基于DSP的風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

楊宇等

摘 要：針對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組對(duì)振動(dòng)監(jiān)控的要求，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)電路，并將數(shù)據(jù)送入以DSP為控制器的系統(tǒng)中，得到經(jīng)算法分析后的有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還在PC電腦上編寫了上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，使得DSP系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示，經(jīng)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上和現(xiàn)場(chǎng)儀器對(duì)比測(cè)量，效果良好。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；振動(dòng)監(jiān)控；DSP控制器；上位機(jī)

引言

隨著能源危機(jī)問題的凸顯和可再生能源的逐步使用，風(fēng)力發(fā)電被認(rèn)為是目前最為成熟和高效的新能源發(fā)電技術(shù)之一。而機(jī)組振動(dòng)的監(jiān)測(cè)是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的重要組成那個(gè)部分。為了方便對(duì)新建機(jī)組進(jìn)行后續(xù)的設(shè)備故障診斷分析，設(shè)計(jì)了一整套完整的系統(tǒng)，并在實(shí)際的機(jī)組上實(shí)際使用并測(cè)量，達(dá)到了較好的測(cè)試效果。對(duì)解決工程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷提供了可靠的實(shí)踐依據(jù)。

1 振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)及測(cè)速電路，ADC采樣電路及其調(diào)理電路組成。其中下位機(jī)是由DSP嵌入式系統(tǒng)組成。

1.1 嵌入式DSP系統(tǒng)

DSP是數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal processor）的簡(jiǎn)稱，該類芯片主要具有以下三大特點(diǎn)：

（1）哈佛總線結(jié)構(gòu)，專用乘法器，獨(dú)特的DSP指令系統(tǒng)以及先進(jìn)的集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得DSP具有快速的指令周期。（2）流水線操作技術(shù)使兩個(gè)或更多不同的操作可以重疊執(zhí)行，從而在不減小時(shí)鐘周期的條件下縮短了每條指令的執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)了處理器的數(shù)據(jù)處理能力。（3）多機(jī)并行運(yùn)行特性。DSP芯片的單機(jī)處理能力是有限的，而隨著DSP芯片價(jià)格的不斷降低和應(yīng)用的廣泛，多個(gè)DSP芯片并行處理已成為可能，可以運(yùn)用這一特性，達(dá)到良好的高速實(shí)時(shí)處理的要求。

1.2 傳感器信號(hào)輸入電路

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)傳感器的集成度和穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。振動(dòng)傳感器選用的是壓電式加速度傳感器，型號(hào)為CA-YD108。該類傳感器精度較高，抗干擾能力較好，頻率響應(yīng)較寬，與之配套的調(diào)理器為YE5859B。

1.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速時(shí)由風(fēng)輪機(jī)外接的增量式旋轉(zhuǎn)光電碼盤測(cè)量得到的，其內(nèi)部算法為M/T法測(cè)速。M/T法測(cè)速要求：既檢測(cè)Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘個(gè)數(shù)M2，用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱做M/T法測(cè)速。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=■。

采用M/T法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減小誤差，只有等到編碼器輸出脈沖時(shí)，兩計(jì)數(shù)器才可以開始計(jì)數(shù)或者停止計(jì)數(shù)。M/T法測(cè)速的測(cè)速范圍要遠(yuǎn)大于M法測(cè)速和T法測(cè)速。

2 系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)是風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)備異常及故障信息的載體，那么選擇合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)方法是獲取有效故障信息的重要條件。因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取的合理性會(huì)直接關(guān)系到能否對(duì)故障狀態(tài)做出正確的監(jiān)測(cè)。根據(jù)國家能源局于2011年8月6號(hào)批準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)導(dǎo)則（NB/T31004-2011）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體給出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的最低要求如表1所示。圖1為測(cè)點(diǎn)安裝位置簡(jiǎn)圖。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

PC機(jī)監(jiān)測(cè)軟件：

（1）編寫與下位機(jī)DSP系統(tǒng)，通信接口程序。

（2）對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)重組及校驗(yàn)。

（3）顯示重組后的數(shù)據(jù)，設(shè)置報(bào)警功能（可自由設(shè)置報(bào)警閥線），并且能夠保持重組數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)通信

DSPSCIA串行通信的具體步驟如下：

（1）初始化DSP系統(tǒng)。

（2）配置SCIA串行通信模塊：設(shè)置GPIO復(fù)用引腳、SCIA通信格式、波特率、中斷使能等。

（3）將所需發(fā)送的16位整形數(shù)據(jù)拆分成，高8位和低8位。

（4）根據(jù)數(shù)據(jù)類型及通信協(xié)議編寫數(shù)據(jù)載入及校驗(yàn)程序，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，判斷數(shù)據(jù)的類型，并且載入和校驗(yàn)計(jì)算完成后，發(fā)送所載入的數(shù)據(jù)及校驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且等待下批數(shù)據(jù)。其流程圖如圖3所示。

5 PC監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信接收，采用VB中MSComm控件實(shí)現(xiàn)與DSP的通訊，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組及校驗(yàn)，采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)界面，通過調(diào)用VB串口所接收到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示等功能。實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析及故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軸進(jìn)行系統(tǒng)的整體調(diào)試，調(diào)理器采用YE5853A，壓電式加速度傳感器CA-YD-108/117，光電碼盤型號(hào)為E6C2-CWZ6C，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm。具體連接圖，如圖4所示。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)上測(cè)試，并取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。后使用成熟振動(dòng)測(cè)試儀器測(cè)量數(shù)據(jù)，兩者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，達(dá)到了測(cè)量要求并較好的對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，直接幫助振動(dòng)分析與故障診斷。

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