专利名称：用于风力涡轮机的监测和处理设备与用于风力发电厂的预测性维护系统的制作方法
技术领域：
本发明包含在可应用于组成风力发电厂一部分的风力涡轮机的预测维护系统中。
背景技术：
基本上风力涡轮机以下列方式发电风使风力涡轮机的转子旋转，转子使发电机旋转发电。
风力涡轮机机舱的主要元件包括-转子由几个收集风的叶片组成，用螺杆固定到主轴上。
-主轴在转子和增速传动装置之间。
-增速传动装置连接在转子(在主轴的另一端)与发电机之间。
-发电机。
-偏航环系统允许机舱旋转以根据连接到控制系统的风向标的信号面对风向。
-控制系统控制风力涡轮机的大部分零件；因此，例如其控制偏航环系统。
风力发电厂由一台或多台(多达几百台)风力发电机和其他元件组成，如变压中心或变电站、一个或多个气象塔。所有这些元件通常由安装在位于风力发电厂本身的中央计算机中并通过本地通信网络连接到风力涡轮机的发电厂监视与控制系统监控。安装在中央计算机的应用程序采集所述元件的运行变量，以及其中产生的报警信号。
在风力涡轮机中应用传统预测性维护的困难主要基于以下几方面a)需要安装大量的预测装置，每台机器一个，因此产生大量的信息，为了检测可能的问题处理其是必需的；
b)由于预测装置的位置访问数据困难，其位于每一台风力涡轮机中，而风力涡轮机远离城市中心；c)需要简化维护和最小化每一个系统的成本；及d)需要根据风力涡轮机的具体运行状态调节信号捕获，且为了消除由风力涡轮机的瞬时状态引起的噪声，在信号捕获期间维持该运行状态，并需要获取关于风力涡轮机重要元件的状态的有用信息。
发明内容
本发明涉及根据权利1要求所述的用于风力涡轮机的监测和处理设备，并涉及根据权利要求11所述的用于风力发电厂的预测性维护系统。设备和系统的优选实施例在从属权利要求中定义。
本发明的预测性维护系统解决了上述缺点，系统使用了风力发电厂中常见的基础设施，并由于其可调节的和稳定的监测大幅降低了专门用于分析信息的资源需求及其处理能力的需求，因此达到了上述目标。
本发明的预测性维护基于振动分析，最适于风力涡轮机。
风力涡轮机中预测性维护系统的主要目标是早期检测风力涡轮机的下列重要元件中的磨损、缺陷和故障主轴、增速传动装置和发电机。
本发明的目标是提供最少维护和低成本的设备，该设备易于集成到风力涡轮机的机舱中，具有数据处理能力及独立检测与风力涡轮机重要机械元件的状态相关的报警信号，并能够通过发电厂通信系统向常用监视和控制系统报告报警，而无需具有发电厂本身特定的辅助软件。
本发明的预测性维护系统可应用于风力发电厂，该风力发电厂包括至少一台风力涡轮机，而如前所述风力涡轮机包括作为提供风力涡轮机运行变量的主要元件之一的控制系统。
本发明涉及用于风力涡轮机的监测和处理设备，风力涡轮机包括控制系统，并根据所安装的风力涡轮机的类型配置监测和处理设备。
本发明的设备包括-连接到所述风力涡轮机的控制系统的连接装置，及-连接到一组放置在风力涡轮机的预设元件中的加速度计的连接装置，所述监测和处理设备配置为只要接收到的来自控制系统的风力涡轮机的预定运行变量进入预定范围内，就启动加速度计组捕获信号，及所述监测和处理设备配置为只要测量进行中产生的所述运行变量的值在整个信号捕获期间的变化没有超过设备中设置的上下限，就完成所述信号捕获。
-用于处理加速度计捕获信号的处理装置，以获得一套与捕获信号相关联的全局变量，及-用于产生与风力涡轮机机械元件的破损与故障相关的报警信号的装置。
风力涡轮机的预设元件优选主轴、增速传动装置和发电机。
确定加速度计信号采样的风力涡轮机预定运行变量优选风力涡轮机产生的瞬时功率、发电机的每分钟转速和偏航环的旋转。
捕获信号视为有效的所述变量的预定运行范围根据风力涡轮机的额定特性(如额定功率)定义。通常认为其大约在对应于风力涡轮机运行中略微超过额定功率的一半的范围。
-运行范围低于定义的范围不适于检测机械元件中的问题，因为原件没有承受用于获取来自测量结果分析的有用信息的必要负载。
-运行范围高于定义的范围不适于检测机械元件中的问题，因为由于风力涡轮机控制系统的运行状态，测量结果太分散。
-当机舱的偏航环旋转时，也不采用加速度计的测量结果，因为传动装置的齿能够引起碰撞导致扭曲信号的测量结果在加速度计的信号捕获处理期间，确定采样开始的变量的值的变化不应超过上下限，对每一个运行变量上下限由变量初始值的百分比决定，其被称为稳定运行状态。如果不符合该状态，则丢弃采样值。
因此，本发明的系统执行重要元件的连续监测，优选主轴、增速传动装置和发电机，且该监测是-受调节的根据机器的运行状态，由风力涡轮机的控制系统协助。
-稳定的在整个采样期间运行状态必须保持。
如前所述，为了处理加速度计的捕获信号，监测设备拥有用于处理加速度计的捕获信号的装置，优选包括○用于调节信号的装置，优选抗混淆滤波、信号数字化、用于获取信号频谱的快速傅立叶变换应用；○用于计算一系列全局值的装置，其中优选振幅因数、信号的全局方均根、频带的全局方均根；○执行程度报警监测算法的装置；○执行趋势报警监测算法的装置。
本发明的监测和处理设备的报警产生装置包括根据上述两个报警检测算法的应用程序的结果产生报警信号的装置。
优选加速度的计信号捕获包括捕获三种连续信号采样一个用于高频处理，一个用于低频处理，还有一个用于数字滤波处理。
报警检测算法的参数以及最大频率、频带和其他值的定义能够在监测和处理设备中配置。
本发明的监测和处理设备优选包括用于存储引入监测和处理设备或由监测和处理设备自身产生的信息的存储装置。该信息包括从处理获得数据，如频谱、全局值、报警和采样条件、风力涡轮机的运行变量，设备的完整配置及全局变量和报警的记录。
换句话说，该存储优选包括○存储频谱，以及与每一个频谱关联的全局值和触发数据采集的风力涡轮机运行变量；○在所述两个报警监测算法的应用程序之后存储产生的报警信号。
存储该信息的规则能够根据处理和分析的需要由监测和处理设备中自身配置，其内容如下■存储的频谱数量全部，最近n天，最近n天的每x个小时；■存储的全局变量数量全部，最近n天，最近n天的每x个小时；■存储的警报数量与警报相关的频谱数量。
本发明还涉及用于风力发电厂的预测性维护系统，风力发电厂包括一组风力涡轮机、通信网络和监视与控制系统。
预测性维护系统包括-如本说明书中所述的监测和处理设备，其连接到风力涡轮机的控制系统，从而监测与处理设备被配置为通过风力涡轮机的控制系统向监视和控制系统发送警报。
本发明的预测性维护系统集成在信息系统中，信息系统利用可用的基础设施发送由监测与处理设备本身产生的信息；该设备安装在风力涡轮机的机舱中并连接到风力涡轮机的控制系统，而控制系统通常其是连接到发电厂监视系统，因此该设备不需要任何计算机或除通常的发电厂监视和控制系统之外的应用程序。监测和处理设备能够通过风力涡轮机的控制系统向通常的监视和发电厂控制系统发送警报，在所述系统中能够如那些由其他元件产生的其余报警以相同的方式表示这些警报，例如风力涡轮机控制系统本身。
换句话说，为了通知操作员捕获信号的处理结果和可能检测到的警报，监测和处理设备使用现有基础设施通过风力涡轮机的控制系统向常规发电厂监视系统发送经过计算的全局值和由其产生的警报，并因此实现了与风力发电厂信息系统的集成；如果发电厂中有以太网通信系统，其向振动分析装置发送全部数据(频谱、全局值和警报)包，振动分析装置配置为允许擅长振动分析领域的技术人员详细研究监测装置提供的信息。
关于对从预测设备提取的信息进行的分析，预测性维护系统具有安装在精于频谱和振动分析的工程师的计算机中的专业软件，其允许执行任何类型的对从安装在每一台风力涡轮机中的预测设备采集到的数据进行的分析。
根据发电厂的配置，信息通过一个或多个通道传送到风力涡轮机之外-如果发电厂具有连接到监视系统的串行网络，报警和全局值及采样条件(但不包括频谱，由于它们的数据量比较大)通过风力涡轮机的PLC(可编程逻辑控制器)被传输到风力发电厂的监视系统。警报将被集成，类似于监视应用程序中其余的发电厂报警。在发电厂具有基于串行协议的网络的情况下，对发电厂监视计算机中采集到的全局值进行分析如果从中确定必须执行更深入的分析，则有必要定位产生报警的风力涡轮机以下载与所述报警相关的频谱(其存储于监测设备存储装置中)。
-如果发电厂中有以太网，除了通过PLC向发电厂监视系统发送警报和全局值，所有与测量相关的信息(频谱、全局值、警报和采样条件)将被发送到安装在发电厂特定计算机中的数据存储区域。因此，分析装置，优选安装在发电厂外的(在维护办公室中)，允许精通振动的技术人员分析由安装在发电厂的每一台风力涡轮机中的监测设备产生的频谱、全局变量和报警。
预测性维护系统具有频谱应用程序，其允许预测性维护系统执行安装在风力涡轮机中的预测设备的下列任务-完成监测和处理设备的配置，其中包括参数，如有效信号捕获范围和稳定运行条件定义；设备IP地址；最大频率，线路数量和用于高、低频处理与数字滤波的限定带宽；用于在设备中存储信息的规则；水平和趋势报警检测算法的参数；加速度计的特性；增速传动装置的特性；发电机的特性，以及其他特性。
-连续采集预测设备的信息，主要是设备状态，通信状况、传感器状态，全局变量，频谱，产生的报警，以及全局变量和报警的记录。
在上一点中提到的用于预测性维护系统的设备系统的特定应用程序允许执行一组关于从安装在风力涡轮机中的预测性维护系统中采集到的数据的任务，其中一些是-建立关于预测系统的元件等级，风力涡轮机、监测和控制设备、加速度计，-定义接入配置文件并研究数据，-根据机器类型、重要元件的特性产生预测设备的配置文件，-分析预测设备的全局变量的趋势，-对从预测设备采集到的频谱进行频谱分析，-数据比较。
本发明的系统因此能够与当前风力涡轮机中已有的控制系统和PLC集成，也能与风力发电厂中已有的通信网络和风力发电厂监视系统集成。从而不需人工处理或特别的专业应用程序，就可能检测到重要元件中的问题且与部分信息一起提出这些问题，这些信息检测了到安装在发电厂中的常见系统中的问题，并促进了正常运行和风力发电厂开发。
在与安装了风力涡轮机中的预测性维护系统有关的重要优点中能够指出下列优点-故障检修减少，-保护风力涡轮机的其余元件，-增长风力涡轮机的使用寿命和改进风力涡轮机的运行。
在与安装了本发明系统有关的重要优点中能够指出下列优点-最少的维护和完全与风力涡轮机的其余元件集成在一起的低成本的设备；-连续监测的能力，根据风力涡轮机的运行过滤捕获的信号，其大幅降低了要处理的无关信息数量；-安装在风力涡轮机中的设备具有执行综合处理采集到的信号的能力和检测与风力涡轮机的重要元件中的问题相关的报警的能力，其大幅降低了专用于分析所获信息的资源的数量；-将设备集成在常见风力发电厂监视系统中的能力，其无需管理预测系统的专用资源或特殊系统即可完成使用常见操作和开发风力发电厂。
以下简要描述了一系列附图，其有助于更好地理解本发明，其明显与所述发明的实施例相关，该实施例作为非限定性实例提出。
图1是风力发电厂的示意图。
图2和图3是根据预测性维护系统的优选实施例的运行流程图。
图4是本发明系统的处理类型和报警检测的示意图。
图5是监测和处理设备的实施例的前端部分。
具体实施例方式
图1是风力发电厂的简单示意图。为了避免附图的复杂，只表示了风力发电厂中的两台风力涡轮机A1和A2及变压中心或变电站SB。发电厂的不同元件由安装在中央计算机中的发电厂监视和控制系统ST监测，中央计算机位于风力发电厂中并通过本地通信网络，如RS-232网络，连接到风力涡轮机。安装在中央计算机中的应用程序采集发电厂元件的运行变量以及其中产生的报警。发电厂能够额外地具有以太网RE的通信网络。且在发电厂变电站SB中，除了监视系统ST，还具有包含专业软件的计算机SP，以便擅长频谱和振动分析的工程师能够执行任何类型的对从安装在每一台风力涡轮机Ai中的监测和处理设备SPMi采集到的数据进行的分析。
对该图中的每一台风力涡轮机Ai，只表示了其中安装了加速度计Si的重要元件主轴Ei，增速传动装置Mi和发电机Gi。
监测和处理设备安装在风力涡轮机的机舱中，并连接到风力涡轮机的控制系统PLCi；而后者连接到发电厂监视系统ST；因此除了常规发电厂监视和控制系统，无需计算机和特别的应用程序，监测和处理设备SMPi能够通过风力涡轮机的控制系统PLCi向常规发电厂监视和控制系统发送警报，所述警报能够如由风力发电厂中其他元件产生的其余警报在所述系统中以相同的方式表示。
因此本发明的预测性维护系统集成在使用了已有的基础设施的信息系统中，该基础设施已经能够用于发送由每一台监测和处理设备SMPi产生的信息。
该监测和处理设备SMPi的实施例如图5所示。
监测和处理设备是一台小型设备，大小约和A4纸相当，厚约10厘米，重量轻(约2千克)，能够集成在安装于风力涡轮机的机舱内的开关板箱中。
监测和处理设备具有打开/关闭开关1及指示设备状态(打开/关闭)的发光二极管2。其还具有一组8个报告加速度计状态的发光二极管3。设备SMPi拥有8个连接到加速度计的通道，因此该设备具有接受8个传感器的信息的能力。
在本实施例中，图1已经指明存在6个加速度计Si(1个在主轴，3个在加速传动装置，以及2个在发电机)，因此两个通道仍然空闲。
为了对比和检查由加速度计采集的信息，该设备还具有8个用于连接外部设备到本发明系统的连接器4，其是拥有关于加速度计信号的第二冗余信息的方法，并能够以通用仪器分析该信息(例如，振动数据采集)。
该设备还具有以太网连接端口5，以及用于连接风力涡轮机的PLC的RS-232连接端口6(9针)。
该设备还具有供电连接器7(24伏)，和一组分别指示以太网和RS-232通信状态的发光二极管9和10。该设备具有用于连接器端口5和串行端口6二者的配置能力。
该设备内部拥有数字信号处理器DSP和含有TCP/IP通信堆栈的微芯片，以及处理通信的处理器。
本发明设备和系统的运行实例(其中主要的步骤示意性的表示在图2中)解释如下假设一台设备SMP安装在额定功率8501千瓦的风力涡轮机的机舱中，并连接到其控制系统PLC。
假设所述设备以如下用于风力涡轮机变量的运行范围配置
-瞬时功率有效范围＝[550，600]；稳定运行条件＝5％-风力涡轮机每分钟转数有效范围＝[1600，1640]；稳定运行条件＝1％还配置了水平报警检测算法参数、趋势报警检测算法参数和设备中信息存储规则。
一旦设备配置完毕，重要元件的连续监测开始。PLC处于与本发明系统的监测设备的连续通信中；除了特定的额外信息，如PLC的时间和日期和产生的累积功率，PLC向所述设备连续发送，如每200毫秒，关于运行变量的信息(步骤101)。
在给定时间，PLC向预测设备发送下列值瞬时功率＝575千瓦发电机转速＝1615转/分；及偏航环旋转＝停止。
这种情况符合加速度计的信号捕获条件(步骤102)，设备开始所述过程；其大约持续8秒并包含三种信号采样(步骤103)，其中每一个同时采集连接到该设备的加速度计的数据一个用于高频分析，一个用于低频分析，最后一个用于数字滤波。
假设下一个瞬间(200毫秒后)，设备在采样过程中，PLC发送下列值瞬时功率＝580千瓦发电机转速＝1635转/分；及偏航环旋转＝停止。
偏航环的旋转仍然停止，瞬时功率值的波动低于为该机器设置的5％，但是每分钟转速值的波动大于配置设定的1％。在这种情况下，设备将丢弃捕获到的信号，因为在整个采样期间，其不是在稳定运行状态下采集的。
假设PLC再次发送在运行范围内的值，且这些值在整个采样过程中保持稳定，从而信号捕获成功完成。
在该情况下，设备会开始处理采样信号的过程。测量到的信号首先经抗混叠滤波器滤波，信号被数字化，使用一系列的滤波器，通过对采样信号应用快速傅立叶变换最终获得频谱(步骤104和105)。其后，开始所获频谱的全局变量计算(步骤106)振幅因数、全局方均根和不同频带的方均根。一旦获得了这些值，约21个值，水平报警检测算法(步骤107a)将会根据一系列的已配置参数激活，例如采样的数值必须超过指定的值以触发报警。其后将会执行趋势报警检测算法(步骤107b)。假设设备检测到了报警(步骤108)。
一旦过程结束，根据在设备中配置的存储规则，所有与该次采样相关的信息存储在设备本身的非易失性存储器中(步骤109和步骤109b)。该信息将由频谱、相关全局值相关报警和风力涡轮机的运行值组成，风力涡轮机的运行值确定了包括日期和时间的采样。
信息通过一个或多个发送到风力涡轮机之外(如图3中示意性的所示)。
因此，一旦信号捕获过程处于进行中(步骤110)，如果有数据发送(步骤111)，则根据发电厂的配置发送信息-如果发电厂只具有连接到监视系统的串行网络RS，报警和全局值及采样状况(但是不包括频谱，由于其数据量比较大)通过风力涡轮机的PLC将被传输到风力发电厂监视系统ST(步骤112和113)。报警将类似于监视应用程序中的其余发电厂报警集成。在发电厂具有基于串行协议的网络的情况下，对发电厂监视计算机中采集到的全局值进行分析如果从中确定必须执行更深入的分析，则有必要定位产生报警的风力涡轮机以下载与所述报警相关的频谱(其存储于监测设备存储装置中)。
-如果发电厂中还有以太网RE(步骤114)，除了通过PLC向发电厂监视系统发送警报和全局值，所有与测量相关的信息(频谱、全局值、警报和采样条件)将被发送(步骤115)到安装在发电厂特定计算机中的数据存储区域。因此，包括分析软件的计算机SP允许精通振动的专家分析由安装在发电厂的每一台风力涡轮机中的监测设备产生的频谱、全局变量和报警。
图4以原理性的和简化的方式表示了用于本发明系统的全局变量计算和报警检测的处理。为了防止使附图复杂化，只显示了低频序列。其余分支(高频和检波)的展开图类似。
当控制系统PLC表明风力涡轮机的运行状态适宜，加速度计开始信号捕获一个用于高频分析HF，一个用于低频分析BF，最后一个用于数字滤波FD或检波。如前所述，对于这三种采样中的每一个，计算下列值频谱、全局方均根、振幅因数和不同频带的方均根，并对每一种情况在监测和处理设备SMP中执行水平和趋势报警检测算法。相应的频谱分析将同样在包含专业软件的计算机SP(安装在变电站SB中)中执行。
权利要求
1.用于风力涡轮机(Ai)的监测和处理设备(SMP)，风力涡轮机包括控制系统(PLC)，所述设备包括-与风力涡轮机的所述控制系统(PLC)相连的连接装置，及-一组与位于风力涡轮机的预设元件(Ei，Mi，Gi)中的加速度计(Si)相连的接装置，所述监测与处理设备配置为一旦接收到的来自控制系统的风力涡轮机的预定运行变量在预定运行范围内就开始加速度计组的信号捕获，及所述监测与处理设备配置为一旦测量进行中产生的所述运行变量的值在整个信号捕获期间的变化不超过设备中设定的上下限就完成所述信号捕获，及所述监测和处理设备包括-用于处理加速度计的捕获信号的处理装置，以获得一组与捕获信号相关的全局变量，及-用于产生与风力涡轮机机械元件的失效或故障相关的报警的装置。
2.根据权利要求1所述的监测和处理设备，其特征在于风力涡轮机(Ai)的所述预定运行变量是由风力涡轮机产生的瞬时功率，发电机(Gi)的每分钟转数，以及偏航环的旋转。
3.根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备，其特征在于风力涡轮机的预定运行变量的所述预定范围根据风力涡轮机(Ai)的额定特性确定。
4.根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备，其特征在于用于每一个运行变量的上下限由每一个变量的初始值的百分比确定。
5.根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备，其特征在于加速度计的信号捕获包括进行三种连续采样一种用于高频处理(HF)，一种用于低频处理(BF)，最后一种用于数字滤波处理(FD)。
6.根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备，其特征在于所述处理工具包括-用于调节信号的装置，-用于计算一组全局值的装置，-用于执行水平报警检测算法的装置；及-用于执行趋势报警检测算法的装置。
7.根据权利要求5和6所述的监测和处理设备，其特征在于报警检测算法的参数和最大频率、频带能够在监测和处理设备自身中配置。
8.根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备，其特征在于其包括用于存储进入监测和处理设备及由监测和处理设备本身产生的信息的存储装置。
9.根据权利要求8所述的监测和处理设备，其特征在于存储在存储装置中的所述信息包括频谱、全局值、报警、风力涡轮机运行变量、设备的全部配置及全局变量和报警的记录。
10.根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备，其特征在于风力涡轮机的所述预设元件是主轴(Ei)、增速传动装置(Mi)和发电机(Gi)。
11.用于风力发电厂的预测性维护系统，风力发电厂包括一组风力涡轮机(Ai)、通信网络(RS)及监视和控制系统(ST)，其特征在于预测性维护系统包括-根据上述任一权利要求所述的监测和处理设备(SMP)，所述监测和处理设备连接到风力涡轮机(Ai)的控制系统(PLC)从而监测和处理设备配置为通过风力涡轮机的控制系统向监视和控制系统发送报警。
12.根据权利要求11所述的预测性维护系统，其特征在于其包括用于对从监测和处理设备(SMP)提取的信息进行频谱和振动分析(SP)的装置。
全文摘要
用于风力发电厂的预测性维护系统，风力发电厂包括一组风力涡轮机(Ai)、通信网络(RS)及监视和控制系统(ST)。预测性维护系统包括连接到风力涡轮机(Ai)的控制系统(PLC)的监测和处理设备(SMP)，从而监测和处理设备通过风力涡轮机的控制系统向监视和控制系统发送报警。本发明涉及用于风力发电厂的监测和处理设备(SMP)。
文档编号F03D11/00GK1882892SQ200480033717
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月14日
发明者何塞伊格纳西奥·略伦特冈萨雷斯, 玛丽亚何塞·马丁内丝德利萨杜伊罗莫 申请人:歌美飒风有限公司