基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)

基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng),基于,互聯(lián)網(wǎng),風(fēng)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(luò)國際會(huì)議 基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng) 李志斌 楊麗 上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力渦輪機(jī)的安裝數(shù)量大大增加，維護(hù)工作量也在迅速增加，風(fēng)電塔筒免爬裝置在日常檢查和維護(hù)工作中起著重要的作用。為克服塔式免爬升裝置管理維護(hù)中存在的不足，提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒舉升診斷系統(tǒng)。該診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架由感知層，傳輸層和應(yīng)用層組成。 系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)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(chǔ)信息模塊，信息維護(hù)模塊，監(jiān)控信息模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，建立風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)。該基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和監(jiān)控管理信息，不僅保證了風(fēng)電塔筒維護(hù)的效率和安全性，而且開辟了新的維護(hù)模式。 關(guān)鍵詞：風(fēng)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(guān)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(fēng)電行業(yè)以最快的速度發(fā)展，其裝機(jī)容量和安裝數(shù)量增加，從而帶來了風(fēng)電維護(hù)市場的巨大潛力。為了獲得更好的風(fēng)力發(fā)電收入，機(jī)組的日常運(yùn)行和維護(hù)變得越來越重要。目前，我國風(fēng)電高空安全設(shè)備的發(fā)展仍處于起步階段，應(yīng)用最廣泛的是功能簡單的攀爬輔助裝置。隨著人們對(duì)安全性和效率的日益提高的認(rèn)識(shí)，風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的普及率逐年提高。 目前的情況是，風(fēng)電塔筒免爬裝置是一個(gè)獨(dú)立的裝置，維護(hù)工作主要由風(fēng)電場的工作人員完成，對(duì)于安全隱患這一現(xiàn)象，難以滿足故障處理和定期維護(hù)的需要。 有時(shí)會(huì)發(fā)生故障，漏檢和不可靠的維護(hù)。風(fēng)電場經(jīng)理已經(jīng)認(rèn)真考慮了如何確保使用風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的安全性，如何最大程度地減少損失并確保風(fēng)力渦輪機(jī)的日常運(yùn)行和維護(hù)。面對(duì)龐大的風(fēng)電維修市場，目前的風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備管理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前的需求，因此必須將互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理的自動(dòng)化和信息[1]。 基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)收集各種監(jiān)控參數(shù)，通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的智能管理和維護(hù)設(shè)備[2]。在這種管理方式下，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電塔筒免爬裝置的運(yùn)行狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)信息發(fā)送到風(fēng)電塔筒免爬裝置的管理監(jiān)控中心，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)免爬裝置狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及預(yù)警和報(bào)警，從而可以降低風(fēng)電塔筒免爬裝置的故障率，提高其修復(fù)速度。 另一方面，它可以為風(fēng)電塔筒免爬裝置的維護(hù)提供技術(shù)支持[3]。 二， 整體框架的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 風(fēng)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(yùn)行的多個(gè)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(shè)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(shù)或光纖傳輸技術(shù)傳輸?shù)皆\斷系統(tǒng)，然后由診斷系統(tǒng)進(jìn)行管理。 風(fēng)電塔筒免爬裝置的診斷系統(tǒng)由感知層，傳輸層和應(yīng)用層組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 感知層由安裝在風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備相應(yīng)部分中的各種傳感器組成[4]。這些傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的物理和環(huán)境狀況，尤其是風(fēng)電塔筒設(shè)備的安全參數(shù)。 他們還可以隨時(shí)通過控制箱中的控制器連續(xù)傳輸信息。安裝，維護(hù)和檢查信息保存在風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的控制設(shè)備中。 這些信息為及時(shí)維護(hù)風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。控制箱中控制器的核心任務(wù)是完成對(duì)風(fēng)電塔筒免爬裝置的安全控制，對(duì)感知層傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分類，并根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行不同處理，然后進(jìn)行分類。 根據(jù)風(fēng)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(xiǎn)以至于嚴(yán)重影響人們的安全，則診斷系統(tǒng)將發(fā)送警報(bào)信息，或者將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，然后通過傳輸層傳輸?shù)綉?yīng)用程序?qū)印? 圖1.風(fēng)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?yīng)用層平臺(tái)的光纜傳輸方式，可以滿足管理的需求。 風(fēng)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?yīng)用層平臺(tái)，該平臺(tái)利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)維護(hù)[5]。應(yīng)用層平臺(tái)是一個(gè)用于安全監(jiān)控，故障分析和維護(hù)記錄的管理系統(tǒng)。它的任務(wù)之一是接收從每個(gè)風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并分析風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。一定時(shí)間內(nèi)了解風(fēng)電塔筒免爬裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和故障分布情況。應(yīng)用層可以及時(shí)將潛在的故障和現(xiàn)有故障傳遞給維護(hù)部門和負(fù)責(zé)人，從而為維護(hù)部門提供了一個(gè)檢查平臺(tái)[6]。應(yīng)用層的另一任務(wù)是記錄風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的安裝，修改，維護(hù)和檢查等。它將為風(fēng)電塔筒免爬裝置的維護(hù)查詢和發(fā)送警告信息提供技術(shù)支持。 3， 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 風(fēng)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(fēng)電塔筒免爬裝置的運(yùn)行信號(hào)，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(luò)傳輸信號(hào)。監(jiān)控系統(tǒng)將分析風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以預(yù)測和分析風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的運(yùn)行情況。一旦風(fēng)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(bào)，以便可以迅速識(shí)別并處理故障。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)并分析最大故障概率。 分析風(fēng)電塔筒免爬裝置故障的原因可以為將來的預(yù)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(gè)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(dá)120MHz，176針，1024K。 字節(jié)FLASH和128K字節(jié)SRAM，具有三個(gè)帶12位24通道的ADC和兩個(gè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)熄滅時(shí)，SIM800將關(guān)閉。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)指示燈點(diǎn)亮64毫秒，熄滅800毫秒時(shí)，找不到網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)亮64毫秒的亮度并熄滅3000毫秒時(shí)，就可以找到網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)指示燈亮起64毫秒，熄滅300毫秒時(shí)，GPRS可以通信。 類型 型號(hào) 功能 稱重傳感器 YZC-1616 收集重量信號(hào)。 一方面，可以判斷風(fēng)電塔筒免爬裝置是否過載。一次重量信號(hào)大于踏板的最大承載能力時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，風(fēng)電塔筒免爬裝置無法運(yùn)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(hào)來控制風(fēng)電塔筒免爬裝置的速度。 加速度傳感器 MPU-6050 收集風(fēng)電塔筒免爬裝置的速度信號(hào)和偏離角度，以判斷行駛速度是否過快以及風(fēng)電塔筒免爬裝置的運(yùn)行是否平穩(wěn)。 無線收發(fā)器 SI4432 將稱量信號(hào)和速度信號(hào)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(fù)責(zé)收集風(fēng)電塔筒免爬設(shè)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(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的終端監(jiān)控和上位機(jī)信息管理系統(tǒng)。 終端監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的預(yù)期功能至關(guān)重要。 雖然空間有限，但本文并未詳細(xì)介紹終端監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。上位機(jī)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(hù)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行密集處理，然后讓維護(hù)單元訪問以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視和查詢，并通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[8]。 A. 基本信息模塊 該模塊具有風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的基本信息管理和用戶管理的功能。 風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的基本信息包括風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的名稱，地址，維修公司的名稱，維護(hù)人員的姓名，維護(hù)人員的聯(lián)系信息，風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的制造商，最后 維護(hù)時(shí)間，下次維護(hù)時(shí)間，下次年度檢查時(shí)間和檢查單位的名稱等。用戶管理的設(shè)計(jì)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(shè)置操作員的使用許可。 用戶管理還具有一個(gè)分級(jí)系統(tǒng)，只有擁有權(quán)限的人才能查看該信息。 B. 維護(hù)信息模塊 維護(hù)單元有權(quán)設(shè)置風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的數(shù)據(jù)管理，故障管理和維護(hù)管理功能[9]。 通過網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，操作員可以隨時(shí)檢查風(fēng)電塔筒免爬裝置的狀況，例如故障風(fēng)電塔筒免爬裝置的清單，要維護(hù)的風(fēng)電塔筒免爬裝置的清單以及要進(jìn)行年度檢查的清單。另一方面，操作員可以修改，補(bǔ)充和更新風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的相關(guān)信息，設(shè)置相關(guān)的管理約束。 在軟件設(shè)計(jì)方面，瀏覽和查詢是主要功能。 對(duì)于查詢，操作員可以從以下方面進(jìn)行搜索：時(shí)間范圍，品牌，維修單位，行政區(qū)域，維修人員和姓名。對(duì)于數(shù)據(jù)和信息更新，該模塊設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)視風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀況[10]。 安全監(jiān)視中心服務(wù)器和維護(hù)單元都可以遠(yuǎn)程監(jiān)視工作狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)和下降狀態(tài)以及與風(fēng)電塔筒免爬裝置的安全性相關(guān)的特征參數(shù)的其他變化。監(jiān)視信息模塊中設(shè)置了故障SMS警報(bào)功能。 當(dāng)風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控信息模塊將在第一時(shí)間通過消息通知現(xiàn)場人員。 如果相關(guān)人員在指定時(shí)間內(nèi)未能處理該消息，則警報(bào)信息將升級(jí)，并將錯(cuò)誤消息發(fā)送給上級(jí)相關(guān)主管和負(fù)責(zé)人。 D.數(shù)據(jù)分析模塊 風(fēng)電塔筒免爬設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊包括兩個(gè)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(wù)器中完成的復(fù)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(fēng)電塔筒免爬裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的信息，并將風(fēng)電塔筒免爬裝置的運(yùn)行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較，確定風(fēng)電塔筒免爬裝置的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀況。 [11]。當(dāng)比較結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍時(shí)，錯(cuò)誤消息將及時(shí)發(fā)送給相關(guān)管理人員。 服務(wù)器的數(shù)據(jù)分析主要是在一段時(shí)間內(nèi)提取，分析和預(yù)測運(yùn)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(shù)來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到對(duì)故障信息進(jìn)行預(yù)警的目的。 五，總結(jié) 基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電塔筒免爬裝置診斷系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電塔筒免爬裝置的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)通知。 它還可以根據(jù)嚴(yán)重性對(duì)警報(bào)信息進(jìn)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(fēng)力渦輪機(jī)都保留有光纖接口，因此無需布置網(wǎng)絡(luò)線路，并且安裝簡單，維護(hù)容易。 診斷系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄運(yùn)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(hù)人員及時(shí)解決問題。維護(hù)單位和操作員都可以通過Internet登錄以進(jìn)行監(jiān)督和管理。 基于互聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)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(fēng)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(dòng)強(qiáng)度。 另一方面，可以最大程度地保證風(fēng)電塔筒免爬裝置的安全運(yùn)行，具有廣泛的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 出處 The Diagnosis System of Wind Tower Free Climbing Device Based on Internet of Things 15