一种风力发电机螺栓松动断裂智能检测系统及方法与流程

1.本发明属于风力发电机螺栓松动断裂检测技术领域，具体涉及一种风力发电 机螺栓松动断裂智能检测系统及方法。


背景技术：

2.限制传统煤电和能源需求越来越大成为主要矛盾，新能源和储能装机规模不 断扩大，其中风力发电包括海上风电和陆地风电，在最近几年发展速度迅猛，目 前风电装机及发电量已跃居世界第一，截止2020年风力发电能力将达到1.5-1.8 亿kw，加快风力发电的发展已成为国家重点战略之一，未来将实现智能化风力 发电技术，实现更多先进的技术在风力发电上装备，合理利用丰富的风能资源。 在风力发电塔筒、机架、机舱、叶片等连接部位上，用到了大量的高强度螺栓， 实现个配件的稳固连接，由于风力发电属于长期旋转设备，加之风况不同，螺栓 的松动断裂不可避免，一旦出现螺栓松动断裂，严重可损坏风机本体，而风力发 电地处环境恶劣，交通运输及其不便，进一步造成的更大直接经济和间接经济损 失。如果能在螺栓早期松动的时候，通过智能检测手段识别出来，及早提醒风场 运维人员进行缺陷处理，防止事故进一步扩大，将是避免螺栓失效恶化的重要举 措，进而保障风力发电机安全、稳定运行，提升风电场运行经济效益。
3.现有风力发电机螺栓松动断裂洁厕技术存在以下缺陷和不足：(1)通过前期 各大风电集团调研，目前主要螺栓松动判别方式采取人工目测识别方式，通过人 工标记、拍照方式进行判断，加之风电场属于分布式布置，每次巡检周期较长， 给现场风力发电机螺栓松动断裂巡检带来很多不便；(2)目前风力发电机螺栓检 测方法较为单一，未实现接触式、非接触式、柔性检测相结合综合判断螺栓松动， 同时也没有实现螺栓空间、立体化监测；(3)现有风力发电机螺栓检测设备造价 较高，有个别采用视觉识别方式，在设备造价安装和施工方面存在限制因素，不 便于现场推广使用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种风力发电机螺栓松动断裂智能 检测系统及方法，通过接触式垂直测量模块、接触式水平测量模块、非接触式垂 直测量模块、非接触式水平测量模块和柔性断线检测模块综合判断风力发电机螺 栓松动和断裂情况，并将所获取的信息进行现场显示和有线传输至风电场集控中 心，方便运行人员实时观测重点螺栓运行情况，在发生松动断裂的情况系啊，第 一时间发出告警短消息和集控页面弹窗告警信息，由维护人员尽快前往现场进行 紧固和更换，有效避免了螺栓失效事故。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种风力发电机螺栓松动断裂智能检测系统，包括接触式垂直测量模块、接 触式水平测量模块、信号传输模块、松动断裂识别模块、柔线断裂检测模块、显 示模块、非接触式垂直测量模块和非接触式水平测量模块；其中，所述接触式垂 直测量模块电压信号输出端与松动断裂识别模块第一模拟量采集端口相连，所述 接触式垂直测量模块用于接触采
集螺栓垂直方向的与位移对应的电压信号，所述 接触式水平测量模块电压信号输出端与松动断裂识别模块第二模拟量采集端口 相连，所述接触式水平测量模块用于接触采集螺栓水平方向的与位移对应的电压 信号，所述信号传输模块的通信端口与松动断裂识别模块第一通信端口相连，所 述信号传输模块用于将松动断裂识别模块采集的螺栓水平方向信号、垂直方向信 号、柔线信号及预警信号传输至风电场集控室，所述柔线断裂检测模块与松动断 裂识别模块数字量输入端口相连，所述柔线断裂检测模块用于检测螺栓是否断裂 的信号，所述显示模块通信端口与松动断裂识别模块第二通信端口相连，用于显 示、预警松动断裂识别模块采集的信号，所述非接触式垂直测量模块电压信号输 出端与松动断裂识别模块第三模拟量采集端口相连，所述非接触式垂直测量模块 用于非接触采集螺栓垂直方向的与位移对应的电压信号，所述非接触式水平测量 模块电压信号输出端与松动断裂识别模块第四模拟量采集端口相连，所述非接触 式水平测量模块用于非接触采集螺栓水平方向的与位移对应的电压信号，所述松 动断裂识别模块用于识别螺栓水平、垂直方向接触式和非接触式电压信号，并转 换为位移信号，还识别柔线断裂信号，综合判断螺栓是否松动或断裂，并将所检 测位移信号及预警信息同步传输给信号传输模块和显示模块。
7.优选的，还包括电源模块，所述电源模块输出两路3.3v电压等级电源，一 路3.3v电压为备用电源，一路3.3v为工作电源，所述电源模块输出的3.3v工 作电源分别与接触式垂直测量模块、接触式水平测量模块、信号传输模块、松动 断裂识别模块、柔线断裂检测模块、显示模块、非接触式垂直测量模块和非接触 式水平测量模块的3.3v电源端口相连，用于为螺栓松动断裂智能检测系统供电。
8.优选的，所述接触式垂直测量模块为与螺栓垂直安装的滑动电阻，一端与 3.3v电源相连，一端与地相连，公共电压信号输出与电压跟随电路第一输入端相 连，电压跟随电路第一电压信号输出端与松动断裂识别模块第一模拟量采集端口 相连。
9.优选的，所述接触式水平测量模块为与螺栓旋转水平安装的滑动电阻，一端 与3.3v电源相连，一端与地相连，公共电压信号输出与电压跟随电路第二输入 端相连，电压跟随电路第二电压信号输出端与松动断裂识别模块第二模拟量采集 端口相连。
10.优选的，所述柔线断裂检测模块一端与3.3v电源相连，另一端与松动断裂 识别模块任一数字量输入端口相连，当螺栓未断裂时，所述柔线断裂检测模块输 出3.3v给松动断裂识别模块，当螺栓断裂后，松动断裂识别模块检测不到3.3v 输入的数字量信号，以此判断螺栓发生断裂。
11.优选的，所述非接触式垂直测量模块为与螺栓垂直安装的霍尔传感器，一端 与3.3v电源相连，一端与地相连，电压信号输出与电压跟随电路第三输入端相 连，电压跟随电路第三电压信号输出端与松动断裂识别模块第三模拟量采集端口 相连。
12.优选的，非接触式水平测量模块为与螺栓旋转水平安装的霍尔传感器，一端 与3.3v电源相连，一端与地相连，电压信号输出与电压跟随电路第四输入端相 连，电压跟随电路第四电压信号输出端与松动断裂识别模块第四模拟量采集端口 相连。
13.优选的，所述松动断裂识别模块包括嵌入式msp430f149处理器和高、低频 时钟电路，所述高、低频时钟电路用于为嵌入式msp430f149处理器提供高频和 低频时钟信号，嵌入式msp430f149处理器集成数字量、模拟量、通信电路，嵌 入式msp430f149处理器实时判断螺栓垂直、水平方向接触式与非接触式电压信 号，并与设定的松动和断裂定值进行对
比，当超过定值时，发出对应的信息，同 时根据柔线断裂检测模块输出电压信号是否消失，间接判断螺栓的断裂信号，所 述嵌入式msp430f149处理器同时通过通信端口将所采集的信号和判断的信号 分别现传输至现地显示模块显示，并经信号传输模块传输至风电场集控室。
14.优选的，所述显示模块可以修改松动和断裂定值，同时显示系统运行参数、 弹窗显示松动和断裂信息，双向发送和接收来自信号传输模块的信号，集控室利 用信号传输模块可远程修改松动断裂识别模块定值，同时信号传输模块的输出信 号直接接入风电机组集控通信终端，应用集控线路同型通信协议进行数据交换。
15.一种风力发电机螺栓松动断裂智能检测方法，包括如下步骤：
16.1)进行螺栓松动断裂智能检测初始化配置，包括读取水平和垂直方向接触 式和非接触式松动和断裂定值，设置松动断裂识别模块模拟量检测量程，对信号 传输模块和显示模块进行自检，进入步骤2)；
17.2)判断接触式垂直测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤5)，如 果为是，进入步骤3)；
18.3)发出接触式垂直方向松动信息，进入步骤4)；
19.4)发出接触式垂直方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤5)；
20.5)判断非接触式垂直测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤8)， 如果为是，进入步骤6)；
21.6)发出非接触式垂直方向松动信息，进入步骤7)；
22.7)发出非接触式垂直方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤8)；
23.8)判断接触式水平测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤11)，如 果为是，进入步骤9)；
24.9)发出接触式水平方向松动信息，进入步骤10)；
25.10)发出接触式水平方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤11)；
26.11)判断非接触式水平测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤14)， 如果为是，进入步骤12)；
27.12)发出非接触式水平方向松动信息，进入步骤13)；
28.13)发出非接触式水平方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤14)；
29.14)判断接触式垂直测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤17)， 如果为是，进入步骤15)；
30.15)发出接触式垂直方向断裂信息，进入步骤16)；
31.16)发出接触式垂直方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤17)；
32.17)判断非接触式垂直测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤20)， 如果为是，进入步骤18)；
33.18)发出非接触式垂直方向断裂信息，进入步骤19)；
34.19)发出非接触式垂直方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤20)；
35.20)判断接触式水平测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤23)， 如果为是，进入步骤21)；
36.21)发出接触式水平方向断裂信息，进入步骤22)；
37.22)发出接触式水平方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤23)；
38.23)判断非接触式水平测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤26)， 如果为是，进入步骤24)；
39.24)发出非接触式水平方向断裂信息，进入步骤25)；
40.25)发出非接触式水平方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤26)；
41.26)判断柔线断裂检测信号是否为真，如果为否，返回步骤2)，如果为是， 进入步骤27)；
42.27)发出柔线已断裂信息，进入步骤28)；
43.28)发出柔线已断裂导致螺栓断裂信息，返回步骤2)，开展下一轮次螺栓智 能检测。
44.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
45.本发明松动断裂识别模块通过对接触式垂直测量模块、接触式水平测量模块 传输的电压信号进行接触式螺栓水平、垂直位移检测，进一步通过对非接触式垂 直测量模块、非接触式垂直测量模块传输的电压信号进行非接触式水平、垂直位 移检测，实现空间化风力发电机螺栓松动检测，最后通过柔线断裂检测模块输出 信号，全面判断螺栓松动方向、位移及断裂信号，及时发现螺栓存在的潜在松动 或断裂情况，保障风力发电机本体结构的安全性。
46.进一步的，本发明接触式垂直测量模块和接触式水平测量模块均采用电阻式 直测方式，对水平和垂直方向松动识别的灵敏性高，选择性更全面，可直观反映 螺栓在垂直和水平两个方向实际松动情况，同时电阻易于采购，成本较低，在安 装需求量很大的情况下，间接降低了装置采购、安装和维护成本。
47.进一步的，本发明非接触式垂直测量模块和非接触式水平测量模块采用霍尔 效应进行非接触式检测，非常便于安装使用，同时在接触式检测无法安装的情况 下，仍可以对螺栓进行垂直和水平方向的松动进行检测，适应性较强，此外非接 触式属于无损安装。
48.进一步的，本发明采用接触式和非接触式螺栓松动断裂联合检测手段，实现 接触式和非接触式优劣互补，更加全面的评判螺栓松动断裂的信号。
49.进一步的，本发明在螺栓发生断裂的情况下，还可通过柔线断裂检测模块识 别螺栓断裂信号，直接监测出螺栓断裂的严重事故，柔线断裂采用开关量信号， 识别准确率和可靠性均很高。
50.进一步的，本发明松动断裂识别模块采用集成度很高的嵌入式微处理器，内 涵多个模拟量采集和通信端口，使得电路进一步简化，成本也随之降低。
51.进一步的，本发明信号传输模块直接接入风电机组集控通信终端，应用集控 线路通信协议，无需额外敷设专用线路，在风电场集控室直接可以读取检测信号。
52.进一步的，本发明立体化综合检测螺栓松动和断裂情况，能够解决螺栓松动 判别方式采取人工目测识别方式，通过人工标记、拍照方式进行判断，减轻了巡 检人员的工作负担。
53.进一步的，本发明可替代视觉识别方式对螺栓进行检测，降低了松动断裂检 测成本，便于现场推广使用。
附图说明
54.图1为本发明风力发电机螺栓松动断裂智能检测系统原理框图。
55.图2为本发明风力发电机螺栓松动断裂智能检测系统电路图。
56.图3为本发明螺栓松动逻辑图。
57.图4为本发明螺栓断裂逻辑图。
58.图5为本发明风力发电机螺栓松动断裂智能检测方法流程图。
59.图中：1—接触式垂直测量模块；2—接触式水平测量模块；3—信号传输模 块；4—松动断裂识别模块；5—柔线断裂检测模块；6—显示模块；7—非接触式 垂直测量模块；8—非接触式水平测量模块；9—电源模块。
具体实施方式
60.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解 释而不是限定。
61.本发明能够解决现有风力发电机螺栓松动断裂无智能化检测难题，提供一种 更加全面、智能的风力发电机螺栓松动断裂检测系统，可替代人工方式，避免现 有检测存在的问题，提升工作效率。
62.本发明一种风力发电机螺栓松动断裂智能检测系统，如图1所示，包括接触 式垂直测量模块1、接触式水平测量模块2、信号传输模块3、松动断裂识别模块 4、柔线断裂检测模块5、显示模块6、非接触式垂直测量模块7和非接触式水平 测量模块8；其中，所述接触式垂直测量模块1电压信号输出端与松动断裂识别 模块4第一模拟量采集端口相连，所述接触式垂直测量模块1用于接触采集螺栓 垂直方向的与位移对应的电压信号，所述接触式水平测量模块2电压信号输出端 与松动断裂识别模块4第二模拟量采集端口相连，所述接触式水平测量模块2用 于接触采集螺栓水平方向的与位移对应的电压信号，所述信号传输模块3的通信 端口与松动断裂识别模块4第一通信端口相连，所述信号传输模块3用于将松动 断裂识别模块4采集的螺栓水平方向信号、垂直方向信号、柔线信号及预警信号 传输至风电场集控室，所述柔线断裂检测模块5与松动断裂识别模块4数字量输 入端口相连，所述柔线断裂检测模块5用于检测螺栓是否断裂的信号，所述显示 模块6通信端口与松动断裂识别模块4第二通信端口相连，用于显示、预警松动 断裂识别模块4采集的信号，所述非接触式垂直测量模块7电压信号输出端与松 动断裂识别模块4第三模拟量采集端口相连，所述非接触式垂直测量模块7用于 非接触采集螺栓垂直方向的与位移对应的电压信号，所述非接触式水平测量模块 8电压信号输出端与松动断裂识别模块4第四模拟量采集端口相连，所述非接触 式水平测量模块8用于非接触采集螺栓水平方向的与位移对应的电压信号，所述 松动断裂识别模块4用于识别螺栓水平、垂直方向接触式和非接触式电压信号， 并转换为位移信号，还识别柔线断裂信号，综合判断螺栓是否松动或断裂，并将 所检测位移信号及预警信息同步传输给信号传输模块3和显示模块6
63.本实施例中，还包括电源模块9，所述电源模块9输出两路3.3v电压等级电 源，一路3.3v电压为备用电源，一路3.3v为工作电源，所述电源模块9输出的 3.3v工作电源分别与接触式垂直测量模块1、接触式水平测量模块2、信号传输 模块3、松动断裂识别模块4、柔线断裂检测模块5、显示模块6、非接触式垂直 测量模块7和非接触式水平测量模块8的3.3v
电源端口相连，用于为螺栓松动 断裂智能检测系统供电。
64.本实施例中，所述接触式垂直测量模块1为与螺栓垂直安装的滑动电阻，一 端与3.3v电源相连，一端与地相连，公共电压信号输出与电压跟随电路第一输 入端相连，电压跟随电路第一电压信号输出端与松动断裂识别模块4第一模拟量 采集端口相连。
65.本实施例中，所述接触式水平测量模块2为与螺栓旋转水平安装的滑动电阻， 一端与3.3v电源相连，一端与地相连，公共电压信号输出与电压跟随电路第二 输入端相连，电压跟随电路第二电压信号输出端与松动断裂识别模块4第二模拟 量采集端口相连。
66.本实施例中，所述柔线断裂检测模块5一端与3.3v电源相连，另一端与松 动断裂识别模块4任一数字量输入端口相连，当螺栓未断裂时，所述柔线断裂检 测模块5输出3.3v给松动断裂识别模块4，当螺栓断裂后，松动断裂识别模块4 检测不到3.3v输入的数字量信号，以此判断螺栓发生断裂。
67.本实施例中，所述非接触式垂直测量模块7为与螺栓垂直安装的霍尔传感器， 一端与3.3v电源相连，一端与地相连，电压信号输出与电压跟随电路第三输入 端相连，电压跟随电路第三电压信号输出端与松动断裂识别模块4第三模拟量采 集端口相连。
68.本实施例中，非接触式水平测量模块8为与螺栓旋转水平安装的霍尔传感器， 一端与3.3v电源相连，一端与地相连，电压信号输出与电压跟随电路第四输入 端相连，电压跟随电路第四电压信号输出端与松动断裂识别模块4第四模拟量采 集端口相连。
69.本实施例中，所述松动断裂识别模块4主要包括嵌入式msp430f149处理器 和高、低频时钟电路，所述高、低频时钟电路用于为嵌入式msp430f149处理器 提供高频和低频时钟信号，嵌入式msp430f149处理器集成数字量、模拟量、通 信电路，嵌入式msp430f149处理器实时判断螺栓垂直、水平方向接触式与非接 触式电压信号，并与设定的松动和断裂定值进行对比，当超过定值时，发出对应 的信息，同时根据柔线断裂检测模块5输出电压信号是否消失，间接判断螺栓的 断裂信号，所述嵌入式msp430f149处理器同时通过通信端口将所采集的信号和 判断的信号分别现传输至现地显示模块6显示，并经信号传输模块3传输至风电 场集控室。
70.本实施例中，所述显示模块6可以修改松动和断裂定值，同时显示系统运行 参数、弹窗显示松动和断裂信息，双向发送和接收来自信号传输模块3的信号， 集控室利用信号传输模块3可远程修改松动断裂识别模块4定值，同时信号传输 模块3的输出信号直接接入风电机组集控通信终端，应用集控线路同型通信协议 进行数据交换。
71.如2所示，所述接触式垂直测量模块(1)包括滑动电阻rjc1和电压跟随电 路g1，接触式水平测量模块(2)包括滑动电阻rjs1和电压跟随电路g1，信号 传输模块(3)包括信号传输接口xc1和将232协议转换为以太协议的集成模块， 松动断裂识别模块(4)包括嵌入式msp430f149处理器和高、低频时钟电路， 高、低频时钟电路由晶体振荡器和电容组成，柔线断裂检测模块(5)包括柔线 断裂接口rxdl1和与螺栓贴附安装的柔线，显示模块(6)包括显示接口xs1 和串口显示屏，非接触式垂直测量模块(7)包括非接触式垂直测量接口hc1和 垂直霍尔传感器，非接触式水平测量模块(8)非接触式水平测量接hs2和水平 霍尔传感器，电源模块(9)包括电源接口d1和电源。
72.如图3所示，为了提升松动检测的可靠性，选取接触式垂直松动检测、非接 触式垂直松动检测、接触式水平松动检测、非接触式水平松动检测或逻辑，任一 松动逻辑可触发
螺栓松动信息，并发出对应标志的松动信息。
73.如图4所示，为了提升断裂检测的可靠性，选取接触式垂直断裂检测、非接 触式垂直断裂检测、接触式水平断裂检测、非接触式水平断裂检测和柔线断裂检 测信号或逻辑，任一断裂逻辑可触发螺栓断裂信息，并发出对应标志的断裂信息。
74.如图5所示，一种风力发电机螺栓松动断裂智能检测系统方法，包括如下步 骤：
75.1)进行螺栓松动断裂智能检测初始化配置，包括读取水平和垂直方向接触 式和非接触式松动和断裂定值，设置松动断裂识别模块(4)模拟量检测量程， 对信号传输模块(3)和显示模块(6)进行自检，进入步骤2)；
76.2)判断接触式垂直测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤5)，如 果为是，进入步骤3)；
77.3)发出接触式垂直方向松动信息，进入步骤4)；
78.4)发出接触式垂直方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤5)；
79.5)判断非接触式垂直测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤8)， 如果为是，进入步骤6)；
80.6)发出非接触式垂直方向松动信息，进入步骤7)；
81.7)发出非接触式垂直方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤8)；
82.8)判断接触式水平测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤11)，如 果为是，进入步骤9)；
83.9)发出接触式水平方向松动信息，进入步骤10)；
84.10)发出接触式水平方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤11)；
85.11)判断非接触式水平测量值是否大于松动定值，如果为否，进入步骤14)， 如果为是，进入步骤12)；
86.12)发出非接触式水平方向松动信息，进入步骤13)；
87.13)发出非接触式水平方向松动导致螺栓松动信息，进入步骤14)；
88.14)判断接触式垂直测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤17)， 如果为是，进入步骤15)；
89.15)发出接触式垂直方向断裂信息，进入步骤16)；
90.16)发出接触式垂直方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤17)；
91.17)判断非接触式垂直测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤20)， 如果为是，进入步骤18)；
92.18)发出非接触式垂直方向断裂信息，进入步骤19)；
93.19)发出非接触式垂直方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤20)；
94.20)判断接触式水平测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤23)， 如果为是，进入步骤21)；
95.21)发出接触式水平方向断裂信息，进入步骤22)；
96.22)发出接触式水平方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤23)；
97.23)判断非接触式水平测量值是否大于断裂定值，如果为否，进入步骤26)， 如果为是，进入步骤24)；
98.24)发出非接触式水平方向断裂信息，进入步骤25)；
99.25)发出非接触式水平方向断裂导致螺栓断裂信息，进入步骤26)；
100.26)判断柔线断裂检测信号是否为真，如果为否，返回步骤2)，如果为是， 进入步骤27)；
101.27)发出柔线已断裂信息，进入步骤28)；
102.28)发出柔线已断裂导致螺栓断裂信息，返回步骤2)，开展下一轮次螺栓智 能检测。
103.以上所述，仅是本发明专利的较佳实施例，并非对本发明专利作任何限制， 凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。