风机叶片应力监测系统的应用

陈 钦

（福建省三川海上风电有限公司，福建 莆田 351100）

0 前言

近年来，风电项目的建设规模越来越大，风机也朝着大型化和高性能化的方向发展，因此作为风机重要的受力部件，叶片就需要承受更大的风力荷载。风机叶片应力监测系统在保证风机叶片具有良好性能的过程中发挥了重要的作用，它实现了全面、准确地对风机叶片应力进行分析、判断和监管的功能，而风机叶片应力监测系统的实践应用是该文的主要研究内容。

1 系统概述

在风力发电项目中，吊装位置不同的风机叶片所承受的风荷载也不同，而叶片直接影响风机的效率，进而影响发电机组的效率。准确地确认风机载荷可以促进其机组的优化操作且便于维护；同时，结合载荷监测的数据结果进行分析，还能够掌握机组的运行情况和寿命，判断其继续运行以及运行寿命的状态。根据上述需求，该文设计了一种叶片应力监测系统，在叶片根部位置设置应力监测传感器，获取叶片在扭转以及拉伸时所受荷载的实时变化情况，从而获取转子的叶根载荷。

借助该系统可以对叶片、叶轮所受风力的荷载进行记录和保存并结合实际情况和管控要求借助变桨的控制设施来实时调整浆叶的角度，实现叶片和轴承所受荷载的最小化控制，促进其运行效率的优化与提升[1]。同时，该系统以PLCnext 架构平台为基础，研发了风机叶片的数据采集和监控柜模块，对所采集的数据进行处理与管控，并且能够通过通信接口把数据传输、共享给上级单元。该系统是以模块化理念为基础而研发的，便于以后对其进行扩展、升级和优化改造。

2 系统应力测量的原理

风机叶片在受力过程中所受的应力主要有2 种，分别是翼面应力和边缘应力。其中，翼面应力指风机叶片在迎风受力状态下呈现的应力；边缘应力指因叶轮的旋转遭受空气作用影响而使叶片遭受的应力。系统在采集应力情况时，将应变传感器设置在风机叶片的根部位置并在每个叶片的翼面、边缘方向各安装2 个传感器，以构建正交回路体系，通过模拟量的信号对电路进行调整，达到采集、分析和计算相关数据的目的。同时，使用PLC 完成裸值处理以及剔除坏值等任务，最终获取准确的应力值。在测量应力情况时，针对应变片首先须进行电桥连接；其次，对电桥进行加电处理；最后，通过加电处理后，将应变片所产生的电阻变化信号进行电信号转化并输出[2]。在实际运用中，要根据图1 中的回路方式给具有同一方向状态的传感器接入模块，从而实现搭建电桥回路的目标[3]。电桥搭建的回路如图1 所示。

图1 电桥搭建的回路

3 监测系统的设计方案

3.1 系统主要构成

该系统的主要功能是对风机叶片的应力进行监测，采集相关数据并借助相应通信协议根据要求将数据对外传输到指定位置或者载体。在该系统内，所包括的系统部件主要有1 个叶片监控控制柜、12 根10 m的传感器电缆以及12 个应力传感器。该系统具备的主要功能包括通过PLCnext 平台对叶片应力监测的传感器所采集数据进行预处理；系统在使用的过程中具备无线通信的功能，能够接入WLAN；系统内的电源进线、内部的电源回路、信号处理和控制柜的内部空间等都设置有浪涌保护措施。系统内的控制柜参数如下：控制柜的输入电源为220 V AC；控制柜的规格为480 mm×480 mm×250 mm；控制柜的材料为不锈钢304；控制柜的防护等级为IP54；工作温度为-25 ℃～60 ℃；存储温度为-40 ℃～70 ℃。

3.2 叶片应力监测传感器布置

该系统所用的叶片传感器为德国菲尼克斯研发的RM-S 传感器，在每个叶片根部安装4 个传感器，且安装的位置一般位于距离叶根部约0.4 m 的地方。该传感器便于安装，当应变处于±1 000 µm/m 时，其疲劳寿命能够达到108次。该传感器的主要参数包括连接为A 编码的M12 连接器；最大工作延伸率为1 500 μm/m；断裂延伸率为2 500 μm/m；电阻值为（350±0.3%）Ω；防护等级为IP68[4]。在连接器的引脚分配中，传感器主要与具有控制柜指定孔式的连接器相连。

3.3 PLCnext 控制器及I/O 实现

该控制器为开放式的平台，主要包括模块化的工程软件、开放式的控制平台以及系统云等部分，满足功能变化和扩展的需求，因此在现有以及后续软件的服务中都具有很好的应用效果。该控制器具有许多功能，主要包括使PLC 实时数据与性能保持一致，在高级语言以及基于模型代码中也具有良好的适用性；能够有效集成开放源的代码软件以及应用程序，在调整方面具有无限的可能性；能够融合目前以及将来的通信标准，借助云连接达到智能联网的效果；不同开发人员能够通过不同编程语言进行独立开发，达到快速开发相关应用的目的。

该控制器的硬件参数包括Cyclone 5与ARM Cortex-A9 CPU 2×800 MHz；512 MB RAM，OEM 可选择升级到1 GB；SD 闪存卡插槽；1 个ETH-MAC 接口（2×10/100 MB） 和2 个IP 交换；C 型Micro-USB；实时时钟；Axio 现场总线，最多支持63 个模块；左侧扩展能力；安全可信平台模块 （TPM）；温度范围为-25 ℃～60 ℃。

该控制器的SGI 模块的主要参数包括菲尼克斯Axioline F I/O 系统，它是应变计的测量与采集模块；本地总线的传输速率为100 Mbit/s；保护等级为IP20，涉及总线的基础模块以及Axioline F 的连接器。该模块具有许多的功能，主要包括2 个用在应力测量中高精度的输入；在交付期间测量的范围能够按照名义的特征值进行调整；以人工方式输入特征值；在更新过程数据时，可以对200 µs与100 ms 间的增量数据进行设置；可以对环境过程的路径进行调整处理；具备2 点调节能力；通过4 线与6 线连接技术连接应变仪；先期开路检测；传感器的电源能够达到115 mA，称重的传感器共有8 个，且每通道具有350 Ω；每个通道都是低电阻，使用浮地式N/O 触点方式；借助总线系统能够分别对各个通道的参数进行设置。

系统用WLAN2100 路由器接入无线，该设备客户端存在2 个MIMO（内部天线），它们都是单孔安装，参数分别是IP66/IP68 和WLAN 802.11 a、b、g、n，天线频率分别为2.4 GHz 和5 GHz；RJ45 是传感器的连接器，主要用在局域网中。

4 系统的安装

在安装系统的过程中，主要涉及的安装部件有安装控制柜、安装及连接应力监测的传感器和传感器的线缆布线等。

在安装控制柜时，将其打孔安装在轮毂内，控制柜要结合机型的需要对结构进行合理设计。

安装及连接应力监测的传感器包括基板准备、传感器对齐、传感器粘贴、电缆安装以及连接器的引脚分配等环节。在安装前，要做好基板的准备工作，清理基板，通过清洁剂有效清除基板表面的油污、油脂与灰尘等物质；有时还需要借助工具对基板进行打磨处理，使其具有良好的平整性和光滑度。在安装时，要对传感器进行对齐处理，与RM-S 型号评估单元进行搭配时，要求每个叶片的根部要设置4 个传感器（分别在叶片0°、90°、180°以及270°的位置安装），并且传感器表面的箭头朝发电机的轮毂方向，安装时还要让其尽量与叶片轴保持平行。

完成传感器的对齐和定位工作后，要粘贴传感器，粘贴前要先了解黏合剂的生产信息并阅读黏合剂的使用注意事项，通过黏合剂在叶片相应位置粘贴传感器，保证传感器具有牢固的安装效果。在安装电缆时需要按照要求路径对电缆进行无张力铺设，同时借助电缆将传感器与评估单元的底部位置指定孔式的连接器进行内连接，达到连接器和评估单元有效连接的目的。在传感器的线缆布线中，要结合机型选择布线方式，通常选择蛇形方式进行布线，该布线方式主要是在轮毂和叶片之间设置弹簧。

5 系统的软件设计与实践

5.1 系统点表

该系统软件部分的系统点表情况见表1。

表1 系统点表

5.2 系统的参数设置

系统采用基于BS 架构的框架设计，因此可以方便地使用浏览器进行访问，控制器IP 地址后加上“/ wbm”即可访问，例如https：//192.168.0.11/wbm/Login.html。建议使用火狐浏览器打开HMI 页面。页面登录的用户名为admin，密码为控制器的密码，可以在控制器的本体正面找到该密码。

用户在HMI 页面中可单击“Configuration Mode” （配置模式）按钮对参数文件配置进行修改。在页面中的Search框内输入需要查询的变量名称即可查询变量。每个参数的左侧都有相关描述，用户可以输入所需要的参数值，下面灰色的数值是系统当前在线值。

更改参数文件中的变量设置后，单击“Apply Parameters”（应用参数）按钮，系统将验证所有参数文件，并确保系统重启后应用新的参数文件。通过Progress of initialization 状态条可以实时显示当前配置状态。

需要特别注意的是，在新系统的调试过程中，需要对风机3 支叶片的参数进行配置，需要确认3 支叶片的以下配置信息：1） 叶片根部的厚度。2） 叶片根部的杨氏模量。3） 叶片根部的横向收缩系数。4） 叶片根部的等效空气动力点距离。5） 叶片长度。6） 叶根半径。7） 轮毂半径。8） 叶片锥角。

确认以上参数信息后，打开相应的参数文件页面，填入相关参数。

用户可以单击“Calibration”（校准）组中的“Calibrate zero point”（零点校准）按钮来校准当前叶片。在按钮前一列，用户可以观察叶片的校准状态。 如果显示“Zero point calibrated”（零点已校准），则校准成功。如果叶片已经校准，则用户必须单击“Reset zero point”（重置零点）才能触发新的校准程序。

将3 支叶片分别旋转到叶尖垂直于地面的角度并采用相同的步骤对这些叶片进行校准。重复该操作，直到所有叶片都经过校准。

在页面中可以对不同叶片的挥舞方向和摆阵方向的形变尺度因子进行校准。由风机设计厂家给出风机已知的参考应变点，通过设定每只叶片相应的尺度因子，对数据进行预处理，使其接近参考应变值。当3 支叶片的挥舞方向和摆阵方向的形变数值经过零点校准后依然相差较大时，可以确认叶片处于完全健康的状态，也可以设定相应的尺度因子对数据进行预处理，使其大致在同一区间范围。

参数存储在SD 卡中的文件系统中。在将参数加载到程序之前，将由CRC 校验对每个文件进行验证。如果用户在HMI 上登录，则用户修改部分或全部参数时，系统会自动进行CRC 校验。

5.3 系统的数据采集

在HMI 中可以在线查看系统的实时值。用户可以在窗口左侧的树形视图中选择或取消选择数据点，还可以分别通过单击“启动”“暂停”或“停止”按钮来启动或停止数据可视化。在HMI 页面中可以实时查看3 支叶片的应变、应力和载荷等数据曲线。在页面中可以勾选系统的主要变量，以便用户有选择性地查看相关信息。通过实时比对查看曲线还能及时发现叶片数据的异常。

通过单击“Datalogger”（数据记录器）按钮可以对RM-S 系统中的数据存储文件及数据进行设置，默认有3种数据存储方式，分别是快速（High Frequency Logger）、中速（Mid Frequency Logger）以及慢速（Low Frequency Logger）存储。通过修改数据记录器参数文件可以对需要记录的文件名称、数据的时长、数据的采样频率以及是否激活存储等参数进行设置。参数设定完成后，在控制器相应的文件夹下就会定期生成数据记录文件，方便查看系统的历史数据。

系统支持有线通信接口（LAN），还支持常用的通信协议，例如Modbus TCP、PROFINET 以及OPC UA，可与主控/其他上级系统进行数据传输，也可通过SFTP 登入访问PLC 数据，具备较高的兼容性。

系统以开放的PLCnext 平台为基础，可灵活扩展I/O或通信组件，编程符合IEC 61131-3 标准，且可以进行高级语言或Matlab Simulink 模型联合开发运行，系统具备较高的可扩展性，可方便、高效地进行二次开发。

系统软件模型采用新一代的PLCnext 平台，系统可自由、开放地开发基于该平台的叶片监测单机软件，该软件采用多编程语言合作开发，根据不同的应用场景选择不同的开发语言，使其不仅可作为叶片监测的数据采集平台，也可作为风机大部件和运行参数的验证平台，从而实现叶片监测系统和数据分析系统更加契合的目标，发挥各自的最大价值，实现叶片状态监测、状态分析以及状态预警等多维度功能。

6 结语

综上所述，该文阐述了风机叶片应力监测系统及系统应力测量的原理，从系统的主要构成、叶片应力监测传感器布置、PLCnext 控制器及I/O 实现等方面对监测系统的设计方案进行详细分析并对系统的安装过程进行说明，希望为相关项目的建设和技术的研发提供参考。