【技术】了解风机状态监测系统

 随着许多风力发电机的质保期到期，业主开始直接承担运营风力发电场的维护成本，而风机主要部件如果发生故障会严重影响到维护的成本。这两个因素使得风电行业越来越意识到状态监测的价值。越来越多的业主和运营商安装了状态监测系统（CMS）以及时发现故障。通过这种早期检测，修理成本可以显著降低。正式有了这个趋势，市场上涌现了很多供应商提供此类系统。几乎每一个主机厂都能提供了自己的CMS，同时齿轮箱和轴承供应商加入了战场。业主购买时通常会想比较不同的数据（如振动，油质，SCADA数据），以确定哪种准确性较高。但不幸的是，没有性能标准或基准可以进行此类比较。这样对业主来说，决定什么CMS能在合适的价格下提供需要的性能非常困难。

理解CMS系统的总体目标是很重要的：CMS被设计为用户提供建议，从而使他们做出最佳的运行和维护的决策。这个过程中把物理测量（例如震动，油液碎屑，温度，压力）的数据转换成用于行动的建议是至关重要的。

虽然各CMS方法不同，但几乎所有的CMS都遵循以下的六步骤：

1、数据采集：物理现象转换成模拟量的测量，然后将其转换成数字格式;

2、数据处理：数字化测量结果转换为对运行状况的有意义的指示;

3、识别：指示信号的“正常”或“异常”分类;

4、诊断：对故障数据确认（排除干扰信号）及位置和严重程度判断;

5、预后：对发生故障的组件还能持续运行多久进行估计;

6、建议：确定何种维护行动是必要的，何时应该执行它。

这从“数据采集”到“建议”的六个步骤的处理过程是以直线形移动的。由于每一步骤的输出为下一步骤的输入，在一个步骤处理得到的数据质量会影响下面的步骤。因此，有必要从整体系统层面考虑CMS的设计。另外值得一提的也是经常被忽略的是，状态监测系统在第六步建议后即结束了处理过程。但其实还有决策的步骤，其应由操作者参考这些建议作出更好的操作和维护的决定。这样有经验的操作人员也对CMS系统的效能起着重要的作用。

1、数据采集

上节已提到CMS每个步骤的数据质量会影响下游的数据处理结果。因此第一步骤的数据采集设备的灵敏度，带宽和所选择的传感器的精度是非常重要的，这些数据是后续一系列处理分析的基础。选择传感器还需要确定其是否在所有的故障模式下采集到的数据能够反应组件健康状况。例如，对发电机和齿轮箱就需要选择不同的传感器具备不同的敏感振动频率区间；并考虑故障模式下振动纵波还是横波更能反映组件的状况。另外，不同的监测方法也需要考虑组件的可能故障模式。如：油液碎屑系统可以监测点蚀的故障，但不能检测到开裂的问题；振动监测系统可以检测点蚀和开裂，但多数不能确定在行星齿轮组件的健康状况。

所以应首先针对风机上最大的维护成本的部件，确定其最常见的故障模式。根据故障模式和部件的特性，选择合适的传感器及监测方法。

2、数据处理

测量已被转换为数字格式的数据处理后， CMS必须处理该传感器的测量量并转换成组件健康状况的有意义的指示。在CMS中，数据处理步骤包括两个不同的子步骤。第一步是信号“噪音”滤波，即将有用的信号和无关的信号分离开。当信号分离完成的越好，就会增加CMS的灵敏度，更容易辨别“无故障”和“故障”状态。滤波也减少了在复杂的环境中，不同运行条件下引起的这些分量条件信号不可避免的变化。

数据处理的第二步骤是提取滤波后的可指示该部件健康状态的特征信号。理想的特征信号应能识别部件可能存在的不同故障模式。例如，一个齿轮可以有几种故障模式，包括根部裂纹，表面凹陷，或咬合不好。这些故障模式的每个都表现为不同的特征，没有单一的特征信号能准确地描述所有这些故障。因此，识别每个元件的潜在故障模式应对应于基于不同的过滤方法的多个特征指标。数据处理后处于故障和非故障的重合部分的信号应尽量少，否则造成CMS系统识别故障灵敏度低。

数据处理的理想目标应是去除干扰信号，提取到有用的可以确定所有潜在故障模式的特征指示。

3、识别

此步骤即用提取的特征指示与参考值进行比较并区分为正常和非正常状态。参考值通常基于统计数据或根据模型计算所得确定。一般来说，无故障和故障的信号指示分布有部分的重叠，如果获取的信号指示位于重叠区，造成区分状态的错误是不可避免的。区分正常和非正常状态的阈值水平以及它是如何选择是实现系统性能的关键。风机内部系统的复杂性和数量繁多的不同风机品牌和型号都大大增加了选择阈值的困难。阈值设置过高会造成遗漏而设置过低会造成误报。所以通常选择的值会考虑平衡遗漏率和误报率。

选择CMS系统时一个关键的问题是需要询问该系统是怎么选择报警阈值的。不好的识别处理会更容易出现误报，导致很多不必要的维护工作。

4、诊断

一旦识别出故障的指示信号，CMS必须确认故障，并确定其位置和严重程度。用体检的例子可以形象的理解此步骤。如果患者被识别出血压读数高于阈值，医生可能倾向于诊断高血压。然而，如果经进一步询问，发现病人检查的这周工作压力很大。此外，该患者没有高血压家族史并且其之前的血压值一直较低。在这种情况下，医生不会诊断高血压。现在想象一下，如果病人确实有高血压家族史和他的历史血压值已经向上趋势好几年。诊断将是高血压而下一步骤将是确定高血压的严重性。确认故障需要通过类似的过程，检查其历史的指示记录，比较同样的指示发生时的设备运行条件。如果这是第一次发生超过阈值，而设备运行在一个瞬时高载的状态，我们最好忽略这个故障指示，除非后续不断出现此类指示。

如果已确认故障指示，其后就需要确定故障的严重程度，这是CMS诊断的重要组成部分。这部分需要从故障指示信号的超出程度及当时的运行状态以及该部件的使用历史来综合确定。

5、预后

一个小故障而剩余几个月的使用寿命与只剩一小时，严重故障的操作会完全不同。

一旦故障已经被验证和严重性是已知的，下一个问题就是需要知道该组件将持续多久需要更换，也被称为剩余使用寿命的估计。组件的剩余使用寿命可以通过多种方式来估计，但它需要知道：故障的当前严重性和该部件的未来运行条件的估计。在我们上面的例子中，一旦患者的病情的严重程度被确定，医生可以用根据情况来预后。如果当前的血压超出不多（故障严重性）和患者已经开始健康的生活方式（未来的运行条件），之后10年患者没有太大的问题。但如果高血压同样超出不多，但病人缺乏运动，生活方式不健康，高血压不及时治疗会在5年内发展成为心脏病。这两种情况下，开始在同一级别，但未来运行条件导致了完全不同的预后。CMS有略微不同的是运行条件不会变化，但会估计在不同的维护策略下部件达到其使用寿命的终点的时间。

6、建议

一旦CMS确定了故障严重性的估计和该部件的剩余使用寿命，系统需要提出必要的维护操作策略。该建议需要综合分析诊断和预后的数据。在我们的例子中，如果患者被诊断为轻度高血压和预后会有对它们的总体健康没有影响，建议将维持其当前的生活方式。如果患者接受诊断相同但预后是，轻度高血压会导致五年后出现心脏疾病，建议就是多锻炼和更健康的饮食。对于风机，该建议将是维护检修计划的形式。如轴承出现故障时，建议是一个月内通过目视检查故障，并在三个月内安排更换轴承。这允许有充足的时间提前计划维护修理，减少停机时间和收入损失。

此文从整体框架介绍了状态监测系统以及选择CMS时的指导原则。许多市场上的系统没有完整覆盖整个状态监测的六个步骤。这可能需要操作员来人工处理大量的数据。所以选择CMS时一定要问供应商的系统覆盖哪部分，是否需要额外的服务才能得到第六步的维护检修建议结果。一句话总结本文观点，判断一个CMS的功效好坏只需要看其为运营商提供更好的运行维护的决策建议能力的高低。