基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)

基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng),基于,互聯(lián)網(wǎng),風電塔筒免爬,裝置,診斷,系統(tǒng) 2017年第9屆IEEE通信軟件和網(wǎng)絡國際會議 基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng) 李志斌 楊麗 上海電力大學自動化工程學院 上海電力大學自動化工程學院 中國上海市區(qū) 中國上海市區(qū) 電子郵件：13371896969@163.com 電子郵件：1162531291@qq.com 摘要——隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，風力渦輪機的安裝數(shù)量大大增加，維護工作量也在迅速增加，風電塔筒免爬裝置在日常檢查和維護工作中起著重要的作用。為克服塔式免爬升裝置管理維護中存在的不足，提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒舉升診斷系統(tǒng)。該診斷系統(tǒng)的設計框架由感知層，傳輸層和應用層組成。 系統(tǒng)硬件采用模塊化設計方法，包括控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，通訊模塊和電源模塊，系統(tǒng)軟件包含基礎信息模塊，信息維護模塊，監(jiān)控信息模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，建立風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)。該基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化和監(jiān)控管理信息，不僅保證了風電塔筒維護的效率和安全性，而且開辟了新的維護模式。 關鍵詞：風電塔筒； 免爬裝置； 互聯(lián)網(wǎng); 診斷系統(tǒng)； 一，引言 在國家相關政策的支持下，我國的可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。在可再生能源行業(yè)之間，風電行業(yè)以最快的速度發(fā)展，其裝機容量和安裝數(shù)量增加，從而帶來了風電維護市場的巨大潛力。為了獲得更好的風力發(fā)電收入，機組的日常運行和維護變得越來越重要。目前，我國風電高空安全設備的發(fā)展仍處于起步階段，應用最廣泛的是功能簡單的攀爬輔助裝置。隨著人們對安全性和效率的日益提高的認識，風電塔筒免爬設備的普及率逐年提高。 目前的情況是，風電塔筒免爬裝置是一個獨立的裝置，維護工作主要由風電場的工作人員完成，對于安全隱患這一現(xiàn)象，難以滿足故障處理和定期維護的需要。 有時會發(fā)生故障，漏檢和不可靠的維護。風電場經(jīng)理已經(jīng)認真考慮了如何確保使用風電塔筒免爬設備的安全性，如何最大程度地減少損失并確保風力渦輪機的日常運行和維護。面對龐大的風電維修市場，目前的風電塔筒免爬設備管理方式遠遠不能滿足當前的需求，因此必須將互聯(lián)網(wǎng)新技術應用于風電塔筒免爬設備的監(jiān)控，以實現(xiàn)監(jiān)控管理的自動化和信息[1]。 基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡收集各種監(jiān)控參數(shù)，通過無線或有線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，從而可以實現(xiàn)對風電塔筒免爬設備的智能管理和維護設備[2]。在這種管理方式下，可以實時監(jiān)控風電塔筒免爬裝置的運行狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡將狀態(tài)信息發(fā)送到風電塔筒免爬裝置的管理監(jiān)控中心，實現(xiàn)人與免爬裝置之間的信息交互和處理。診斷系統(tǒng)的建立，一方面可以實現(xiàn)對免爬裝置狀態(tài)的實時監(jiān)控以及預警和報警，從而可以降低風電塔筒免爬裝置的故障率，提高其修復速度。 另一方面，它可以為風電塔筒免爬裝置的維護提供技術支持[3]。 二， 整體框架的系統(tǒng)設計 風電塔筒免爬裝置的診斷系統(tǒng)主要監(jiān)測影響免爬裝置安全運行的多個特征參數(shù)，例如繩索的張力，距離，速度，加速度，減速度，免爬裝置的額定載荷以及免爬設備控制箱中控制器的狀態(tài)和變頻器的操作參數(shù)。這些參數(shù)可以通過無線傳輸技術或光纖傳輸技術傳輸?shù)皆\斷系統(tǒng)，然后由診斷系統(tǒng)進行管理。 風電塔筒免爬裝置的診斷系統(tǒng)由感知層，傳輸層和應用層組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 感知層由安裝在風電塔筒免爬設備相應部分中的各種傳感器組成[4]。這些傳感器實時監(jiān)控風電塔筒免爬設備的物理和環(huán)境狀況，尤其是風電塔筒設備的安全參數(shù)。 他們還可以隨時通過控制箱中的控制器連續(xù)傳輸信息。安裝，維護和檢查信息保存在風電塔筒免爬設備的控制設備中。 這些信息為及時維護風電塔筒免爬設備提供了技術基礎?？刂葡渲锌刂破鞯暮诵娜蝿帐峭瓿蓪︼L電塔筒免爬裝置的安全控制，對感知層傳輸?shù)男畔⑦M行分類，并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行初步分析，并對分析結(jié)果進行不同處理，然后進行分類。 根據(jù)風電塔筒免爬裝置的工作條件得出處理結(jié)果。如果情況非常危險以至于嚴重影響人們的安全，則診斷系統(tǒng)將發(fā)送警報信息，或者將數(shù)據(jù)存儲起來，然后通過傳輸層傳輸?shù)綉贸绦驅(qū)印? 圖1.風塔自由攀爬裝置診斷系統(tǒng)的總體框架 傳輸層使用兩種傳輸模式。 一種是將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤悠脚_的光纜傳輸方式，可以滿足管理的需求。 風電塔筒免爬裝置的診斷系統(tǒng)可以連接到DCS系統(tǒng)，方便管理。另一種是GPRS無線傳輸模式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤悠脚_，該平臺利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)維護[5]。應用層平臺是一個用于安全監(jiān)控，故障分析和維護記錄的管理系統(tǒng)。它的任務之一是接收從每個風電塔筒免爬設備傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，并分析風電塔筒免爬設備的運行數(shù)據(jù)。一定時間內(nèi)了解風電塔筒免爬裝置的實時運行狀態(tài)和故障分布情況。應用層可以及時將潛在的故障和現(xiàn)有故障傳遞給維護部門和負責人，從而為維護部門提供了一個檢查平臺[6]。應用層的另一任務是記錄風電塔筒免爬設備的安裝，修改，維護和檢查等。它將為風電塔筒免爬裝置的維護查詢和發(fā)送警告信息提供技術支持。 3， 系統(tǒng)的硬件設計 風電塔筒免爬裝置的診斷系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集風電塔筒免爬裝置的運行信號，如行駛方向，加速度等。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡傳輸信號。監(jiān)控系統(tǒng)將分析風電塔筒免爬設備的當前運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以預測和分析風電塔筒免爬設備的運行情況。一旦風電塔筒免爬裝置發(fā)生故障，控制系統(tǒng)將分析故障原因并發(fā)出警報，以便可以迅速識別并處理故障。同時，監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲故障數(shù)據(jù)并分析最大故障概率。 分析風電塔筒免爬裝置故障的原因可以為將來的預測提供理論依據(jù)，并解決潛在的不安全因素。 該系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。 圖2.系統(tǒng)的總體框架 A. 主控電路板 本文的主控制電路板是32個工業(yè)高性能嵌入式微控制器STM32F207IGT6。硬件如圖3所示。處理器具有基于ARMV7的Cortex-M3，主頻率高達120MHz，176針，1024K。 字節(jié)FLASH和128K字節(jié)SRAM，具有三個帶12位24通道的ADC和兩個帶12bit的DAC。 它適用于低功耗，高性能和低成本的嵌入式控制器。 圖3.主控制電路 B. GPRS通信模塊 我們選擇的GPRS是HUAWEI SIM800模塊，它支持4頻GSM / GPRS。 它的工作頻段為：GSM850，EGSM900，DCS1800和PCS1900MHz。 模塊的尺寸為24 * 24 * 3mm，可以滿足所有用戶的空間尺寸要求[7]。 圖4. GPRS模塊電路 GPRS模塊電路如圖4所示。引腳55、56和57用于供電。 52針代表NETLIGHT，它可以驅(qū)動網(wǎng)絡狀態(tài)指示。 通過觀察此引腳的工作狀態(tài)，我們可以了解SIM800的組網(wǎng)情況。 當網(wǎng)絡熄滅時，SIM800將關閉。 當網(wǎng)絡指示燈點亮64毫秒，熄滅800毫秒時，找不到網(wǎng)絡。 當網(wǎng)絡點亮64毫秒的亮度并熄滅3000毫秒時，就可以找到網(wǎng)絡。 當網(wǎng)絡指示燈亮起64毫秒，熄滅300毫秒時，GPRS可以通信。 類型 型號 功能 稱重傳感器 YZC-1616 收集重量信號。 一方面，可以判斷風電塔筒免爬裝置是否過載。一次重量信號大于踏板的最大承載能力時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，風電塔筒免爬裝置無法運行。 另一方面，系統(tǒng)可以根據(jù)稱重傳感器收集到的不同重量信號來控制風電塔筒免爬裝置的速度。 加速度傳感器 MPU-6050 收集風電塔筒免爬裝置的速度信號和偏離角度，以判斷行駛速度是否過快以及風電塔筒免爬裝置的運行是否平穩(wěn)。 無線收發(fā)器 SI4432 將稱量信號和速度信號發(fā)送到電氣控制系統(tǒng)的中心 C.傳感器選擇 下表I中顯示了負責收集風電塔筒免爬設備操作數(shù)據(jù)的傳感器的選擇。 表I.傳感器選擇 4， 系統(tǒng)的軟件設計 該系統(tǒng)的軟件設計包括風電塔筒免爬設備的終端監(jiān)控和上位機信息管理系統(tǒng)。 終端監(jiān)控軟件的設計對于實現(xiàn)風電塔筒免爬設備的預期功能至關重要。 雖然空間有限，但本文并未詳細介紹終端監(jiān)控軟件的設計。上位機信息管理系統(tǒng)軟件主要包括基本信息管理模塊，監(jiān)控信息模塊，維護信息模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。 該系統(tǒng)通過無線傳輸模塊收集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行密集處理，然后讓維護單元訪問以實現(xiàn)遠程實時監(jiān)視和查詢，并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)[8]。 A. 基本信息模塊 該模塊具有風電塔筒免爬設備的基本信息管理和用戶管理的功能。 風電塔筒免爬設備的基本信息包括風電塔筒免爬設備的名稱，地址，維修公司的名稱，維護人員的姓名，維護人員的聯(lián)系信息，風電塔筒免爬設備的制造商，最后 維護時間，下次維護時間，下次年度檢查時間和檢查單位的名稱等。用戶管理的設計包括操作員的基本信息，例如他們的姓名，密碼和聯(lián)系信息等。 它可以添加，刪除和修改操作員的數(shù)量，設置操作員的使用許可。 用戶管理還具有一個分級系統(tǒng)，只有擁有權(quán)限的人才能查看該信息。 B. 維護信息模塊 維護單元有權(quán)設置風電塔筒免爬設備的數(shù)據(jù)管理，故障管理和維護管理功能[9]。 通過網(wǎng)絡維護，操作員可以隨時檢查風電塔筒免爬裝置的狀況，例如故障風電塔筒免爬裝置的清單，要維護的風電塔筒免爬裝置的清單以及要進行年度檢查的清單。另一方面，操作員可以修改，補充和更新風電塔筒免爬設備的相關信息，設置相關的管理約束。 在軟件設計方面，瀏覽和查詢是主要功能。 對于查詢，操作員可以從以下方面進行搜索：時間范圍，品牌，維修單位，行政區(qū)域，維修人員和姓名。對于數(shù)據(jù)和信息更新，該模塊設計了良好的人機交互界面，可以滿足功能需求。 C.監(jiān)測信息模塊 監(jiān)視信息模塊用于實時監(jiān)視風電塔筒免爬設備的運行狀態(tài)和故障狀況[10]。 安全監(jiān)視中心服務器和維護單元都可以遠程監(jiān)視工作狀態(tài)，運行狀態(tài)和下降狀態(tài)以及與風電塔筒免爬裝置的安全性相關的特征參數(shù)的其他變化。監(jiān)視信息模塊中設置了故障SMS警報功能。 當風電塔筒免爬設備發(fā)生故障時，監(jiān)控信息模塊將在第一時間通過消息通知現(xiàn)場人員。 如果相關人員在指定時間內(nèi)未能處理該消息，則警報信息將升級，并將錯誤消息發(fā)送給上級相關主管和負責人。 D.數(shù)據(jù)分析模塊 風電塔筒免爬設備安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊包括兩個部分。 一種是在監(jiān)視終端中完成的基本數(shù)據(jù)分析，另一種是在服務器中完成的復雜數(shù)據(jù)分析。通過基本數(shù)據(jù)分析，監(jiān)控終端獲得風電塔筒免爬裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的信息，并將風電塔筒免爬裝置的運行參數(shù)與標準參數(shù)進行比較，確定風電塔筒免爬裝置的運行狀態(tài)和故障狀況。 [11]。當比較結(jié)果超出標準參數(shù)范圍時，錯誤消息將及時發(fā)送給相關管理人員。 服務器的數(shù)據(jù)分析主要是在一段時間內(nèi)提取，分析和預測運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，這將通過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘技術來實現(xiàn)，以達到對故障信息進行預警的目的。 五，總結(jié) 基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)可以實時監(jiān)控風電塔筒免爬裝置的真實運行狀態(tài)，并在發(fā)生故障時及時通知。 它還可以根據(jù)嚴重性對警報信息進行分類。 系統(tǒng)的傳輸模塊有兩種類型，GPRS無線傳輸和光纜傳輸。大多數(shù)風力渦輪機都保留有光纖接口，因此無需布置網(wǎng)絡線路，并且安裝簡單，維護容易。 診斷系統(tǒng)可以自動記錄運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)送告警信息，分析故障原因，幫助維護人員及時解決問題。維護單位和操作員都可以通過Internet登錄以進行監(jiān)督和管理。 基于互聯(lián)網(wǎng)的風電塔筒免爬裝置的診斷系統(tǒng)在野外無人的情況下完成了工作，為風電塔筒免爬裝置的管理工作帶來了極大的方便。 一方面可以提高工作效率和管理效率，減輕維修人員的勞動強度。 另一方面，可以最大程度地保證風電塔筒免爬裝置的安全運行，具有廣泛的社會和經(jīng)濟效益。 出處 The Diagnosis System of Wind Tower Free Climbing Device Based on Internet of Things 15