隨著許多風力發(fā)電機的質保期到期，業(yè)主開始直接承擔運營風力發(fā)電場的維護成本，而風機主要部件如果發(fā)生故障會嚴重影響到維護的成本。這兩個因素使得風電行業(yè)越來越意識到狀態(tài)監(jiān)測的價值。越來越多的業(yè)主和運營商安裝了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）以及時發(fā)現故障。通過這種早期檢測，修理成本可以顯著降低。正式有了這個趨勢，市場上涌現了很多供應商提供此類系統(tǒng)。幾乎每一個主機廠都能提供了自己的CMS，同時齒輪箱和軸承供應商加入了戰(zhàn)場。業(yè)主購買時通常會想比較不同的數據（如振動，油質，SCADA數據），以確定哪種準確性較高。但不幸的是，沒有性能標準或基準可以進行此類比較。這樣對業(yè)主來說，決定什么CMS能在合適的價格下提供需要的性能非常困難。
　　理解CMS系統(tǒng)的總體目標是很重要的：CMS被設計為用戶提供建議，從而使他們做出最佳的運行和維護的決策。這個過程中把物理測量（例如震動，油液碎屑，溫度，壓力）的數據轉換成用于行動的建議是至關重要的。
　　雖然各CMS方法不同，但幾乎所有的CMS都遵循以下的六步驟：
　　1、數據采集：物理現象轉換成模擬量的測量，然后將其轉換成數字格式;
　　2、數據處理：數字化測量結果轉換為對運行狀況的有意義的指示;
　　3、識別：指示信號的“正常”或“異常”分類;
　　4、診斷：對故障數據確認（排除干擾信號）及位置和嚴重程度判斷;
　　5、預后：對發(fā)生故障的組件還能持續(xù)運行多久進行估計;
　　6、建議：確定何種維護行動是必要的，何時應該執(zhí)行它。
　　這從“數據采集”到“建議”的六個步驟的處理過程是以直線形移動的。由于每一步驟的輸出為下一步驟的輸入，在一個步驟處理得到的數據質量會影響下面的步驟。因此，有必要從整體系統(tǒng)層面考慮CMS的設計。另外值得一提的也是經常被忽略的是，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在第六步建議后即結束了處理過程。但其實還有決策的步驟，其應由操作者參考這些建議作出更好的操作和維護的決定。這樣有經驗的操作人員也對CMS系統(tǒng)的效能起著重要的作用。
　　1、數據采集
　　上節(jié)已提到CMS每個步驟的數據質量會影響下游的數據處理結果。因此第一步驟的數據采集設備的靈敏度，帶寬和所選擇的傳感器的精度是非常重要的，這些數據是后續(xù)一系列處理分析的基礎。選擇傳感器還需要確定其是否在所有的故障模式下采集到的數據能夠反應組件健康狀況。例如，對發(fā)電機和齒輪箱就需要選擇不同的傳感器具備不同的敏感振動頻率區(qū)間；并考慮故障模式下振動縱波還是橫波更能反映組件的狀況。另外，不同的監(jiān)測方法也需要考慮組件的可能故障模式。如：油液碎屑系統(tǒng)可以監(jiān)測點蝕的故障，但不能檢測到開裂的問題；振動監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測點蝕和開裂，但多數不能確定在行星齒輪組件的健康狀況。
　　所以應首先針對風機上最大的維護成本的部件，確定其最常見的故障模式。根據故障模式和部件的特性，選擇合適的傳感器及監(jiān)測方法。
　　2、數據處理
　　測量已被轉換為數字格式的數據處理后， CMS必須處理該傳感器的測量量并轉換成組件健康狀況的有意義的指示。在CMS中，數據處理步驟包括兩個不同的子步驟。第一步是信號“噪音”濾波，即將有用的信號和無關的信號分離開。當信號分離完成的越好，就會增加CMS的靈敏度，更容易辨別“無故障”和“故障”狀態(tài)。濾波也減少了在復雜的環(huán)境中，不同運行條件下引起的這些分量條件信號不可避免的變化。
　　數據處理的第二步驟是提取濾波后的可指示該部件健康狀態(tài)的特征信號。理想的特征信號應能識別部件可能存在的不同故障模式。例如，一個齒輪可以有幾種故障模式，包括根部裂紋，表面凹陷，或咬合不好。這些故障模式的每個都表現為不同的特征，沒有單一的特征信號能準確地描述所有這些故障。因此，識別每個元件的潛在故障模式應對應于基于不同的過濾方法的多個特征指標。數據處理后處于故障和非故障的重合部分的信號應盡量少，否則造成CMS系統(tǒng)識別故障靈敏度低。
　　數據處理的理想目標應是去除干擾信號，提取到有用的可以確定所有潛在故障模式的特征指示。
　　3、識別
　　此步驟即用提取的特征指示與參考值進行比較并區(qū)分為正常和非正常狀態(tài)。參考值通常基于統(tǒng)計數據或根據模型計算所得確定。一般來說，無故障和故障的信號指示分布有部分的重疊，如果獲取的信號指示位于重疊區(qū)，造成區(qū)分狀態(tài)的錯誤是不可避免的。區(qū)分正常和非正常狀態(tài)的閾值水平以及它是如何選擇是實現系統(tǒng)性能的關鍵。風機內部系統(tǒng)的復雜性和數量繁多的不同風機品牌和型號都大大增加了選擇閾值的困難。閾值設置過高會造成遺漏而設置過低會造成誤報。所以通常選擇的值會考慮平衡遺漏率和誤報率。
　　選擇CMS系統(tǒng)時一個關鍵的問題是需要詢問該系統(tǒng)是怎么選擇報警閾值的。不好的識別處理會更容易出現誤報，導致很多不必要的維護工作。
　　4、診斷
　　一旦識別出故障的指示信號，CMS必須確認故障，并確定其位置和嚴重程度。用體檢的例子可以形象的理解此步驟。如果患者被識別出血壓讀數高于閾值，醫(yī)生可能傾向于診斷高血壓。然而，如果經進一步詢問，發(fā)現病人檢查的這周工作壓力很大。此外，該患者沒有高血壓家族史并且其之前的血壓值一直較低。在這種情況下，醫(yī)生不會診斷高血壓。現在想象一下，如果病人確實有高血壓家族史和他的歷史血壓值已經向上趨勢好幾年。診斷將是高血壓而下一步驟將是確定高血壓的嚴重性。確認故障需要通過類似的過程，檢查其歷史的指示記錄，比較同樣的指示發(fā)生時的設備運行條件。如果這是第一次發(fā)生超過閾值，而設備運行在一個瞬時高載的狀態(tài)，我們最好忽略這個故障指示，除非后續(xù)不斷出現此類指示。
　　如果已確認故障指示，其后就需要確定故障的嚴重程度，這是CMS診斷的重要組成部分。這部分需要從故障指示信號的超出程度及當時的運行狀態(tài)以及該部件的使用歷史來綜合確定。
　　5、預后
　　一個小故障而剩余幾個月的使用壽命與只剩一小時，嚴重故障的操作會完全不同。
　　一旦故障已經被驗證和嚴重性是已知的，下一個問題就是需要知道該組件將持續(xù)多久需要更換，也被稱為剩余使用壽命的估計。組件的剩余使用壽命可以通過多種方式來估計，但它需要知道：故障的當前嚴重性和該部件的未來運行條件的估計。在我們上面的例子中，一旦患者的病情的嚴重程度被確定，醫(yī)生可以用根據情況來預后。如果當前的血壓超出不多（故障嚴重性）和患者已經開始健康的生活方式（未來的運行條件），之后10年患者沒有太大的問題。但如果高血壓同樣超出不多，但病人缺乏運動，生活方式不健康，高血壓不及時治療會在5年內發(fā)展成為心臟病。這兩種情況下，開始在同一級別，但未來運行條件導致了完全不同的預后。CMS有略微不同的是運行條件不會變化，但會估計在不同的維護策略下部件達到其使用壽命的終點的時間。
　　6、建議
　　一旦CMS確定了故障嚴重性的估計和該部件的剩余使用壽命，系統(tǒng)需要提出必要的維護操作策略。該建議需要綜合分析診斷和預后的數據。在我們的例子中，如果患者被診斷為輕度高血壓和預后會有對它們的總體健康沒有影響，建議將維持其當前的生活方式。如果患者接受診斷相同但預后是，輕度高血壓會導致五年后出現心臟疾病，建議就是多鍛煉和更健康的飲食。對于風機，該建議將是維護檢修計劃的形式。如軸承出現故障時，建議是一個月內通過目視檢查故障，并在三個月內安排更換軸承。這允許有充足的時間提前計劃維護修理，減少停機時間和收入損失。
　　此文從整體框架介紹了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及選擇CMS時的指導原則。許多市場上的系統(tǒng)沒有完整覆蓋整個狀態(tài)監(jiān)測的六個步驟。這可能需要操作員來人工處理大量的數據。所以選擇CMS時一定要問供應商的系統(tǒng)覆蓋哪部分，是否需要額外的服務才能得到第六步的維護檢修建議結果。一句話總結本文觀點，判斷一個CMS的功效好壞只需要看其為運營商提供更好的運行維護的決策建議能力的高低。