刁修慧

(河南工學院機械工程學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

0 前言

隨著環(huán)保壓力的增大，風電作為一種低碳能源得到了快速發(fā)展。但是風電機組長年工作在野外，運行環(huán)境惡劣，會發(fā)生多種機械故障。如果早期設備故障發(fā)現(xiàn)不及時則會導致嚴重故障，對風電經(jīng)濟效益影響很大。在大型風電機組的多個關鍵部件中，齒輪箱是故障多發(fā)部件，維修困難且成本很高。因此，對風電機組齒輪箱進行有效監(jiān)測及故障預判、及時維護維修，對企業(yè)降低運行維護成本、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

風電機組的建設地大多較偏遠，由監(jiān)測人員對風電機組進行大范圍巡回監(jiān)測比較困難。因此，現(xiàn)代信息技術(shù)對于風齒輪箱的在線實時綜合監(jiān)測越來越重要。在當前大數(shù)據(jù)的深入應用背景下，傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)絡監(jiān)測已經(jīng)無法滿足風電齒輪箱的綜合監(jiān)測需求。同時，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、霧計算技術(shù)的出現(xiàn)，更加全面的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析對于齒輪箱的故障診斷、遠程運維、風力發(fā)電經(jīng)濟性評價等方面均有重要意義。

目前，云計算憑借強大的數(shù)據(jù)處理能力，成為大數(shù)據(jù)分析和計算的重要平臺。但是，一般云服務器遠離終端設備，終端設備到云服務器的傳輸距離遠、通信開銷較大，還會導致一定的延遲。而霧計算提倡“智能前端化”，即在云服務器和終端設備之間，利用網(wǎng)絡設備或者專用設備提供計算、存儲和網(wǎng)絡通信服務，使得計算和數(shù)據(jù)更靠近終端設備，進而節(jié)省大量網(wǎng)絡帶寬，減輕數(shù)據(jù)中心的負擔，提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體響應速度。因此，通過適當劃分云計算和霧計算的界線，采用云霧協(xié)同的工作方式可以提高大數(shù)據(jù)背景下風電齒輪箱綜合監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能。

1 系統(tǒng)分析

風電機組齒輪箱的工況一般為變速變載，同時會受到風力推力、扭矩、彎矩等不同作用，并形成一定的結(jié)構(gòu)應力作用于齒輪、軸承等重要零部件上，從而造成一定的故障隱患。對隱患的提前預警可以降低機組的故障發(fā)生率及不可逆損壞。運行過程中重要零部件的機械變形、斷裂或疲勞會引起油液溫度、壓力以及機械傳動部件溫度、振動、轉(zhuǎn)速或聲音的異常。其中，振動信號是重要的監(jiān)測信號，可作為故障診斷的重要數(shù)據(jù)。機械振動按頻率可分為基頻振動、倍頻振動、超低頻振動和超高頻振動等。齒輪箱中各部件的結(jié)構(gòu)不同導致各部件產(chǎn)生的振動信號也有相應的差異，對應的頻域分析也會得到不同的結(jié)果。因此，當某一組件出現(xiàn)故障時就會產(chǎn)生異常的振動信號，所以通過分析振動信號的特征可以診斷出齒輪箱的機械故障。

齒輪箱的另一個重點監(jiān)測對象是齒輪箱油液。油液監(jiān)測一般通過傳感器實時監(jiān)測在用潤滑油的性能變化及其中的磨損微粒狀態(tài)，以獲得齒輪箱的磨損情況和設備潤滑狀態(tài)。對齒輪箱油液的監(jiān)測可以預測設備主要摩擦副的故障情況，診斷故障部位、原因和程度，為針對性維護、修理提供豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)。

該系統(tǒng)的監(jiān)測對象為WF2000A4型風電齒輪箱，主要由齒輪傳動系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)、外部加熱系統(tǒng)和密封系統(tǒng)等部分組成，其主要性能參數(shù)如表1所示。在齒輪箱不同部位選取合適的測量點是獲取有效信號的關鍵，測量點要滿足安裝傳感器所需的剛度和空間要求，盡可能接近信號源，避開或減少干擾源。例如，測量齒輪箱振動信號的加速度傳感器通常需要對水平、垂直和軸向3個方向進行測量。

表1 WF2000A4型風電齒輪箱主要性能參數(shù)

齒輪箱的狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和分析等功能，基礎功能是連續(xù)地進行現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集。云計算中心與釆集現(xiàn)場一般距離較遠，傳感器釆集的信號不可能遠距離傳輸。而且風機數(shù)量多，監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，直接傳輸至云數(shù)據(jù)中心勢必造成云計算中心性能下降。為合理利用網(wǎng)絡及計算能力，在數(shù)據(jù)采集終端和云數(shù)據(jù)中心中應用霧計算節(jié)點，分擔部分數(shù)據(jù)計算與存儲任務。

數(shù)據(jù)傳輸可采用兩種方式：基于移動通信網(wǎng)的4G模塊和基于物聯(lián)網(wǎng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IOT)模塊。4G無線通信模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，可以與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集終端相連，將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳輸至霧節(jié)點服務器。NB-IOT技術(shù)具有待機時間長、覆蓋范圍廣、容量大的特點，可用于頻率不高的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過初步分析的齒輪箱運行狀態(tài)結(jié)論性數(shù)據(jù)及預警數(shù)據(jù)等，可通過NB-IOT模塊由霧節(jié)點傳給其他霧節(jié)點或云計算中心。另一方面，霧節(jié)點也可以將云服務器上的數(shù)據(jù)緩存在本地，與其他霧節(jié)點共同完成必要的分布式計算任務。為增強系統(tǒng)在極端條件下的安全信息傳輸能力，可增加北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文通信模塊，在移動通信網(wǎng)失效時介入數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)處理及計算的劃分是云霧協(xié)同的基礎。云計算數(shù)據(jù)中心用于高延遲、長周期的大數(shù)據(jù)應用計算，霧計算節(jié)點用于風電機組運行監(jiān)測與控制的現(xiàn)場計算。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

根據(jù)云計算和霧計算的特點，將大量與特定環(huán)境相關的信息直接在本地接入點進行存儲和計算，提出如圖1所示的基于云霧協(xié)同的分層分布式齒輪箱綜合監(jiān)測系統(tǒng)框架，上層為云計算中心，下層為霧計算節(jié)點和數(shù)據(jù)采集終端。

圖1 基于云霧協(xié)同的分層分布式齒輪箱綜合監(jiān)測系統(tǒng)框架

數(shù)據(jù)采集終端主要實現(xiàn)信號采集和處理功能。首先,得到振動、溫度、油液磨粒、噪聲等傳感器監(jiān)測信號；然后，對信號進行前期處理，包括放大和濾波等；最后，將信號數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸至風電機組霧計算節(jié)點。

霧計算節(jié)點布置于風電塔架內(nèi)，接收來自數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)，并進一步對數(shù)據(jù)進行分析與存儲，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與管理，最后通過4G、NB-IOT、短報文通信形式將數(shù)據(jù)傳入云計算中心。霧節(jié)點可以接收多個數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)。

云計算中心負責提供基于私有云的云服務，負責協(xié)調(diào)霧節(jié)點計算、接收并存貯霧節(jié)點的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對組網(wǎng)風電機組進行基于大數(shù)據(jù)的故障診斷分析與計算，提供系統(tǒng)級監(jiān)測與管理功能，并對數(shù)據(jù)進行封裝提供云端訪問接口。

系統(tǒng)各部分間數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各部分間數(shù)據(jù)傳輸示意

3 數(shù)據(jù)終端設計

3.1 傳感器

系統(tǒng)依靠安裝在各個部位的傳感器對風電機組齒輪箱多個工況參數(shù)進行全面監(jiān)測，特殊的工況條件需要傳感器具有較大測量范圍、較小體積、低功耗和抗電磁干擾等特點。風電機組齒輪箱的傳動部件是機械故障的主要來源，故障主要是部件間的相對運動產(chǎn)生的疲勞、磨損、變形等原因造成的，一般通過振動、油液壓力、溫度等特征表現(xiàn)出來。因此，風電齒輪箱一般安裝有振動、壓力、溫度等傳感器，可以進行一般性運行狀態(tài)監(jiān)測。通過增加對振動、噪聲及齒輪磨損的監(jiān)測可以更全面地監(jiān)測齒輪箱。

在實際工程測量中，振動量的大小一般用加速度的值來度量。利用加速度傳感器測量齒輪故障引起的中、高頻振動信號，可以得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。傳感器在拾取振動信息時，必須與齒輪箱緊密地貼合在一起，這樣才能采集到齒輪箱對應的振動信號。該系統(tǒng)采用緊固件連接的方法固定傳感器，選用通用型加速度振動傳感器。

齒輪箱油液中磨粒的尺寸可以反映磨損程度和故障狀態(tài)，通過監(jiān)測油液中顆粒的尺寸和數(shù)目可以得到磨損程度并及時發(fā)現(xiàn)早期故障。在進行油液監(jiān)測時，潤滑系統(tǒng)中存在大量設備磨損產(chǎn)生的鐵磁性和非鐵磁性的磨粒、灰塵、水分等雜物，這些雜質(zhì)都會降低潤滑的質(zhì)量?？梢酝ㄟ^在線鐵譜圖像采集系統(tǒng)、水分儀和體外循環(huán)過濾設備等對油液進行監(jiān)測。其中，齒輪箱體外循環(huán)過濾設備可以過濾油液雜質(zhì)，減輕齒輪磨損，同時可連續(xù)監(jiān)測齒輪的磨損程度，分析結(jié)果有助于齒輪壽命估計。油液中磨粒尺寸與齒輪磨損程度的關系如表2所示。

表2 油液中磨粒尺寸與齒輪磨損程度的關系

3.2 終端結(jié)構(gòu)

由于系統(tǒng)是在惡劣工況下對傳動設備進行信號采集，設計系統(tǒng)時必須考慮設備的微型化、抗干擾性、低功耗以及傳輸?shù)目煽啃缘葐栴}。終端系統(tǒng)所有組成單元采用模塊化設計，可根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集需求任意組合使用，也可分別獨立使用。系統(tǒng)硬件主要由微處理器、電源、遠程通信、傳感器等組成。終端主要結(jié)構(gòu)及信號傳輸如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集終端主要結(jié)構(gòu)及信號傳輸

3.3 軟件設計

為保證系統(tǒng)的可擴展性和可靠性，終端采用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有多任務、搶占式實時的特點，可移植性強、代碼體積小。軟件按照模塊化、可移植性、可裁剪性的原則設計，采用分層結(jié)構(gòu)設計思想，并根據(jù)系統(tǒng)實時性能要求，合理安排任務的優(yōu)先級。采用系統(tǒng)內(nèi)核提供的相關通信機制，保證任務同步，以提高數(shù)據(jù)采集和無線通信任務的實時性。系統(tǒng)總體架構(gòu)設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

終端可實現(xiàn)對齒輪箱多通道數(shù)據(jù)的同步采集功能，并可將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)届F節(jié)點，由霧節(jié)點完成對齒輪箱工作狀態(tài)的分析計算并存儲數(shù)據(jù)。

4 云霧協(xié)同

基于云霧協(xié)同的分析計算在電力行業(yè)已得到應用，美國Cisco公司與ITRON公司基于云霧協(xié)同計算合作開發(fā)了針對電力行業(yè)的高級計量架構(gòu)(AMI)系統(tǒng)。由于云霧協(xié)同具有充分利各種計算資源、有效降低業(yè)務時延、提高實時分析與優(yōu)化的能力，齒輪箱運行狀態(tài)綜合監(jiān)測系統(tǒng)可以利用云霧協(xié)同構(gòu)建分層分布式系統(tǒng)架構(gòu)，進而可以對整個風場甚至多個風場進行優(yōu)化規(guī)劃和實時調(diào)整。

由于齒輪箱運行數(shù)據(jù)屬于風電企業(yè)私有數(shù)據(jù)，綜合監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)可采用“私有云”模式，在企業(yè)內(nèi)部構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心，配合分布式存儲、霧節(jié)點和數(shù)據(jù)采集終端并實現(xiàn)綜合監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建。云數(shù)據(jù)中心與霧節(jié)點比較結(jié)果如表3所示。

表3 云數(shù)據(jù)中心與霧節(jié)點比較

云數(shù)據(jù)中心可最大程度節(jié)省計算資源和成本，主要由數(shù)據(jù)庫、應用層和中間層組成。數(shù)據(jù)庫可實時存儲海量數(shù)據(jù)，并進行集中管理。應用層包含企業(yè)信息化的多種場景應用軟件，可實現(xiàn)基于現(xiàn)場大數(shù)據(jù)的計算與分析，并通過各種顯示終端呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。中間層由定制化的應用服務群組成，可提供面向霧節(jié)點和最終數(shù)據(jù)用戶的多種服務接口。

云數(shù)據(jù)中心的高性能服務器集群具有強大的計算及存儲能力，能夠?qū)⒉杉凝X輪箱監(jiān)測大數(shù)據(jù)存儲在云服務器上，經(jīng)過計算挖掘得出分析結(jié)果，并用于齒輪箱故障診斷、制定維護及檢修方案等。云計算層使用WebService技術(shù)實現(xiàn)開放接口,XML、SOAP(簡單對象訪問協(xié)議)、WSDL是WebService實現(xiàn)的關鍵。SOAP屬輕量級的協(xié)議，它和XML相結(jié)合可避免協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，便于應用程序通信。

霧節(jié)點接收并存儲來自數(shù)據(jù)終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理與分析，通過4G、NB-IOT和短報文將處理結(jié)果上傳到云數(shù)據(jù)中心服務器，實現(xiàn)全局信息共享。由于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，通過分布式霧計算可以均衡負載，在較短的時間內(nèi)得出全面監(jiān)測分析結(jié)果，并迅速反饋給風電控制和管理系統(tǒng)。霧節(jié)點將本地處理的通用性數(shù)據(jù)上傳給云數(shù)據(jù)中心進行處理后可形成更高級別的分析結(jié)果，為上層應用開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。霧節(jié)點也可獲取云數(shù)據(jù)中心的服務并接收其指令。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)具有采用基于ARM的數(shù)據(jù)終端對風電齒輪箱的機械振動、油液的多參數(shù)進行在線監(jiān)測，通過4G、NB-IOT和短報文的方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳入霧節(jié)點，通過云霧協(xié)同的架構(gòu)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。霧節(jié)點與云數(shù)據(jù)中心的協(xié)作實現(xiàn)了云霧結(jié)合，中樞計算與邊緣計算的兩級架構(gòu)實現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分層處理。各級架構(gòu)處理所屬范圍的監(jiān)測數(shù)據(jù)形成不同層次的風電機組齒輪箱數(shù)據(jù)分析結(jié)果，既能實現(xiàn)實時快速智能監(jiān)測的目的，又能在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)對風電系統(tǒng)的整體統(tǒng)籌。

該系統(tǒng)具有降低數(shù)據(jù)延遲、合理分配計算的能力，可提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體響應速度與整體性能。云霧協(xié)同架構(gòu)為風電行業(yè)客戶提供了更高效的齒輪箱綜合監(jiān)測方案，對企業(yè)降低運行風電齒輪箱維護成本、提高風電經(jīng)濟效益具有積極意義。