風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

Design of the Wind Turbine Generator Condition Monitoring System

顏　喜1　張世軍2　蔣銀忠3　鄧艾東1

(東南大學火電機組振動國家工程研究中心1，江蘇 南京　210096；

江蘇蘇美達集團公司2，江蘇 南京　210018；江蘇省投資管理有限責任公司3，江蘇 南京　210005)

風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

Design of the Wind Turbine Generator Condition Monitoring System

顏喜1張世軍2蔣銀忠3鄧艾東1

(東南大學火電機組振動國家工程研究中心1，江蘇 南京210096；

江蘇蘇美達集團公司2，江蘇 南京210018；江蘇省投資管理有限責任公司3，江蘇 南京210005)

摘要：針對風力發(fā)電機組(WTG)布置分散、運行環(huán)境惡劣的特點，結(jié)合現(xiàn)代風力發(fā)電機組的發(fā)展需求,從數(shù)據(jù)采集分析等方面開展研究，研發(fā)出適合風力發(fā)電機組的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集與分析儀。硬件開發(fā)平臺以ARM 為核心，并以 Windows CE 為嵌入式操作系統(tǒng)。著重分析了硬件系統(tǒng)開發(fā)平臺的外圍接口電路、模擬信號的預處理和通信接口的設(shè)計，并對軟件總體結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程進行設(shè)計。該系統(tǒng)可以解決目前風機故障頻發(fā)、故障不能及時得到處理的問題，具有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組(WTG)嵌入式系統(tǒng)EM9000狀態(tài)監(jiān)測Windows CEGPRS模塊

Abstract：The wind turbine generator(WTG) features scattering arrangement, and operating in harsh environment, aiming at these conditions, Combining with the developing demands for modern WTG, the researched is conducted from data acquisition and analysis aspects, and the multi-parameters data acquisition and analyzer suitable for wind turbine generation units is developed. The hardware development platform based on ARM as the core is selected, and Windows CE is the embedded operating system of the platform. The development of the peripheral interface circuits of the hardware system developing platform, pre-processing of the analog signals and the communication interface is emphasized, and the overall software structure and developing flowchart are designed. The system solves the problem of frequent occurrence of faults, and the faults cannot be handled timely, it possesses broad applicable prospects.

Keywords：Wind turbine generator(WTG)Embedded systemEM9000Condition monitoringWindows CEGPRS module

0引言

隨著風電技術(shù)的逐漸成熟以及大容量機型在運行效率上的優(yōu)勢，單機容量在兆瓦以上的機型成為市場主流。而大型風力發(fā)電機組(wind turbine generator,WTG)多應用于寬闊海域和邊遠地區(qū)，遠離監(jiān)控中心,環(huán)境惡劣，分布面積廣，數(shù)量多且機械結(jié)構(gòu)復雜。一旦出現(xiàn)故障，不僅需要昂貴的維修費用，而且因此產(chǎn)生的停機也將帶來很大的損失。要使大型風力發(fā)電設(shè)備更具競爭力，就必須提高其可靠性、高效性[1]。因此，風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究，具有重要的價值。

由于大型風機的結(jié)構(gòu)復雜，需要監(jiān)測的點很多，各個監(jiān)測點的特征也各不相同，并且風機的運行高度一般達到幾十米，檢修不便。所以，監(jiān)測系統(tǒng)必須能準確地反映出風機的運行狀態(tài)并根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)作出準確快速的處理，以適應風機的運行要求。

目前的微控制器開發(fā)系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)具有支持各種硬件資源、擴展性強、開發(fā)資源豐富，有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，微處理器的處理速度快，便于數(shù)據(jù)處理，操作系統(tǒng)軟件資源豐富，可根據(jù)實際需要進行軟件編程等諸多優(yōu)點[2]，能很好地滿足風電監(jiān)測的要求。所以將嵌入式系統(tǒng)應用于風力發(fā)電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。本文基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了風電機組嵌入式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)硬件包括嵌入式開發(fā)平臺、RAM存儲器、外圍處理設(shè)備、操作系統(tǒng)和應用軟件。基于ARM 技術(shù)的微處理器具有高效率、高可靠性、低功耗等優(yōu)點。因此，本文采用基于ARM的嵌入式開發(fā)平臺作為核心硬件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模擬電路部分主要包括振動信號、鍵相信號的預處理和采集。8路振動信號經(jīng)預處理后送入8通道高速A/D轉(zhuǎn)換器，在同一觸發(fā)信號啟動下開始并行同步采樣，以確保同一軸系的振動信號相位的同步性。采集完畢后先暫存在數(shù)據(jù)緩存器中，采滿一個分析周期(如一個信號周期采樣64點，連續(xù)采樣16個周期，即每個通道信號采集1 024點)后，由CPLD發(fā)出讀取指令，一并將這批數(shù)據(jù)讀取至RAM，然后進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

鍵相信號的預處理包括閾值電平自動跟蹤電路和比較器整形電路。處理后的鍵相信號一路輸入CPU進行轉(zhuǎn)速/頻率測量，另一路輸入CPLD，由其內(nèi)部已設(shè)計好的數(shù)字鎖相倍頻器產(chǎn)生高頻的振動信號A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號。這是實現(xiàn)8通道振動信號同步整周期采樣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

所有旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)信號的采集、計算、FFT運算等都由嵌入式系統(tǒng)來完成，計算出的狀態(tài)數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)或無線通信接口接入狀態(tài)監(jiān)測局域網(wǎng)。在工程師站上對風電場所有機組的振動信號進行監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)存儲，并運用人工智能技術(shù)對振動故障進行趨勢分析和診斷。工程師站也可對采集系統(tǒng)的初試參數(shù)進行編程設(shè)置[3-4]。

硬件系統(tǒng)中所有芯片的片選信號、邏輯控制信號、A/D轉(zhuǎn)換控制、采集數(shù)據(jù)緩存與讀取、數(shù)字鎖相倍頻器等都是通過CPLD編程來實現(xiàn)。這可大大縮減電路板空間，使硬件系統(tǒng)布局緊湊，提高可靠性，降低功耗。

圖1　嵌入式系統(tǒng)總體框架圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　嵌入式平臺介紹

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺是本系統(tǒng)的核心部分，其中的ARM芯片性能更是直接決定了整個系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場操作和遠程監(jiān)控，因此需要帶有LCD 實現(xiàn)人機交互，要有足夠的存儲空間，還要考慮采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存和傳輸。最后，綜合考慮選擇EM9000嵌入式開發(fā)平臺。

EM9000是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高端嵌入式模塊，其內(nèi)核為32位ARM920T。CPU是Cirrus Logic的EP9315，主頻200 MHz，32 MB NOR Flash可外置CF卡。它預裝了微軟的Windows CE操作系統(tǒng)，用戶可在eVC集成開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)多線程的程序結(jié)構(gòu)，同時在eVC環(huán)境中還可通過微軟的遠程調(diào)試工具來了解程序在EM9000的運行情況。EM9000帶有LCD專用接口，可直接與大多數(shù)數(shù)字TFT /LCD顯示屏相接。同時，EM9000帶有1個100 Mbit/s以太網(wǎng)接口、4個異步串口、2個HOST模式的USB接口、1個高速全雙工SPI以及1個CAN總線接口[5]。

2.2　嵌入式外圍設(shè)備

為了保障嵌入式系統(tǒng)能夠正常平穩(wěn)地運行，需要提供多個電壓等級的穩(wěn)定電源。傳感器測得的振動信號在進入后端處理器之前要進行一定的處理，采集來的信號要通過網(wǎng)絡(luò)端口實現(xiàn)通信傳輸?shù)取＿@些功能由嵌入式外圍設(shè)備來完成。嵌入式開發(fā)平臺外圍設(shè)備包括電源、信號采集與處理設(shè)備、無線通信模塊、顯示器等。

2.2.1信號預處理設(shè)計

風電機組運行頻率較低，設(shè)其最大運行頻率為20 Hz，振動分析的諧波上限取32倍頻，則振動分析的上限頻率為640 Hz，下限設(shè)為1 Hz，因此頻響范圍(帶通截止頻率)約為0.4～800 Hz。為保證通帶內(nèi)幅頻特性平穩(wěn)光滑，濾波器設(shè)計為巴特沃斯型。其高通由運算放大器設(shè)計為二階有源巴特沃斯型高通濾波器，低通設(shè)計為八階自動跟蹤抗混疊濾波器，選用MAXIM公司的MAX291八階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器來實現(xiàn)。配合CPLD中的數(shù)字倍頻功能，MAX291可以實現(xiàn)濾波帶的轉(zhuǎn)速自適應跟蹤。過程量信號近似為一個緩變的直流量，受到的干擾較小，因此設(shè)計一個截止頻率為1 Hz的二階有源低通濾波器即可。

輸入信號濾波后，還要經(jīng)過放大、整形、積分等處理后才能進入A/D轉(zhuǎn)換器。該部分電路由市場上常見的運算放大器來實現(xiàn)。實現(xiàn)積分電路的運放應選用低失調(diào)電壓、低漂移、高穩(wěn)定性運算放大器，這里選用OP系列的OPxx77、AD8599[6-7]。

2.2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換與保持電路是模擬電路的重要組成部分，采樣精度、通道、速率是選擇芯片的主要技術(shù)依據(jù)[7]。

對于振動信號的A/D轉(zhuǎn)換器，要求8通道同步采樣，可選擇1片8通道A/D芯片或2片4通道A/D芯片組合。本文選用MAX11046，其為8通道16位 A/D轉(zhuǎn)換器，同步采樣，每通道采樣速率達250 kS/s，可接收±5 V輸入。其他特征包括：4 MHz T/H輸入寬帶、內(nèi)部時鐘、雙向并行接口輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，并可接受數(shù)字配置輸入；采用專門的供電電源，無需電瓶轉(zhuǎn)換器即可與主機連接[5]。

當有鍵相信號時，振動信號A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號來自于鍵相信號經(jīng)CPLD內(nèi)的數(shù)字倍頻器倍頻2N倍后產(chǎn)生的A/D啟動控制脈沖。當無鍵相信號時，由CPU產(chǎn)生軟觸發(fā)信號啟動A/D轉(zhuǎn)換，以等時間間隔方式進行采集。對于4~20 mA信號形式輸入的負荷、溫度、壓力等參數(shù)，其輸入信號均為直流，需滿足測量誤差要求，一般<0.5%；轉(zhuǎn)換速率要求不高，可選擇MAX1308，該芯片為8通道12位 A/D轉(zhuǎn)換器。

2.2.3通信模塊

通信處理是風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。振動監(jiān)測遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要形式包括有線傳輸和無線傳輸兩種。

本文中通信處理采用無線傳輸方式，通過GPRS模塊MC37i，利用GPRS移動數(shù)據(jù)通信服務網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該方法具有傳輸效率高、接入時間短、支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全性高、系統(tǒng)建設(shè)和運營成本低、監(jiān)測范圍廣、與Internet無縫連接等優(yōu)點。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示[8-9]。

圖2　通信模塊數(shù)據(jù)傳輸圖

2.2.4其他模塊

其他模塊主要包括電源、存儲模塊、顯示器等。根據(jù)系統(tǒng)實際需求，需提供5 V、3.3 V、±12 V等多個電源，可以由集成DC-DC來實現(xiàn)；存儲器采用外置CF卡；顯示器選用的是AT056TN52，5.6英寸(1英寸=25.4 mm)液晶顯示器，可以通過ZIF40管腳的軟帶連線與嵌入式開發(fā)平臺直接連接。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式操作系統(tǒng)因具有軟件固化程度高、實時高效、專業(yè)性強、系統(tǒng)精簡等優(yōu)點而被廣泛使用。目前，常用的嵌入式操作系統(tǒng)主要有：Windows CE、Linux、Psos、Android等。Windows CE是微軟開發(fā)的從整體上針對有限資平臺而設(shè)計的多任務、多線程、完整優(yōu)先權(quán)的操作系統(tǒng)，具有占用資源少、易于移植、結(jié)構(gòu)化模塊、支持多種工具開發(fā)等優(yōu)點。

本文采用的嵌入式開發(fā)平臺EM9000以ARM9 CPU為處理核心，ARM9中內(nèi)置了Windows CE操作系統(tǒng)，采用Microsoft embedded Visual C++(簡稱EVC)作為平臺的開發(fā)工具。EVC的使用與在標準的PC機上使用VC平臺開發(fā)基本一致。

3.1　Windows CE簡介與開發(fā)流程

Windows CE的層次結(jié)構(gòu)主要包括硬件層、OEM層、操作系統(tǒng)層、應用層。其中的核心為操作系統(tǒng)層，它為下層提供服務和接口，同時為上層應用程序提供相應的API。在Windows CE開發(fā)平臺上編程時，常常會用到一些功能函數(shù)，各個函數(shù)的各項參數(shù)和具體定義可以根據(jù)函數(shù)的名稱在幫助文件中找到。

在Windows CE系統(tǒng)上開發(fā)應用軟件的流程主要包括如下步驟：①通過嵌入式平臺的網(wǎng)絡(luò)接口與開發(fā)主機建立連接；②在EVC編程軟件中編寫應用程序源代碼；③在開發(fā)主機上調(diào)試應用程序，并通過EVC在Windows CE操作系統(tǒng)中調(diào)試；④調(diào)試成功后將代碼導出固化。

3.2　數(shù)據(jù)采集處理程序

在A/D轉(zhuǎn)換器啟動之前，當有鍵相信號時，振動信號A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號來自于鍵相信號經(jīng)CPLD內(nèi)的數(shù)字倍頻器倍頻2N倍后產(chǎn)生的A/D啟動控制脈沖。根據(jù)鍵相信號測得的轉(zhuǎn)速值，當轉(zhuǎn)速小于10 Hz時，N取6，即倍頻128倍；否則N取5，倍頻64倍。當無鍵相信號時，由CPU產(chǎn)生軟觸發(fā)信號啟動A/D轉(zhuǎn)換，以等時間間隔方式進行采集。一個周期采樣64個點，連續(xù)采樣16個周期為一個分析周期。采完一個周期后先暫存在數(shù)據(jù)緩存器中，當采滿一個分析周期后，由CPLD發(fā)出讀取指令，一并將這批數(shù)據(jù)讀取至擴展的RAM存儲器，然后進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。A/D采集部分流程圖如圖3所示。

圖3　A/D采樣流程圖

對應的功能代碼如下。

① 從A/D轉(zhuǎn)換器讀取采樣數(shù)據(jù)

UINTI16read_AD(UINT16adr)

{

UINT16RECE_DATA;

Set_AD(addr);

RECE_DATA= AD_READ

Return RECE_DATA;

}

② 對A/D的寫入控制程序

ViodWrite_AD(UINT adr ,UINT16 dat)

{

Set_AD(adr);

AD_WRIT=dat;

}

3.3　網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)傳輸選用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，采用MC37i模塊。該模塊直接固化在ETA203模塊中，可以直接通過ZIF40軟排插線與嵌入式開發(fā)平臺EM9000相連接。GPRS模塊主要通過EVC編碼進行調(diào)試等。部分EVC代碼如下。

void GPRS_PowerOff( )

{

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0x08 );

Sleep( 3000 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

}

void GPRS_Reset( )

{

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0x04 );

Sleep(200 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

}

voidGPRS_PowerOn( )

{

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0x08 );

Sleep( 100 );

EM9000_OUTB( ISA_P4, 0 );

Sleep( 100 );

}

調(diào)試、連接成功后，ISP 服務器向客戶機發(fā)送LCP配置包，客戶機必須根據(jù)PPP 協(xié)議的要求，完成配置，客戶機應主動向ISP 服務器發(fā)送PAP 請求包。在客戶機收到ISP 發(fā)送過來的PAO 確認包后，客戶機向ISP 發(fā)送配置IP 地址的請求包，ISP 給用戶分配IP 地址，并以IPCP 包的形式發(fā)送給客戶機。分配到IP 地址即表明GPRS 撥號上網(wǎng)已成功，然后與服務器建立TCP 連接，之后就可以使用TCP 協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　測試數(shù)據(jù)

其中的接口是EM9000通過GPRS連接到互聯(lián)網(wǎng)時，分配給本地的IP地址，這條路由記錄的意思是：當要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的IP地址不在系統(tǒng)的路由記錄中時，系統(tǒng)會將該數(shù)據(jù)包通過10.86.34.28這個接口直接發(fā)送出去，這個接口會將數(shù)據(jù)交付到下一個路由器處理。下一行中所示的路由記錄作為系統(tǒng)缺省路由記錄，發(fā)往外網(wǎng)的數(shù)據(jù)都將通過10.86.34.28這個接口發(fā)送出去，即通過GPRS發(fā)送。

4結(jié)束語

分布式網(wǎng)絡(luò)化的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，非常適合對分布的風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷。本文設(shè)計了以EM9000嵌入式開發(fā)平臺為核心的基于ARM 的風電機組嵌入式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)的硬件構(gòu)成進行了詳細設(shè)計，重點介紹了該系統(tǒng)中軟件構(gòu)成部分中的通信處理與數(shù)據(jù)處理模塊。與其他風力發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)成本低、功耗小，運

行穩(wěn)定，在進一步完善后值得在工程上推廣。

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中圖分類號：TH

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502020

國家自然科學基金資助項目(編號：51075068)。

修改稿收到日期：2014-07-02。

第一作者顏喜(1989-)，男，現(xiàn)為東南大學動力工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究。