風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片振動(dòng)無線檢測系統(tǒng)*

陳廣華，田 德，李 琪

（華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院,北京 102206）

隨著人類對(duì)能源需求的不斷增加，以及化石能源造成的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問題的出現(xiàn)，能源安全已成為世界各國面臨的最重要的問題。風(fēng)能是目前最有開發(fā)利用前景的可再生清潔能源,風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式而備受關(guān)注[1]。截止2010年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到2億千瓦。已經(jīng)有100多個(gè)國家開始發(fā)展風(fēng)電，裝機(jī)容量超過100萬千瓦的國家有20個(gè)。我國除臺(tái)灣外累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)4 400萬千瓦，已經(jīng)超過美國成為裝機(jī)第一的風(fēng)電大國[2]。

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片質(zhì)量好壞直接關(guān)系著機(jī)組運(yùn)行的安全性。機(jī)組的載荷主要由葉片產(chǎn)生，葉片承受的載荷主要有吸收風(fēng)載的氣動(dòng)載荷、本身的重力載荷以及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力載荷。隨著機(jī)組容量不斷增大，葉片的長度也越來越長，為了降低成本，薄殼結(jié)構(gòu)的葉片也變得越來越輕巧，結(jié)構(gòu)的撓性變得越大。葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到大氣邊界層的剪切風(fēng)、隨機(jī)陣風(fēng)、塔影效應(yīng)、變槳、偏航、氣動(dòng)的不平衡、葉片本身彈性恢復(fù)等因素影響，形成了復(fù)雜的激振源，由此引發(fā)的多因素的結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)越發(fā)引起重視。振動(dòng)的主要形式表現(xiàn)為揮舞、擺陣和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。因此，檢測葉片在不同風(fēng)速下的振動(dòng)特性，分析其振動(dòng)機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)葉片設(shè)計(jì)和機(jī)組安全運(yùn)行有著重要的意義。

由于風(fēng)力機(jī)葉片特殊的工作方式，傳統(tǒng)的測振方式無法安裝在葉片上。本研究設(shè)計(jì)了一套低功耗的無線振動(dòng)采集系統(tǒng)，可以把振動(dòng)傳感器模塊安裝在葉片內(nèi)部某一半徑位置，上位機(jī)的收發(fā)模塊安裝在機(jī)艙中，上位機(jī)可以放在塔筒底部，它們之間采用RS485通信。系統(tǒng)采用ATMEGA32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的核心，用NRF24E1低功耗的收發(fā)芯片作為無線通信模塊，上位機(jī)通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，并且可以通過軟件編程使單片機(jī)和無線發(fā)射模塊工作在更低的功耗狀態(tài)。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。選用的高性能低頻傳感器把振動(dòng)信號(hào)傳輸給單片機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后無線收發(fā)模塊通過半雙工的通信模式傳輸出去。平時(shí)不工作時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，上位機(jī)有數(shù)據(jù)采集的中斷信號(hào)發(fā)出以后，即可把系統(tǒng)從休眠狀態(tài)中喚醒，啟動(dòng)收發(fā)模塊，檢驗(yàn)通道是否暢通，然后把存儲(chǔ)在單片機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)射出去，當(dāng)接收端確認(rèn)正確接收后，系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)[3-4]。接收部分通過RS485完成和計(jì)算機(jī)的通信，采用LabVIEW圖形化的編程語言對(duì)數(shù)據(jù)做最后的接收、顯示和處理。

2 系統(tǒng)硬件

振動(dòng)傳感器要安裝在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉片上，不能經(jīng)常拆卸，因此要考慮固定和系統(tǒng)的功耗問題。采用低功耗的元器件是本系統(tǒng)的一個(gè)重要特色。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2.1 傳感器選擇

系統(tǒng)選用TZDM22-55振動(dòng)傳感器，它采用了銻化銦薄膜磁敏電阻作為敏感元件，配以放大整形線路用金屬外殼封轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)為準(zhǔn)正弦波的交變電壓信號(hào)。安裝時(shí)將傳感器緊固在一側(cè)的振動(dòng)體上，當(dāng)振動(dòng)體在傳感器敏感的測量方向上振動(dòng)時(shí)，傳感器內(nèi)部的振動(dòng)磁鋼相應(yīng)地強(qiáng)制振動(dòng)，安裝在振動(dòng)磁鋼旁的磁敏元件能夠感應(yīng)出磁鋼引起的磁場變化，并產(chǎn)生一個(gè)交變電壓信號(hào)，經(jīng)過電路的處理放大后，輸出與被測振動(dòng)參數(shù)（頻率和幅值大小）相對(duì)應(yīng)的交變電壓信號(hào)。工作電壓VDC5～24 V，振動(dòng)頻率范圍0.3 Hz～3 kHz，使用溫度范圍-25℃～+75℃，防護(hù)等級(jí)IP65～I(xiàn)P67。無振動(dòng)時(shí)輸出近似2.5 V的直流電平，噪音小于30 mV；有振動(dòng)輸出時(shí)，輸出電壓幅值50 mV～4.8 V之間。兩根電源線，一根信號(hào)輸出線。具有體積小、頻響寬、接線簡單、分辨率高、靈敏度高、壽命長等特點(diǎn)。有振動(dòng)和無振動(dòng)時(shí)的輸出波形見圖3。

2.2 單片機(jī)的選擇

系統(tǒng)選用了 ATMEL公司的 ATMEGA32單片機(jī)[5-7]。其內(nèi)核具有豐富的指令集，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。具有32 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，1 KB EEPROM,2 KB SRAM，32個(gè)通用I/O端口，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益 (TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的睡眠模式。

2.3 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路選用DS1302。工作電壓2.0 V～5.5 V，2.0 V時(shí)工作電流小于300 nA。DS1302內(nèi)部提供了一個(gè)31×8 bit的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，還增加了主電源和備份電源的雙電源引腳,在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。通過三線(RST、I/O、SCLK)串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，能夠向單片機(jī)提供包括秒、分、時(shí)、日、月、年等在內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，并可對(duì)月末日期、閏年天數(shù)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 無線傳輸模塊

采用了NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24E1[8-9]。該模塊的無線收發(fā)器工作于2.4 GHz的ISM頻段,有多達(dá)125個(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來避免干擾。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。NRF24E1內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核,2.4 GHz無線收發(fā)器,100 kS/s的9路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置 RC振蕩器、SPI接口、UART接口、PWM輸出、看門狗和喚醒定時(shí)器以及專門的穩(wěn)壓電路。所有高頻元件包括振蕩器、電感等全部集成在芯片內(nèi)部，因此芯片的性能穩(wěn)定，受外界環(huán)境的影響很小。

NRF24E1采用 36腳 QFN(6 mm×6 mm)封裝，體積小、功耗低，非常適用于對(duì)體積和功耗要求較高的應(yīng)用場合；最大傳輸速率可達(dá) 1 Mb/s，靈敏度為-90 dBm，最大發(fā)射功率為0 dBm；在較為理想的環(huán)境中，室內(nèi)傳輸距離可達(dá) 30～40 m，室外傳輸距離可達(dá) 100～200 m；其工作電壓為 1.9～3.3 V，工作溫度范圍為－40℃～+80℃。

信號(hào)采集和發(fā)射模塊的電路原理圖如圖5所示，單片機(jī)的 D6口接收傳感器的脈沖信號(hào)，PB0～PB2口與DS1302的RST、I/O、SCLK引腳相連，單片機(jī)通過 TXD和RXD與發(fā)射模塊進(jìn)行通信。32.768 kHz的晶振為時(shí)鐘芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。nRF24E1的運(yùn)行程序放在外部串行EEPROM中,開始工作時(shí),內(nèi)部引導(dǎo)程序會(huì)自動(dòng)把主程序?qū)隨RAM中并執(zhí)行。

3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)選用內(nèi)部自帶的1 MHz晶振，B口接收DS1302的時(shí)間數(shù)據(jù)，D6口接收振動(dòng)信號(hào)。單片機(jī)收到上位機(jī)采集信號(hào)的請(qǐng)求后，通過INIT0中斷把單片機(jī)從睡眠模式中喚醒，然后給nRF24E1返回一個(gè)準(zhǔn)備完畢的信號(hào)“*”。 初始化 NRF24E1，首先送握手信號(hào)“#”，待確認(rèn)后，調(diào)用發(fā)射程序，把數(shù)據(jù)通過USART發(fā)給接收模塊，當(dāng)監(jiān)測到UCSAR的TXC為置位時(shí)，發(fā)送結(jié)束，系統(tǒng)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)NFRF24E1工作在ShockBurst模式下，可使數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間大大縮短。軟件采用了LabVIEW語言編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和分析處理。單片機(jī)控制的軟件流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室組裝調(diào)試成功后，在室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的吊扇葉片上進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7(a)是葉片慢速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線，圖7(b)是給了一個(gè)激勵(lì)后的振動(dòng)數(shù)據(jù)曲線。采集的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，對(duì)激勵(lì)信號(hào)反應(yīng)靈敏，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)葉片的低頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行可靠的采集。

該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，利用無線通信方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)測量，解決了一般有線測量方法在葉片上難以安裝的難題。通過選用低功耗的器件以及電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件的處理，使系統(tǒng)能夠工作在更低功耗狀態(tài)，抗干擾性更強(qiáng)，并具有良好的人機(jī)對(duì)話界面，系統(tǒng)整體集成度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，軟件編程簡單，可開發(fā)能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足葉片低頻振動(dòng)測量的需要。

[1]賀德馨.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2]李俊峰.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告 2011[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[3]李朝青.無線發(fā)送/接收IC芯片及其實(shí)據(jù)通信技術(shù)選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4]周林，殷俠.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]耿德根.AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[6]沈文.AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7]趙亮，候國銳.單片機(jī) C語言編程與實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[8]Nordic white paper.nRF24E1product specification[EB/OL].[2011-11-06].http://www.nvlsi.no/files/product/data_sheet/nRF24E1_prod_vl_0.pdf.2003－07.

[9]nRF24E1 and nRF24E2 RF layouts[DB/OL].[2011-11-06].http://www.freqchina.com.