风机监控系统（Wind Turbine Monitoring & Control System，简称 WTCS）是风力发电机组的核心大脑，核心使命是实现风机全生命周期的运行控制、状态监测、故障预警、安全保护、数据交互，既保障风机在不同风速、工况下稳定发电（最大化发电量），又能在极端工况、设备故障时快速保护机组，同时支撑远程运维与集群管理，是风机安全可靠运行、提升发电效率的关键系统。

适配双馈、直驱、半直驱等主流风机机型，覆盖陆上 1.5~6MW、海上 5~16MW 风机，分单机本地监控和风场集群监控两层架构，支持陆上 / 海上不同环境的抗干扰、防腐蚀、高可靠设计。

一、 系统核心定位与设计原则

1.  核心定位

• 控制核心：精准调节风机转速、桨距角、偏航，适配风速变化，实现最大风能追踪（MPPT）

• 安全核心：故障 / 极端工况（超速、过振、电网故障、台风）时，快速执行停机保护，避免机组损毁

• 监测核心：实时采集整机数千个运行参数，监控关键部件健康状态

• 交互核心：对接风场中控、远程运维平台，实现数据上传与指令下达

2.  核心设计原则

• 高可靠性：适应 - 40℃~60℃温变、高湿、盐雾（海上）、强电磁干扰，核心部件冗余设计

• 实时性：转速、振动等关键参数采集响应≤10ms，保护动作响应≤100ms

• 安全性：分级保护逻辑，故障优先停机，避免次生灾害

• 可扩展性：支持机组参数升级、功能拓展，适配集群管理需求

• 易运维性：本地可视化操作，远程故障诊断与参数调试，降低运维成本

二、 系统整体架构（两层架构，全链路覆盖）

风机监控系统采用 **“单机 PLC 本地控制 + 风场集群远程监控”** 分层架构，两层间通过工业以太网 / 无线通信联动，互不依赖（本地控制可独立运行，保障单机安全）。

第一层：单机本地监控系统（风机本体核心，独立运行）

风机单机的控制、监测、保护核心，即使与风场中控断开通信，也能独立完成机组启停、发电控制与安全保护，是系统的基础层。

核心构成：主控 PLC、传感器单元、执行机构、本地人机界面（HMI）、变流器控制单元、偏航 / 桨距控制单元、安全链单元、通信模块。

第二层：风场集群监控系统（风场级管理，统筹调度）

对风场所有风机进行集中监控、调度、运维管理，适配数十台至上百台风机的集群管控，支撑风场整体发电效率优化与运维统筹。

核心构成：风场中控服务器、监控工作站、数据存储服务器、集群调度软件、远程通信网关、告警系统（声光 + 短信 / 邮件）。

三、 核心组成部件及功能（单机 + 集群，精准拆解）

（一） 单机本地监控核心部件（风机本体关键组件）

1. 主控 PLC（核心中的核心，如西门子 S7-400、倍福 CX 系列）

• 核心功能：承载风机所有控制逻辑（MPPT、桨距调节、偏航控制、并网 / 脱网）、数据采集、故障判别、保护指令下达

• 关键特性：双 CPU 冗余设计，断电不丢失参数，支持在线调试，抗干扰能力强，适配风机振动环境

• 核心逻辑：根据风速、转速信号，调节桨距角和发电机扭矩，实现最大风能捕获；故障时触发安全链，执行急停 / 正常停机。

2. 安全链单元（风机安全第一道防线，硬件冗余，优先级最高）

• 核心功能：独立于 PLC 的硬件保护回路，优先级高于软件控制，覆盖风机致命故障，确保机组绝对安全

• 触发条件：超速、过速、机舱 / 塔架超振、变流器故障、制动器故障、电网失压、手动急停、火灾报警

• 动作逻辑：触发后直接切断执行机构电源，强制执行紧急停机（桨叶顺桨、偏航锁死、制动器抱闸），不受 PLC 控制，避免软件故障导致保护失效。

3. 传感器单元（数据采集源头，覆盖整机关键测点）

   采集风机运行状态、环境参数、部件健康数据，为控制和保护提供依据，核心测点如下：

• 环境类：风速传感器（机舱顶部，测来流风速）、风向传感器（指导偏航对风）、温度传感器（环境 / 机舱温度）

• 运行类：转速传感器（叶轮 / 发电机转速，防超速）、振动传感器（机舱 / 塔架 / 主轴，测振动值，防共振损毁）、位置传感器（桨距角、偏航位置，精准定位）

• 电气类：电压 / 电流传感器（电网 / 发电机 / 变流器，监测电气参数）、功率传感器（计量发电量）

• 部件健康类：油位 / 油温传感器（齿轮箱）、液压压力传感器（桨距 / 制动系统）、轴承温度传感器（主轴 / 发电机轴承）

4. 执行机构（接收指令，完成动作，保障控制落地）

• 桨距执行机构：调节桨叶角度（风速过低时收桨启动，风速适中时调桨追风能，风速超标时顺桨停机）

• 偏航执行机构：驱动机舱旋转，对准风向，提升风能利用率

• 制动机构：主轴制动器 + 高速轴制动器，正常停机 / 急停时抱闸，锁定机组

• 变流器：调节发电机输出电压 / 频率，适配电网要求，实现并网发电

5. 本地人机界面（HMI，机舱 / 塔筒底部操作屏）

• 核心功能：本地查看风机运行参数（转速、功率、风速、部件温度等）、故障代码、历史数据；手动操作机组启停、复位故障、修改本地参数（需权限）

• 关键特性：防尘、防水、抗振动，支持本地 / 远程切换，操作简单直观

6. 辅助控制单元（专项控制，提升精准度）

• 变流器控制单元：独立控制变流器工作，匹配发电机转速与电网频率

• 齿轮箱控制单元：监控齿轮箱油温、油压，控制冷却 / 润滑系统

• 冷却系统控制单元：控制机舱 / 发电机 / 变流器冷却风扇，维持设备正常温度

（二） 风场集群监控核心部件（风场级统筹）

1. 中控服务器（风场核心，统筹所有风机数据与指令）

• 核心功能：接收所有风机上传的运行数据、故障信息，存储历史数据；下发集群启停、功率调节指令（如电网限功率时，分配各风机出力）

2. 监控工作站（运维人员操作终端）

• 核心功能：可视化展示风场所有风机运行状态（单台 / 整体），实时告警；远程查看单台风机详细参数、故障录波，远程复位故障

3. 数据存储服务器：存储风场发电量、风机运行参数、故障记录（至少保存 1 年），支撑数据分析与运维复盘

4. 远程通信网关：对接上级远程运维平台（厂家 / 业主），实现跨区域数据传输与远程运维

5. 告警系统：风机故障时，触发中控声光告警，同时推送短信 / 邮件给运维人员，分级提示故障等级（一般 / 严重 / 致命）

四、 核心功能详解（控制 + 监测 + 保护 + 交互，全覆盖）

（一） 核心控制功能（最大化发电效率，适配工况变化）

1. 最大风能追踪（MPPT）：风速在切入风速（3~4m/s）~ 额定风速（11~13m/s）时，通过调节发电机扭矩、桨距角，让叶轮始终在最佳转速运行，捕获最大风能，提升发电量

2. 恒功率控制：风速超过额定风速后，调节桨距角，限制叶轮转速，保持风机输出功率稳定在额定值，避免过载

3. 偏航对风控制：根据风向传感器信号，驱动机舱旋转，让桨叶始终正对风向，减少风能损耗（对风精度≤±5°）

4. 并网 / 脱网控制：风速达到切入值，机组自检正常后，变流器调节电压 / 频率与电网匹配，平稳并网；电网故障 / 风速超标时，快速脱网，保护机组与电网

5. 启停控制：自动启停（风速达标自启动，风速低于切出风速 / 超标自停机）+ 手动启停（本地 / 远程操作）

（二） 核心监测功能（全维度采集，支撑状态评估）

1. 实时参数监测：采集风机数千个测点，分 3 类核心数据

• 运行参数：叶轮转速、发电机转速、桨距角、偏航角度、输出功率、发电量、电网电压 / 电流 / 频率

• 环境参数：风速、风向、环境温度、湿度、气压（海上加测盐雾浓度）

• 部件健康参数：齿轮箱油温 / 油位 / 油压、主轴轴承温度 / 振动、发电机温度 / 振动、液压系统压力、刹车片磨损量

2. 数据记录与追溯：记录实时数据、历史趋势、故障事件（带时间戳），支撑故障复盘与性能优化

3. 状态评估：通过振动、温度等参数，预判部件（轴承、齿轮箱）劣化趋势，实现预防性维护

（三） 核心保护功能（分级保护，保障机组安全，优先级从高到低）

风机保护分紧急停机和正常停机，优先保障人员与设备安全，核心保护场景如下：

1. 超速保护（最核心）：叶轮 / 发电机转速超过额定值 1.2~1.5 倍时，安全链触发，桨叶紧急顺桨，制动器抱闸，紧急停机

2. 振动保护：机舱 / 塔架 / 主轴振动超过阈值，先降功率运行，若振动持续超标，紧急停机（避免共振损毁结构）

3. 电网故障保护：电网失压、过压、过频、欠频时，快速脱网，避免发电机 / 变流器损毁；电网恢复后，自动 / 手动并网

4. 极端工况保护：台风（风速超 25m/s）时，桨叶顺桨、机舱锁定，机组进入停机避风模式；低温时，启动加热系统，防止部件冻裂

5. 部件故障保护：齿轮箱油温过高 / 油位过低、发电机超温、液压系统失压等，触发正常停机，避免部件进一步损毁

6. 人员安全保护：机舱有人作业时，锁定机组，禁止启动；手动急停按钮（机舱 / 塔筒 / 中控）触发，紧急停机

（四） 核心交互功能（数据互通，支撑远程运维）

1. 本地交互：通过 HMI 查看参数、操作机组、复位故障

2. 风场级交互：单机与风场中控通信，上传数据，接收集群调度指令

3. 远程交互：风场中控对接远程运维平台，厂家 / 业主可跨区域查看风机状态、远程诊断故障、修改参数（需权限）

4. 告警交互：故障时多渠道推送告警，确保运维人员及时响应

五、 陆上 vs 海上风机监控系统差异（针对性适配环境）

六、 现场运维核心要点（保障系统稳定，降低故障率）

1. 定期巡检：检查传感器（风速 / 风向 / 振动）安装紧固性，避免松动导致数据失真；清理传感器探头灰尘（陆上）/ 盐雾（海上）

2. 数据校准：每半年校准风速、转速、振动传感器，确保采集精度；核对功率计量准确性

3. 安全链测试：每季度测试安全链触发逻辑（模拟超速 / 超振），确保紧急停机可靠，无拒动 / 误动

4. 软件维护：定期升级 PLC 固件、监控软件（需备份参数）；禁止无权限修改核心控制参数（如桨距角、超速阈值）

5. 通信维护：检查以太网 / 光纤链路，确保单机与中控、远程平台通信畅通；海上定期检查通信设备防腐状态

6. 故障处理：故障时先查看告警代码和历史数据，定位故障点（如超速告警先查转速传感器 + 制动系统）；故障复位前需排查根源，避免重复故障

7. 备份管理：定期备份 PLC 参数、监控系统配置，避免参数丢失导致机组无法正常运行

七、 常见故障与规避措施

1. 数据采集失真（风速 / 转速不准）：传感器松动、探头污染，定期紧固 + 清洁，校准传感器

2. 保护误动（无故停机）：振动传感器阈值设置过低、信号干扰，优化定值 + 做好屏蔽接地，排查干扰源

3. 保护拒动（故障不停机）：安全链回路松动、执行机构故障，定期测试安全链，检查制动器 / 桨距机构

4. 通信中断：链路松动、网关故障，冗余通信备份，定期检查通信设备

5. 软件故障（PLC 死机）：固件 bug、参数错误，定期升级固件，规范参数修改流程，双 CPU 冗余规避单点失效

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