本章在前面章节的基础上，根据需求分析开发针对风电机组传动系统的振动监测与故障诊断系统，并设计该系统的软件系统，完成各个模块功能的设计及实现。

　　风电机组振动监测与故障诊断的主要目的是利用各种监测方法从检测到的信息中判断被测对象的运行状态，在部件出现故障之前给以警告、报警处理，从而保障风电机组的正常运行，提高运行的可靠性。目前在很多重要的大型设备中都有监测系统，这也是各种自动化系统提高效率和可靠性，进行预测维修的基础。

　　①信息的有效获取。为了更准确地对风电机组的各个部件进行状态监测，就需要尽可能多地监测每个部件，尤其是关键部件的信息。这些信息主要以传感器获取的振动信号为主，并且要求采集系统能够正常健康地工作，有效地获取有用的特征信息。因此，传动系统的主轴、齿轮箱和发电机前后端都是重点监测的对象。

　　②振动监测的连续性。要求风电机组振动监测与故障诊断系统能够实时有效地对监测对象进行不人为停顿的监测，即体现为On-line特性，以获取监测对象的连续信息。因而要求采集及信号传输系统能够具有实时数据的采集、传输、存储和管理等功能。因此要求数据传输技术效率高、实时性好，且数据的采集需采用数据库方式来进行管理和维护，数据库必须存储容量大，管理结构必须清晰明确，数据的安全性较好，访问方便。

　　③信息处理的实时性。要求风电机组振动监测与故障诊断系统能够尽快地对采集的信息进行处理，对监测对象的工作状态进行正确的判断，给出正确的结果，且提高运算效率，尽快地缩短结果过程。当系统处于异常状态时，能够快速、正确地给出报警、警告，且正确给出处理建议。这就需要对系统的算法进行优化，提高其实时处理能力，采用合理的趋势预测等报警技术进行预测。

　　④可靠的数据传输交流方式。当数据采集系统把从监测对象采集到的数据传输到数据库时，应该同时传输给监测系统进行分析和预测，并且，应该允许外界其他客户端访问数据库。同时，外界客户端访问数据库时应该同时获得实时数据，即能够通过远程尽快地控制、监测风电机组，以免过长的延时影响对设备的健康监测。这就要求监测系统具有远程客户端访问功能，且数据的传输速率要满足实时性的要求。

　　⑤友好的人机交互界面。风电机组振动监测与故障诊断软件的实现要求界面友好，人机交互方便，操作简洁，上手容易，数据处理结果能够直观地在屏幕上显示，便于用户辨别和判断，但同时软件功能要完善，具有进行相关分析结果的报表打印等输出功能。

　　⑥便捷的存储管理。系统默认的存储方式是定时保存监测对象的采集数据到数据库，即以监测点的振动数据为主进行隔断保存，而对于系统分析过程中产生的频域、时频分析、故障诊断、趋势预测等结果，则没有一并保存，这也是考虑到很多冗余信息的无用性及系统的效率性而进行的设定。因而，当这些数据有用处时，即用户需要这些数据时，应该能够手动进行相关数据的存储，而非简单的存储一般的振动数据。且存储格式通用性要好，便于在其他专业软件中进行进一步的分析和处理。

　　因而，要求该风电机组振动监测与故障诊断系统能够长期稳定地运行，且实时性较高地进行数据的分析和处理，在服务器上进行数据的存储和在线监测，同时客户端也可以通过访问服务器进行在线监测。该设计要求为系统硬件器材的选型和软件设计提供了指导。

　　根据系统的需求分析及功能分析，依据风电机组的结构特点，设计风电机组振动监测与故障诊断系统分为前端采集设备、数据采集模块、数据库服务器和监控维护集成模块（系统软件）四个部分。其中数据采集采用基于以太网远程采集方式。前端采集设备选用NI cDAQ-9188，数据可以通过有线方式传输到数据采集端，也可以通过无线G方式传输到数据采集平台。有线方式数据传输速度快、比较稳定但有线网络安装不方便，无线方式传输速度相对较慢，费用较高，但传输距离远，安装方便。监控维护集成模块与采集模块和数据库的连接可以是本地连接局域网连接或广域网连接。监控维护集成模块与数据库服务器通过数据库远程访问技术通信，监控维护集成模块与采集模块通过TCP/IP通信。一个数据采集端可同时连接多个采集设备，多个采集设备可以以不同的网络方式连接数据采集端，多个客户端也可以同时访问数据采集端和数据库服务器。系统总体构架如图6.1所示。

　　根据前文章节的分析，风电机组主要故障出现在传动系统中，因而本系统测量的风电机组主要信息是振动量，测试对象以传动系统为主，具体包括主轴、齿轮箱、发电机轴承、支座等。前端采集设备NIc DAQ-9188连接各种传感器采集风电机组数据，采集设备安装在风电机组上；数据采集模块主要完成在线数据的实时采集与传输和离线历史数据的调入等工作。数据采集模块一方面对采集设备进行设置，包括采集设备IP、端口、采样通道、采样频率、采样长度等参数，另一方面将采集的数据保存到数据库或实时地传输给监控维护集成模块，数据采集模块安装在中央控制室，是服务器端的一个组成部分。采集模块可以实现三种采样方式（随机采样、触发采样、多次触发采样）和三种示波方式（波形、频谱、双显）。

　　数据库服务器是本系统的重要组成部分，用于保存配置参数，原始信号数据及部分分析后的结果数据，以供监控维护集成模块查询调用，数据库服务器通常与数据采集模块一起安装在中央控制室，共同构成该系统的服务器端；监控维护集成模块是该系统的主要人机交互工具，系统的振动监测与故障诊断的主要功能都是直接通过监控维护集成模块完成，包括将配置参数写入数据库，向数据采集端发送采集命令，从数据采集端实时读取数据或从数据库读取历史数据等。各模块之间的交互如图6.2所示。

　　系统选择SQL Server作为数据库服务器，SQL Server数据库符合大容量、高安全性和高检索效率要求，能存储复合型数据，数据查询访问速度快，其数据导出、导入和转换等操作也方便、快捷，而且其扩展性强，支持本地和远程访问，并发能力强，支持多用户同时访问。

　　根据第二章振动故障的分析以及测点的确定，应该进一步确定选取的传感器的具体型号及其安装方式。传感器是保障风电机组监测系统正常获取振动信号的重要装置，选择合适的传感器是进行健康状态监测的关键环节，因而传感器的各种参数应该满足监测系统的要求[77, 79]。选择传感器一般从以下几个方面进行考虑：

　　①根据测量对象的特点确定传感器类别。目前常用的传感器包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器[116]。其中位移传感器主要测量频率在100Hz以下、位移量比较大的低频振动的位移量；速度传感器主要测量频率范围10Hz~1000Hz之间、具有较高信噪比的速度信号；加速度传感器测量范围1k Hz~10k Hz，尤其适用于风电机组高速轴的振动信号的测量。因此本风电机组监测系统采用加速度传感器对机组的振动信号进行测量。

　　②传感器的量程要适合。量程又称为测量范围，是传感器的重要指标，如果超量程进行测量，不仅测量结果不可靠，还可能会损毁传感器。

　　③频响范围要合适。这也是传感器的重要一个指标，传感器的频响特性决定了被测结果的频率范围，测量要求在允许的频率范围内保持不失真。一般现场使用的传感器的工作频响范围要比测试信号的频段要宽一定的范围，但从成本、后续处理的便宜度等角度考虑，也不必太宽。

　　④灵敏度适度。一般情况下，传感器的灵敏度越高，对微弱信号的测量越明显，尤其是早期故障信号发生阶段。但是，灵敏度过高，传感器容易同时采集一部分冗余的外界噪声等信息，此类冗余信息被放大系统放大，干扰系统的分析，加剧了系统的负担。

　　⑤传感器的稳定性要好。稳定性是指传感器在特殊工作环境中运行时性能保持不变的能力，且在长期的监测运行过程中其性能能够保持不变。

　　⑥传感器的质量要适合。因为传感器相对于被测对象而言属于附属结构，如果质量过大，则会影响监测对象的运行和测量的结果。在一般情况下，传感器的尺寸和重量都是相对于被测对象很小的。

　　⑦精度。传感器的精度越高，价格越贵，因而，在平衡成本和要求时，要在满足测量系统要求的时候考虑成本。

　　鉴于以上各点考虑，本系统采用的传感器分为两种：即标准的加速度传感器用以采集高速轴部分的振动信号，低速加速度传感器用以采集低频振动信号。

　　传感器的安装也要根据具体的对象而确定，因为不同的安装方式会影响到后续的振动信号的监测，影响传感器的频响特性。表6.1给出了一般加速度传感器的安装方法及其特点：

　　结合本系统测量的实际情况，采用了螺栓固定和胶水粘合两种方式。如图6.3为采用螺栓固定的示意图，图6.4为采用粘结剂固定的示意图。

　　采用螺栓固定时，其具体过程大致为：清理好被测对象的表面，然后钻6mm的螺纹孔，深度大约10mm。安装传感器，并保证传感器表面和被测对象紧密接触，但也要注意螺栓不能固定的太紧，以免压坏传感器底部，或者造成基座的变形而影响传感器的灵敏度，并且应该把加速度传感器进行绝缘安装处理。使用扭矩扳手拧紧传感器，太松太紧都不合适。太松，容易引起松动振动；太紧，容易引起应力干扰信号。正确的扭矩范围在3-7Nm之间。

　　采用胶水等粘结剂固定时，也要首先清理被测对象的表面，并保证传感器远离高压线路，把磁力座用胶水固定到被测对象上，保证传感器和被测对象的紧密接触。

　　数据采集系统的主要作用是从传感器获取相关的信号，经过处理后传输给上层处理器。采集卡的种类很多，按照工作方式可以分为同步采集和巡回采集两种方式[80]。这类似于并行传输方式和串行传输方式，同步采集是指采集卡采集的信号是通过多路通道同时获取到的，多路信号在时间上属于同步的。而巡回采集指的是采集卡按照一定的规则顺序采集各路信号，各路信号之间存在时间上的不同步现象。在对风电机组各测点进行振动信号的采集时，我们采用的是同步采集方式，这样才能够保证状态健康监测的有效性。另外，数据采集卡的选择要考虑到以下一些参数：

　　①通道数。这是指采集卡可以同时获取的信号的路数，一般是2通道、8通道、16通道等。一般情况下信号由双端接入和单端接入两种方式，前者以差分方式输入，后者的信号只有一个输入口被使用，另一端是接地使用。

　　②最大采样频率。是指采集卡最大能够使用的采样频率，它的单位是k Hz，一般情况下最大采样频率越大则说明采集卡的性能越高，但实际使用时采集卡的采样频率是应该可以根据使用的需求进行调节和设置的。

　　③信噪比。信噪比是决定采集卡动态范围的指标，它的单位是d B，一般情况下要求信噪比越大越好。

　　④分辨率。是指采集卡在采集过程中能够获取信号幅值微小变化的能力，这个参数取决于A/D芯片的位长，一般位长越长分辨率越高，量化的误差也就越小。

　　⑤接口类型。不同总线接口的采集卡采用的硬件接口类型也是不一样的，同时数据的传输速度和传输协议也是不同的。一般接口分为PCI总线类型、PCMCIA总线类型、USB类型、以太网等方式[204]。其中以太网组网方式具有相当高和稳定的数据传输率，能够提供足够的带宽，无论在布线和传输距离、高性能的骨干连接，还是升级的可行性和可用性方面，都具有较强的优势。

　　其他参数如输入输出阻抗、输入增益的种类、存储容量、输入电压的最大范围、是否有模拟输出等也是选择采集卡的时候需要考虑的内容。根据上述分析，采用基于以太网的数据采集器NI cDAQ-9188为采集前端，其结构如图6.5所示。

　　该采集前端可通过有线或者无线个插槽，可配置不同的I/O模块。根据不同的被测参数所需的采集频率和精度要求不同选用不同的模块，根据需求分析及振动监测对象的特点，对于振动测试采用分辨率较高的NI 9234，转速部分采用NI 921。