物联网在风电系统螺栓力矩平台中的应用

史 伟，窦玉祥，田 仁，何 明，陈 波

（国电联合动力技术（连云港）有限公司，江苏连云港 222000）

0 引言

在人们不断探索人与人的现代通信技术的同时，视觉也在物与物的通信角度悄然翻开。为了更好地服务电子信息传递，人们最初在部分物体打上条形码，这大大提高了物品识别的效率，随着RFID、蓝牙、ZigBee等近场通信技术的发展，RFID、二维码等各种现代识别技术逐步得到推广应用。在摩尔定律的推动下，芯片体积不断缩小，功能更加强大，传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐趋向集成化、微型化和网络化。随着云计算技术的不断发展成熟，对海量数据的处理问题也将得到解决，物品自身的网络与人的网络相连通已经成为大势所趋。

在风电系统中，螺栓作为风机部件的连接件，其锁紧的质量至关重要，螺栓的力矩值作为锁紧质量中一个重要的参数，是否满足风电系统的工艺安装要求，决定了风机是否能够长期安全稳定的运行。所以本文根据传统套筒在螺栓拧紧过程中存在的缺陷，指出现在工艺的不足，从物联网、设备安全、网络通信、数据传输等方面综合考虑，提出开发一套风机螺栓力矩智能化管理监测平台。通过实践证明，该平台大幅度提高了风机螺栓力矩拧紧的生产效率，为企业降低了生产成本，保障了螺栓的装配质量和风机安全性能，对于风电系统整机企业的智能制造具有一定的参考意义［1］。

1 传统套筒螺栓拧紧工艺现状

传统小螺栓通常用活扳手和套筒（呆）扳手紧固，大螺栓用加长臂套筒扳手紧固，有些人只是用锤子敲击套筒扳手来紧固螺栓。后来，螺栓的紧固方式由气动、电动、液压扳手和液压担架紧固。对于一些高强度的螺栓，只能通过螺栓中心孔加热，使螺栓伸长，然后拧紧螺母，如螺栓冷却收缩，达到拧紧的目的。手动拧紧时，只能用扳手转动螺母，直到固定为止。螺栓拧紧后的预紧力无法控制，只取决于施工人员的强度和习惯。

传统的液压扳手拧紧时，虽然可以通过液压泵站设定输出的压力来对应旋转螺栓的力矩，但为了防止螺栓转动，必须使驱动力与反作用臂平衡。根据力矩平移规律，产生一定的偏载。由于螺栓与螺母的接触螺纹之间存在间隙，拧紧时螺纹间的表面接触会变成线接触，大大增加了螺纹间的摩擦。反作用臂支点的变化也会引起螺栓摩擦力和正压力的变化。因此，尽管传统的液压扳手为每个螺栓提供了相似的拧紧力矩，但每个螺栓的实际预紧力并不相同。

由此可见，传统的紧固方法无法保证螺栓的预紧力，并且在工作过程中无法有效记录螺栓拧紧的力矩值。因此，要保证螺栓的工艺并提升工作效率，实时记录力矩值，需要从以下几个方面着手解决。第一，在法兰和垫片质量通过的前提下，螺栓的预紧力和偏差是决定法兰是否泄漏的重要因素。第二，控制螺栓的预紧力，选择正确的螺栓拧紧工艺是非常重要的。第三，螺栓拧紧过程中需要添加智能化传输设备，能够实时有效地记录螺栓的力矩值，这样才能保证螺栓锁紧的质量［2］。

2 智能套筒在力矩平台中的工艺研究

智能套筒集成了无线动态力矩传感器，取代传统的套筒，它可以通过蓝牙或者WiFi的形式，将数据传输至配套的液压泵站的PLC，PLC通过内部逻辑设定与采集的力矩值及其他各项数据指标的范围作出判断分析，从而发出相关指令，消除因设备的过载运行等导致的锁紧质量缺陷及安全隐患。同时PLC通过无线通信模块将数据传输至工控机，工控机通过无线传输方式通过无线网关将数据传输至力矩平台，这样所有的设备数据都能保存在平台服务器，实现工厂设备操作的合理化记录，大大减少了人为的误操作概率，提高了生产效率。

智能力矩套筒上紧时，不仅应过度拉伸螺栓，而且智能力矩套筒上紧螺栓的预紧力精度较低。液压扳手和智能力矩套筒紧固螺栓的试验结果表明，预紧精度分别为（+15%）和（+51%）。

3 基于智能套筒的力矩监测平台设计

风机螺栓力矩智能化监测平台设计分为软件平台设计、硬件设计、网络架构3部分，为了满足平台运行条件，采用软硬结合方式，系统功能如图1所示，该平台可采集风电工厂的螺栓套筒实时力矩值、泵站压力、PLC设备在线率等实时数据，生成文本和图表形式的各项报告，实现对螺栓、泵站、PLC的控制和监测［3］。

图1 系统功能

平台硬件部分主要有智能套筒、中继网关接收器、压力变送器等现场采集设备和PLC控制器［4］、服务器及终端显示设备构成，其中PLC是专门为工业环境应用而设计的电子装置，通过数字量和模拟量输入/输出来控制各种类型机械的生产过程，是工业控制的核心部分。为方便客户随时掌控套筒力矩和泵站压力等信息，该平台采用C/S体系结构，利用压力传感器、RFID射频［5］等物联网技术采集实时数据，通过工业以太网将信息传送到中控室的服务器，使服务器与硬件设备通信并进行数据处理和运算，并制定友好的大数据人机交互界面，支持计算机的浏览和操作。硬件组成如图2所示。

图2 平台硬件构成

网络硬件架构设计根据现场环境确定采用树形以太网架构，树形网络也叫多星级型网络。树形网络是由多个层次的星型结构纵向连接而成，树的每个节点都是计算机或转接设备。一般来说，越靠近树的根部，节点设备的性能就越好。树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支［6-7］。

本网络架构设计易于扩展，故障隔离较容易，但是各个节点对根的依赖性太大，一旦根节点出现问题，将导致网络的全部瘫痪。网络架构如图3所示。

网络软件架构设计对网络感知层、传输层和应用层进行安全设计［8］，提高信息采集、传输和控制的可靠性。在感知层，采用多位置、多方向和稳定的无线路由节点［9］进行分布，形成全面的网络监测系统；在传输层，采用工业以太网和I/O总线来提高信息传输的及时性、完整性和抗干扰性；在应用层，采用J2EE中间件、WebService、数据分析及挖掘等网络安全技术来实现信息控制和管理［10-11］。

该平台软件采用JAVA语言开发，利用MySQL数据库存储各类数据，集成了大屏幕远程控制、综合数据分析、设备报警分析、设备在线率统计等功能，支持电力系统多种类型的通信规约。平台采用模块化设计方法，利用表现层、业务逻辑层、数据访问层3层架构进行设计，实现了平台软件的“高内聚，低耦合”，使平台具有良好的可扩展性。系统软件功能如图4所示。

图3 树形网络

图4 系统软件功能

在系统软件功能中，传感器等设备采集到的数据经通信网络传输至服务器，服务器后台处理程序通过WebSocket等接口将各项数据进行运算和整合，生成曲线图，通过客户端实现报警事件的显示，实现历史存储、控制运算、事件记录、报警检查、数据处理等功能。客户通过浏览客户端进行套筒力矩值和压力变送器的压力值进行监测，当监测到数据异常时，可以读取实时库数据，向PLC控制器发送控制指令来响应，实现平台的报警联动监控功能。

风机螺栓力矩智能化监测平台优势有以下方面：

（1）在线监测，可实时监测力矩套筒拧紧螺栓的力矩值、压力值等相关参数。

（2）定位追溯，基于物联网无线通信技术，精确定位螺栓拧紧工位位置。

（3）报警联动，主要提供事件报警和提示，基于工作流和规则引擎进行硬件联动。

（4）趋势预警，基于预先设定的规则进行事件处置和预警分析。

（5）安全隐私，采用自组局域网通信传输，保障了企业数据安全。

4 结语

物联网技术为风电行业的发展带来了前所未有的机遇，促进了风电行业的信息化、自动化和互动化建设，使风电系统具有智能计算、网络通信、精确控制、远程协作等功能，加强了设备间的联系，让多个设备能与计算机相连，使监测、管理更加集中化和智能化，为维护人员及时反馈设备信息，让风电的生产得到低成本和高效率的发展。

风机螺栓力矩智能化管理监测平台虽然利用了现今的物联网技术实现螺栓力矩的智能管理，但也存在一些问题。在套筒精确定位螺栓方面，由于当前国内GPS技术限值导致无法精确定位套筒所打螺栓的位置。在网络安全方面，由于数据采集和传输一般都是在无人值守环境下，所以在原有的传统网络上加强网络安全将会成为一个挑战，这需要从网络感知层、传输层和应用层进行安全设计来提高信息的有效采集、可靠传输和及时控制。在控制方面，方泵站对套筒供给压力过大或出现故障问题时，虽然系统能进行自行分析和及时报警，但大部分问题还是需要工作人员赶赴现场才能解决，离真正的无人值守和完全自动控制还有一定的差距。这些问题将会在一定时间内合理地存在，要解决这些问题，就要建立一个统一的框架，把技术、网络信息资源及终端进行有机融合，提高自主研发能力，逐步推进物联网在风电行业的应用［12］。