)加速 度傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)測(cè)試齒輪箱輸入軸和輸出軸的 轉(zhuǎn)速，均通過(guò)信號(hào)傳輸線2與PXI平臺(tái)3連接，PXI平臺(tái)3與在線監(jiān)控中心6之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 電纜通信；PXI平臺(tái)3包括有信號(hào)采集與調(diào)理模塊5、PXI控制器4 ;其中信號(hào)采集與調(diào)理模 塊5是由信號(hào)調(diào)理電路51和信號(hào)采集和處理電路52構(gòu)成；而在線監(jiān)控中心6包括數(shù)據(jù)儲(chǔ) 存模塊7、故障診斷模塊8和系統(tǒng)控制模塊9 ;
[0024] 轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)信號(hào)線連接轉(zhuǎn)速信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端SINGAL_IN，光耦隔 離芯片U1的3腳通過(guò)電線連接轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集單元電路輸入端IN_PUT，經(jīng)濾波后，連接放 大器U2的同相輸入端3腳，U2的輸出端6腳，經(jīng)保護(hù)電路后，連接A/D芯片U3的15腳IN; A/D芯片U3的DO?D9連接PXI控制器通道的1?10腳；
[0025] 振動(dòng)信號(hào)Vin通過(guò)信號(hào)線連接振動(dòng)信號(hào)的程控放大電路的D/A芯片U4的VREF， D/A芯片U4的DI0?DI7連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元電路U6的XD0?XD7 ;D/A芯片U4的1 腳、19腳連接U6的51腳、161腳；D/A芯片U4的I0UT1、I0UT2分別接放大器U5的反向輸 入端2腳和同向輸入端3腳；放大器U5的輸出端6腳連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元電路U6的 164腳；U6的167?174腳分別連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元輸出接口 R18、R17的4?1腳； R17、R18的8?5腳連接PXI控制器通道的11?18腳；
[0026] PXI平臺(tái)與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。
[0027] 以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)的描述：
[0028] 如圖1所示：本實(shí)用新型實(shí)施例的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。主要包括：齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，PXI平臺(tái)和在線監(jiān)控中心。
[0029] 本實(shí)施例的齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)信號(hào)傳輸線與PXI平臺(tái)相連，PXI平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電 纜與在線監(jiān)控中心連接。齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸入軸的前后側(cè)，輸出軸的前側(cè)分別布置一個(gè)壓電 式加速度傳感器，用于模擬風(fēng)電機(jī)組正常工作狀態(tài)下，振動(dòng)信號(hào)的米集；同時(shí)，輸入軸與輸 出軸各布置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，用來(lái)測(cè)試輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速。
[0030] 如圖2所示，信號(hào)采集模塊由信號(hào)調(diào)理電路以及信號(hào)采集與處理電路組成。信號(hào) 調(diào)理電路用來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓范圍、降低振動(dòng)信號(hào)噪聲等因素的影響。
[0031] 如圖3所示，轉(zhuǎn)速信號(hào)的傳感器接近開(kāi)關(guān)連接SINGAL_IN，經(jīng)整流、限幅后，通過(guò)三 極管，再經(jīng)過(guò)光電隔離后，輸出的方波信號(hào)SINGAL_0UT連接圖4所示的IN_PUT。
[0032] 如圖4所示，輸入的模擬信號(hào)IN_PUT經(jīng)過(guò)濾波放大器后，進(jìn)入ADS852的15號(hào)引 腳，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由ADS852的2~11號(hào)引腳D0~D9連接到PXI控制器通道的1~10引腳。
[0033] 如圖5,振動(dòng)信號(hào)Vin的壓電式加速度傳感器連接DAC0832的8號(hào)引腳VREF， DAC0832的片選信號(hào)CS與數(shù)字信號(hào)輸入端ILE分別連接圖6所示TMS2812芯片的51號(hào)與 161號(hào)引腳；互補(bǔ)輸出端I0UT1和I0UT2引腳分別接放大器LF25?的反向輸入端2和同向 輸入端3。放大器輸出的電壓信號(hào)Vout接TMS2812芯片的164號(hào)引腳ADCBGREFIN。
[0034] 如圖6所示，TMS2812芯片167?174號(hào)引腳ADCINA7?ADCINA0分別連接圖7所示 電阻R_DIP4的輸入端，電阻R_DIP4輸出端連接PXI控制器通道的11~18號(hào)引腳。
[0035] 如圖8所示，系統(tǒng)中TMS2812采用3. 3 V的外設(shè)供電和1. 9 V的內(nèi)核供電，故系統(tǒng) 采用TI公司的芯片TPS75733和TPS76801，將電路板外接的+5 V轉(zhuǎn)換成+3. 3 V和1. 8V。
[0036] 如圖9所示，在線監(jiān)控中心是基于NI公司的LabVIEW軟硬平臺(tái)構(gòu)成，由網(wǎng)絡(luò)地址 設(shè)置模塊、信號(hào)及波形顯示模塊和功能模塊組成。PXI平臺(tái)與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸 使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。PXI平臺(tái)將采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)和相關(guān)的信息(如采樣頻率、 采樣時(shí)間等)使用DataSocket協(xié)議方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)信息區(qū)域 進(jìn)行存儲(chǔ)，在線監(jiān)控中心從該數(shù)據(jù)區(qū)中讀取數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、顯示等 操作。在線監(jiān)控中心對(duì)PXI平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集開(kāi)始與停止的控制命令也是通過(guò)DataSocket 技術(shù)傳送至PXI平臺(tái)上運(yùn)行的。
[0037] 本實(shí)施例的在線監(jiān)控中心將PXI平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析顯示，對(duì)于PXI平 臺(tái)傳送過(guò)來(lái)的原始振動(dòng)信號(hào)，含有很多的噪聲，直接進(jìn)行小波包故障特征提取，特征參數(shù)值 中會(huì)含有比較大的噪聲分量，不能真實(shí)反映信號(hào)的信息，而采用3層小波包分解，將一段振 動(dòng)信號(hào)分為8個(gè)頻段，分別計(jì)算8個(gè)頻段的歸一化后，再結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心算法的程 序就可自動(dòng)診斷出齒輪箱內(nèi)的齒輪或軸承等部件是否有故障，如果診斷發(fā)現(xiàn)齒輪箱內(nèi)有部 件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)在界面進(jìn)行自動(dòng)提示。
[0038] 本實(shí)施例的在線監(jiān)控中心結(jié)合數(shù)據(jù)的離線分析與在線分析，完善了故障診斷的實(shí) 現(xiàn)方法，能夠更加準(zhǔn)確快速的掌握齒輪箱的運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行診斷程序后，操作人 員可以針對(duì)提示的故障，在監(jiān)控中心的離線分析模塊處，選擇所要用的分析方法如功率譜 分析、包絡(luò)譜分析等方法，分析的結(jié)果就會(huì)顯示在系統(tǒng)的顯示模塊中，即可進(jìn)一步確證齒輪 箱的故障原因及故障位置。
【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷裝置，其特征在于：齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)（1)輸入軸的 前后側(cè)，輸出軸的前側(cè)分別布置一個(gè)加速度傳感器，以及輸入軸與輸出軸各布置一個(gè)接近 開(kāi)關(guān)，用來(lái)測(cè)試齒輪箱輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速，均通過(guò)信號(hào)傳輸線（2)與PXI平臺(tái)（3)連接， PXI平臺(tái)（3)與在線監(jiān)控中心（6)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電纜通信；PXI平臺(tái)（3)包括有信號(hào)采集與 調(diào)理模塊（5)、PXI控制器（4); 轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)信號(hào)線連接轉(zhuǎn)速信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端SINGAL_IN，光耦隔離芯 片U1的3腳通過(guò)電線連接轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集單元電路輸入端IN_PUT，經(jīng)濾波后，連接放大器 U2的同相輸入端3腳，U2的輸出端6腳，經(jīng)保護(hù)電路后，連接A/D芯片U3的15腳IN ;A/D 芯片U3的DO?D9連接PXI控制器通道的1?10腳； 振動(dòng)信號(hào)Vin通過(guò)信號(hào)線連接振動(dòng)信號(hào)的程控放大電路的D/A芯片U4的VREF，D/A芯 片U4的DI0?DI7連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元電路U6的XD0?XD7 ;D/A芯片U4的1腳、19 腳連接U6的51腳、161腳；D/A芯片U4的I0UT1、I0UT2分別接放大器U5的反向輸入端2 腳和同向輸入端3腳；放大器U5的輸出端6腳連接振動(dòng)信號(hào)的米集單兀電路U6的164腳； U6的167?174腳分別連接振動(dòng)信號(hào)的采集單元輸出接口 R18、R17的4?1腳；R17、R18 的8?5腳連接PXI控制器通道的11?18腳； PXI平臺(tái)與在線監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸使用LabVIEW中DataSocket協(xié)議。
【文檔編號(hào)】G01M15/12GK203881539SQ201420152013
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】周求湛, 姚為星, 歐淇源, 王皓, 吳艷茹 申請(qǐng)人:吉林大學(xué), 天津海運(yùn)星翰科技發(fā)展有限公司, 天津海思瑞特信息科技發(fā)展有限公司