风力发电机振动在线监测系统

风力发电机振动在线监测系统

风力发电机是将风能转换成电能的设备,风能通过叶轮带动主轴、增速箱、发电机组转换成电能。发电机组的状态监测和故障预测、诊断是目前风力发电机设备维修、维护管理的主要手段,其状态监测的方法很多,主要有力、位移、振动、噪声、温度、压力等监测。由于振动引起的机械损坏比率很高,目前在诊断技术上应用最多的是机械振动信号检测, 风力发电机运行状态通常可从振动数据上体现出来,目前国内大型风力发电机组振动监测设备基本上是整机进口,价格昂贵。为此我们开发了基于加速度传感器MMA7260QT、C8051F350型单片机的振动在线监测系统,具有振动数据实时监测、分析以及超限报警制动等功能。

1 系统整体设计

风力发电机故障诊断的基本方法是时域监测、频域分析诊断,核心思想是利用加速度传感器检测振动情况,由计算机对振动数据进行采样、滤波,提取有效振动频带内的信号,通过分析有效频带内的峰值振动频率来判断风机运行是否正常[1]。

采集系统主要包括传感器、电源电路、单片机系统和通讯电路。图1为系统硬件框图。

振动测量采用MMA7260QT 作为振动传感器,MMA7260QT采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,并且提供4个量程可选,同时带有低通滤波并已做零g补偿。芯片提供休眠模式,最低供电电流3μA 。

MMA7260QT的关键组成部分加速度感应单元,利用半导体材料经过刻蚀加工成基于可变电容原理的机械结构。当芯片受到外力产生加速度时,相当于两个极板之间的发生了相对变化,从而将加速度变化以电容值变化的形式体现出来。再通过内部电路将电容转化为电压变化,经过滤波、放大处理后输出。

通过引脚1 、2 的输入搭配,可实现对加速度范围和灵敏度的选择。

1.2 单片机系统

C8051F350是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU,具有高速、低功耗、集成度高、功能强大、体积小巧等优点,其内部有一个全差分24位A/D转换器,该转换器具有在片内校准功能。两个独立的抽取滤波器可被编程到lkHz的采样率。可使用内部的电压基准,也可用差分外部基准进行比率测量。由2.7V~3.6 V低压供电,其功能已达到板卡级水平,使得片外功能器件减少。硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和SPI串行接口,4个通用的16位定时器,具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA),片内上电复位、电源电压监视和温度传感器;片内电压比较器,17个端口I/O(允许5V输入)。可编程增益放大器(PGA)对ADC输入进行放大,可设置的放大倍数为1、2、4、8、16、32、64和128[2]。

1.3 通讯模块

C8051F350与PC机或者其它设备交换数据是借助于RS-485串行通信来实现的。发送和接收要约定具体的数据格式和波特率(通信协议)。通信参数为9600,n,8,1。在配置每个控制器的时候,在一个网络上的所有设备都必须选择相同的串口参数。波特率9 600,1个起始位,8个数据位,1个停止位,无奇偶校验位[4,6]。

2 软件设计

2.1 下位机软件设计

下位机软件的主要功能是检测和标定振动数据,按要求将数据上传至主机,并接受PC机配置,包括有效频带宽度、报警阈值、数据标定初值等。

数据标定是下位机编程的一个重要部分,它把采集的振动数据与实际加速度对应起来。

设传感器在加速度为正最大值时输出为,加速度为为负最大值时输出为,认为传感器是线性的,当传感器输出任意量时,加速度值可用下式计算:

2.2 上位机软件设计

分析报警软件的主要功能是从下位机接收有效频带内振动信号数据,对数据进行FIR 带通滤波;以通带内信号的合成矢量峰峰值作为依据判断发电机振动情况,同时检测发电机转速,若转速或振动值超限发出相应报警信号。

数字滤波器的设计是该模块的难点。采用工程中应用广泛的窗函数法,通过反复比较、调整,选用汉明窗设计FIR带通滤波器。

设滤波器的理想频率响应函数为,则其对应的单位脉冲响应为:

用窗函数法设计滤波器的基本原理是用有限长度单位脉冲响应序列去逼近理想的单位脉冲响应序列。通常理想单位脉冲响应往往都是无限长序列,而且是非因果的,所以用窗函数将进行截断并作加权处理得到:

就是实际设计的FIR数字滤波器的单位脉冲响应序列,其频率响应函数为:

其中,N为所选窗函数的长度。如果要求滤波器具有线性相位特性,则必须满足: