网络化风力发电机组状态监测系统设计开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文献综述

1、课题背景及意义

能源供应与环境的和谐发展是当今世界各国面临的基本问题之一。随着经济发展和人口增长，能源供应需求量日趋紧张，采用传统化能源解决能源供需问题受到能源储备量和环境保护要求等多方面的制约。在此背景下，可再生能源的开发利用日益受到世界各国的重视，可再生能源发电技术取得迅猛发展。风能是世界上分布最广泛的绿色清洁可再生能源之一，风能的开发利用已经有几个世纪的史。近数十年来，随着人们对风力发电技术不断地努力研究和开发，风力发电成为首先实现产业化的一种可再生能源发电技术，其经济效益对传统发电方式已具备可观的竞争力，大规模利用风力发电的潜在社会效益难以估量。

而发电机是风力发电机组的核心，其安全可靠运行将直接关系到整个机组的稳定和电能的质量。风力发电机长期处在极端温度、风沙、盐蚀等恶劣气候环境下，并承受了巨大的机械应力，极易发生各类机械、电气故障。因此，研究和开发风力发电机的监测系统有着十分重要的意义。

2、该领域的研究进展情况

2.1国内外发展状况

2.1.1世界风力发电现状[1]

据世界风能协会(GWEC)的统计，2010年全世界风力发电装机容量194.4GW(风车约17104台)，比2009年的158.7GW增加了22.5%。自20世纪90年代以来，风力发电装机容量呈指数级增长。目前世界电力约2%由风电供应，欧盟(EU)平均约5%由风电供应，到2020年全球风电供应量将占电力供应总量的12%。

全球风力发电开发状况按地域划分，欧洲、亚洲、北美共占世界的97.2%，分别为44.3%,30.2%和22.7%。与2009年比较，令人瞩目的是亚洲大陆的开发进展。2009年亚洲与北美处于同一水平，仅2010年一年就远超北美，这主要源于中国的跃进开发。风力发电多极化也反映出全球经济活动的多极化。按国家划分，风力发电装机容量中国居第一位(42287MW，占21.75%)，其后是美国(40180MW,占20.67%)、德国(27214MW，占14.00%)、西班牙(20676MW，占10.64%)、印度(13065MW，占6.72%)等。按企业划分，前10位中中国占4位，欧洲占4位，其次是美国、印度各占1位，丹麦的Vesta、居第一位。数年之前一直是德国、西班牙、丹麦等欧洲国家拉动世界风电开发，然而近两年中国、美国突飞猛进，今后风力发电可望成为欧洲、亚洲、北美的主要电力来源。从中长期来看，随着发展中国家经济的发展，中东、南美、非洲也将进行风力发电开发。

2.1.2我国风力发电现状[16]

近年来，我国风电产业发展势头强劲。2009年中国新增风电装机容量为1380.3万kW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2580.5万kW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1892.8万kW，累计风电装机容量为4473.3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家。

2.2典型的网络化控制系统

目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制系统、工业以太网控制系统以及无线网控制系统等。

2.2.1现场总线控制系统[15]

根据国际电工委员会IEC/SC65C的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的数字控制系统称作现场总线控制系统

（FCS)。

从控制系统开放性的角度上讲，现场总线控制技术可以认为是网络化控制系统发展的初级阶段，至今仍是工业控制领域的应用热点。例如，应用于现代汽车工业中的CAN,广泛用于楼宇智能控制的LonWorks、应用于石油化工及工业过程控制中的FF、以及侧重于PLC通信的PROFIBUS和其他诸如ControlNet,Wor1dFIP,Interbus,ASI,DeviceNet,SwiftNet,HART,SDS,Seriplex,P_Net等等多种现场总线技术。形形色色的现场总线根据自己的特色及市场定位，在特定的应用领域中显示出了各自的特点和优势。

2.2.2工业以太网(IE)控制系统

以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的介质访问控制方式，当某个节点要传送数据时，它将监听网络，如果网络忙，则等待直至网络空闲，否则立即传送。如果有多个节点监听到网络空闲并决定同时传送数据，那么这些节点就会发生报文冲突，引起数据丢失。此时这个传送节点将停止传送，等待由标准二进制指数退避算法确定的一段随机长的时间后再重新传送。这个过程是非实时的，以太网也因此一直被称为是一种不确定性(nondeterministic)网络，而控制系统最大的特点在于满足实时通信的要求，以太网的这种平等竞争的介质访问控制方式难以满足实时性，这也成为以太网进入控制领域的主要障碍。此外，以太网还要考虑环境适应性、可靠性，总线供电以及木安防爆等安全性问题。

工业以太网控制技术是普通以太网技术在控制网络中延伸的产物。目前己经出现工业以太网技术如H1的高速网段HSE,Ethernet/IP,ProfiNet等。工业应用中非实时数据的特点是大小和发送频率经常变化，而实时数据的特点是数据包短、负荷低。一般利用TCP/IP协议来发送准确性要求较高的非实时数据(例如用户编程数据、组态数据等)，这些数据实时性要求不高，数据大小及频率经常变化;而用UDP/IP来发送实时数据(例如各种检测设备和控制器的I/0信号，控制器之间的互锁信号和部分系统状态监视数据等)，实时数据的数据包短，负荷低。尽管工业以太网采用提高通信速率、全双工交换技术、提供适应工业环境的器件等措施，这些措施能在一定程度上缓解不确定问题，但还不能从根木上解决问题，因此还有待于进一步研究。

2.2.3无线局域网控制系统

无线局域网技术是计算机网络和无线通信技术相结合的产物。无线局域网中所用的是便携设备，其中的分组传输包括移动站之间和移动站与固定站之间的传输。使用无线多址信道的分组交换网络，采用载波监听多路访问/冲突避(CSMA/CA)的介质访问控制方式。

一些论文对网络化控制系统中引入无线通信网技术以及无线网的介质访问控制方式与控制性能等方面作了研究。在工业自动化系统中，通过无线链路在传感器、控制器以及执行机构之间传送测量值及控制指令，可以实现快速分发、安装灵活、实现全移动式操作并且可以避免有线网络因环境而恶化的情况。但是无线网络化控制系统的实现仍然是一个具有挑战性的任务，同工业以太网控制技术类似，无线局域网技术同样存在数据丢失、随机延迟以及安全性等问题，并且频谱缺乏是无线链路性能的一个主要限制因素。

2.3网络化控制系统的结构

根据控制系统的复杂程度以及控制应用目的的不同，可以将网络化控制系统从基木结构上分为两种类型。

一类是直连结构，如图1所示。控制器和被控设备分布在不同的地点而直接利用网络连接。

图1直连结构的NCS

2.4网络化控制系统的延迟类型及特性

网络化控制系统的延迟特性可以根据系统所使用的网络类型的不同，而有不同的分析方法。

目前网络从数据链路层的数据传输服务方式上可分为轮询式服务网络(Cvclicservicenetwork)和随机访问式服务网络(Randomaccessnetwork)。

轮询式服务网络，例如IEEE802.4,SAE令牌总线网络、PROFIBUS,IEEE802.5,SAE令牌环网络、MIL-STD-1553B航空总线以及FIP等、此类网络的控制信号和传感信号等以确定性的方式按一定的逻辑调度顺序获得网络的使用权，因此网络中传感器和控制器之间、控制器和执行器之间的延迟是恒定的。但在实际应用中也会出现一些特殊的情况，例如控制器和远程系统之间会出现时钟不同步的现象而引起网络延迟的变化。

随机访问式服务网络有CAN,Ethernet等，这类网络由于采用公平竞争及随机访问的介质访问方式，排队以及数据冲突等因素会导致链路延迟发生变化，引起随机时变延迟。此外其他的影响因素，例如在交换机和路由器的排队时间延迟，不同的网络传输路径引起的传输时间差异，轮询式服务网络和随机访问式网络的异构连接等都可能造成随机性的网络延迟问题。

3、现有的风力发电机的监测系统

3.1风力发电机组在线监测系统构成

3.1.1硬件部分

风机在线监测系统包括信号检测、数据采集、数据处理、显示打印和电源等模块。

(1)信号检测模块

信号检测模块由传感器、信号变送器和信号预处理板三部分组成。传感器采用压电式振动加速度传感器和温度传感器等传感器,分别采集风电的振动量、关键部件或系统的温度量、转速及电气系统运行参数值。

信号变送器对采集到的微弱信号隔离、放大、补偿、变换,有较强的抗干扰能力以及远距离的驱动能力。信号预处理板主要完成信号放大、噪声滤波、信号隔离传输、类型变换等功能。

(2)数据采集模块

数据采集模块,实现对振动、温度、转速等参数的采集,并将采集到的模拟量转换成数字量,便于系统分析处理。

(3)数据处理模块

数据处理模块是系统的核心,完成与各接口模块通信,实时数据处理、刷新、组态和逻辑控制等功能。

(4)显示打印模块

显示器和打印机是输出设备,提供人机交互界面和记录、分析结果的硬拷贝输出等功能。

(5)电源模块

电源采用独立供电的方式,向变送器和预处理板分别供电。

3.1.2软件部分

软件功能包括:信号操作、状态监测、分析诊断、状态显示、报警及其它功能等。

软件系统能够在线连续检查风力发电机组运行过程中的振动、转速、负荷等各种参数，自动存储振动数据并对数据进行分析形成有诊断价值的数据，并提供专业的诊断图谱；可及时识别机组的运行状态，发现故障的早期征兆，对故障真伪、故障部位、故障类型、严重程度、发展趋势做出准确判断，从而及早消除故障隐患，避免事故发生，提高设备的可靠性，降低维修成本。

3.2在线监测系统总体结构

如图2所示是一种在线监测系统的总体框架图，振动数据与工艺数据由风力发电机经传感器、数据采集器传送到数据库中保存，采集器和数据库服务器放置于风场，客户通过有线网络的形式访问服务器中的数据，这样工作人员就可以远程实现对风机的在线监测。不同的工作人员可以根据自己的需求监测不同的风机，做不同的数据处理，互相之间不受影响[5]。这种方式亦可以借鉴。

图2系统总体示意图

3.3测点布置

为了得到有效地监测，需要对整个风机全面监测，包括机舱、塔架、轴承、齿轮箱、发电机等。风电机组现场测量点选择的不同，对于监测系统信号分析具有很大的影响，根据目前风电机组的实际运行情况，通常齿轮箱齿轮及其轴承、发电机及其轴承是较容易发生故障的部件。因此在监测中，将齿轮箱前后轴承、发电机前后轴承分别作为重点监测点，同时兼顾塔架等整个风机。

3.4数据采集

风机的振动数据经传感器转化为电信号，接入采集器的模拟通道，模拟通道电压输入范围为-20V到20V，能够适应各种在该电压范围内的各种振动传感器。数字通道可以接入0-24V电平，根据高低电平值得设定用做脉冲计数和采集转速信号。一个采集器有多个数字通道和模拟通道，通过拨码开关来选择接入传感器的类型。系统采样方式分为定频率、同步整周期、和连续采样3种模式。当转速信号接入正常时采用的是同步整周期采样，而当转速通道由于传感器损坏等原因造成转速信号异常时，系统自动切入定频率采样模式，防止数据丢失。连续采样主要是为了实现故障数据追忆。

3.5系统组态的设计与实现[5]

本流程图以一个风场为最基本单元，对一个风场进行管理，必要时可以增加风场。一个风场含有多台不同类型的风机，一台风机对应一个数据库，可以增加和删除数据库实现对风机的增加或减少，一台风机含有多个测点，其中包含有多个工艺测点和多个振动测点，工艺测点和振动测点在数据库中分别使用不同的数据表进行数据存储，对设备测点组态允许对测点的增加和删除。

图3组态流程图

3.6系统的软件实现

基于现实风场中风机类型种类多样，单台风机结构复杂，对每台风机的监测手段都不能完全相同，因此对风机的实时监测与故障诊断系统，要求提供不同的监测方案以及分析诊断工具。本系统主要包含以下功能模块:风场总貌图、风机总貌图、参数总表、振动棒图、时域波形、频谱分析、趋势图、倒谱分析、包络分析、相关分析、瀑布图、气隙监测、报警监控参数、报警日志，如图4所示。

图4系统监测软件的结构框架

1)风场总貌:显不该风场所有风机的当前工作状态，以及每台风机的基木信息及参数。

2)风机总貌:显不具体某一台风机的测点布局，测点的一些指标参数等。

3)气隙监测:包括气隙波形和雷达图两部分，主要监测直驱式风力机的发电机电子与转子间的间隙。

4)报警监控:风电机组运行出现异常状态时，将报警信息醒目的显不在监测系统中，提醒运行人员注意。

5)故障诊断:确定设备故障的性质、程度、类别和部位，明确故障、征兆、原因和系统之间的相互关系，并指明故障发展趋势。

6)动平衡计算:提供动平衡计算(最多可支持6平面11测点的平衡，附带配重分解、试重参考、结果优化等工具)。

4、总结

早期在我国风力发电技术刚刚起步的时候，风力发电机上还没有安装在线监测系统，所以不能很好的预不故障的来临，当故障发生以后，只能大停机进行大面积的检修，造成很长时间的停机，直接影响了风力发电机组的发电效率，造成了很大的经济损失。如今通过PLC软件建立起网络化的监测系统有利于及早的判断风机的运行状态发现故障，尽早发现故障的位置及其类型，有计划的做出故障处理。

风力机的测点我选择（1）主轴前轴承；（2）主轴后轴承；（3）齿轮箱前轴承；（4）齿轮箱行星级；（5）齿轮箱后轴承；（6）发电机前轴承；（7）发电机后轴承；（8）机舱；（9）塔架。测试参数有（1）转速；（2）各点温度；（3）机舱振动；（4）电缆扭转；（5）机械制动状况；（6）油脂。然后采用网络总线的方式，通过以太网形成网络化控制系统。

图5网络化监控系统设计

参考文献

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题为网络化风力发电机组状态监测系统设计。应先查阅相关文献，初步了解与课题相关的知识。然后构思系统的总体框架，并同时学习软件。最后根据自己对系统的构想用软件实现各个必需的功能。

研究手段：

(1)2015.1.1~1.20，查阅资料20篇中文，5篇英文，熟悉WINCC，STEP7，CAD软件的使用，5000字符以上的英文资料翻译，WINCC软件的学习。

(2)2014.1.1~12.20，5000字符以上的英文资料翻译，对PLC控制原理学习，WINCC软件的学习。

(3)1~3周，提交打印好的文献综述或调研报告及开题报告（围绕任务书,说明课题意义，国内外进展情况、方案论证，完成方案论证，工作思路等），学会STEP7软件的使用，熟悉WINCC软件。

(4)4周，毕业实习，WINCC软件的学习。

(5)5周，画检测系统原理图，熟悉传感器，写实习报告。

(6)6周，完成测试系统硬件选型，选择数据采集模块，连接硬件设备，CAD绘图(实验系统图1张2#图纸，监测系统原理图1张2#图纸，硬件连线图1张2#图纸)，掌握WINCC的基本操作。

(7)7周~8周，软件功能分析，WINCC与PLC的通讯学习。

(8)9周，对WINCC和Step7能够进行所需操作。

(9)12周，能进行所需参数的监测。

(10)13~14周，CAD图纸输出，完成论文初稿。

(11)15~16周，10000字以上论文撰写，（内容包括课题意义、方案论证、电路原理、传感器及测试电路的选择、得出课题的结论及心得体会），300字的中文摘要，300字的英文摘要，准备答辩PPT。

(12)17周，答辩。