基于ZigBee的風電機組振動故障監測系統設計*

鄔春明,楊繼紅

(東北電力大學信息工程學院,吉林 吉林 132012)

基于ZigBee的風電機組振動故障監測系統設計*

鄔春明*,楊繼紅

(東北電力大學信息工程學院,吉林 吉林 132012)

針對目前風電機組有線監測系統安裝、維護不便和監測點有限等問題,設計了基于ZigBee的風電機組振動故障監測系統,系統由傳感器節點、協調器節點、3G網絡和監控中心組成。傳感器節點采集機組各部位的振動參數并發送至協調器節點,經過協調器節點處理的信息通過3G網絡發送至遠程監控中心,此設計提高了系統的可靠性和實時性。測試結果表明系統節點間通信良好,系統工作穩定性高,數據傳輸實時性好,及時給出報警信息,故障診斷正確率達到95.5%。

故障監測;無線傳感器網絡;ZigBee技術;3G網絡

目前風電場主要通過傳統的監測系統和定時巡視檢查的方式對機組設備進行監測[1-2]。傳統的監測系統主要是確保機組設備安全可靠運行,只有當機組設備發生大型故障時,傳統監測系統才會給出故障提示并報警;而人工巡查方法,受風電場分布范圍廣和環境條件差等影響,難以發現設備早期故障[3-4]。在這樣的背景下,提出了基于ZigBee的風電機組振動故障監測系統,并結合3G技術,實現風電機組振動狀態的實時監測。該系統的使用可以發現風電機組部件早期故障,能夠判斷故障原因以及故障部位,及時進行維修和更換,從而減少甚至避免臨時檢修行為。采用無線傳感器網絡設計的風電機組振動故障監測系統具有低功耗、自組網、自修復等特點,此設計提高了系統的可靠性和實時性并具有廣闊的發展前景和巨大的研究潛力。

1 系統總體設計

基于ZigBee的風電機組振動故障監測系統主要由終端采集節點、協調器節點、3G網絡和監控中心4部分組成,其系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案設計結構圖

系統采用CC2530處理器、智能傳感器、3G無線接入技術和數據庫技術,建立起一套完整的實時在線監測平臺,完成整個風電機組的安全可靠實時監測和管理。

終端采集節點部署在風電機組設備相關部位,負責采集機組設備的振動狀態信號并將采集到的實時數據傳輸到協調器節點;協調器節點負責整個無線傳感器網絡的運行、收集、融合等功能,并且將處理后的數據通過3G網絡發送至遠程監控中心;3G模塊將接收到的數據打包成IP包,通過3G空中接口將打包的數據發送至3G網絡;遠程監控中心客戶端程序將IP包解包,數據還原,對終端采集網絡采集到的信息進行匯總、分析和顯示[5]。

2 系統硬件設計

2.1 終端采集節點電路設計

終端采集節點是無線傳感器網絡的基礎,也是不可或缺的模塊,終端采集網絡節點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊4部分組成,其框圖如圖2所示。傳感器節點散布在風電機組機艙內,這些節點通過自組織方式構成無線網絡,以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中需要的信息,實現任意時間任意地點信息的采集、處理和分析。

圖2 終端采集節點框圖

終端采集節點用ADXL345芯片[6]采集機組振動信號,ADXL345是一款具高分辨率(12位)、低功率、小而薄的超低功耗3軸加速度計,其電路如圖3所示;處理器采用CC2530芯片,其內部存在RF射頻寄存器并且無繁瑣的外圍匹配電路。

圖3 ADXL345芯片電路圖

CC2530最小系統一般由復位電路、濾波電路、時鐘電路和射頻電路等幾部分基本電路組成。晶振電路由32 MHz和32.678 kHz的晶振電路構成,以保證串口波特率的準確性[7-8],其中主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振,而XTAL2是一個可選的32.768 kHz晶振,它有要求非常低的睡眠電流消耗和精確喚醒時間兩種應用。CC2530是51內核并且它是2.4 GHz的高頻信號通道,因此采用了多級旁路電容進行濾波,防止電路中出現干擾雜波影響ZigBee的通信距離。為增加無線傳輸性能,實際中會采用CC2530芯片+CC2591芯片,增加通信距離,使得ZigBee網絡的通信距離達500 m以上,其電路圖如圖4所示。

圖4 CC2530+CC2591電路圖

2.2 協調節點電路設計

協調器節點是ZigBee網絡中的管理者,主要擔任無線網絡的建設、網絡的相關配置,是數據采集節點的匯聚節點,將匯聚來的數據通過3G網絡傳輸到遠程監控中心。協調器節點結合了ZigBee技術和3G網絡技術,其結構框圖如圖5所示。

圖5 協調器節點框圖

協調器節點的硬件設計主要包括3部分,第1部

分為無線接收模塊,第2部分為存儲器以及處理器模塊,第3部分為3G無線通信模塊。無線接收模塊和處理器模塊采用CC2530芯片(具有RF射頻接收模塊),而3G無線通信模塊采用華為的EM770W芯片[9],具體電路圖如圖6所示,CC2530和EM770W兩個芯片的輸出電壓都是3.3 V電壓,因此不需要電平轉換電路。

圖6 協調器節點電路圖

3 系統軟件設計

整個Zig Bee自組織網絡基于Z-Stack協議棧,Zig Bee無線傳感器網絡中包括終端節點和協調器節點,組成星型網絡。

3.1 終端采集節點軟件設計

終端采集節點主要負責采集機組設備的振動信號并處理和發送數據。在ZigBee模塊啟動電源后,初始化CC2530芯片并且將其加入無線傳感器網絡,入網成功后,終端采集節點進入監測狀態;當CC2530芯片中的定時器發生中斷請求時,則CC2530進入工作模式,通過加速度傳感器采集振動數據,當定時時間到,將振動數據向上層傳輸。發送成功后,CC2530芯片則進入休眠狀態等待定時喚醒,發送失敗則重新發送,其軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 終端采集節點流程圖

3.2 協調器節點軟件設計

協調節點是整個網絡的核心部分,負責網絡協議的分配,以及數據的中轉,協調器節點的軟件設計是首先建立一個新的空閑網絡,接收各個數據采集節點進入網絡,之后將這些信息傳輸到3G網絡模塊。其軟件過程為先初始化協調器節點(包括處理器、中斷、串口等);然后建立一個新的網絡監聽和等待狀態,判斷是否有入網的請求,有請求并成功入網則為子節點分配網絡之間相互協議地址。成功接收到振動信號數據后將這些數據發送到3G網絡模塊,其軟件流程圖如圖8所示。

圖8 協調器節點流程圖

3.3 3G模塊軟件設計

3G模塊的TCP/IP協議棧,支持標準的AT指令集,并具備通過PPP協議撥號上網以及通過TCP/IP協議進行數據通信。采用EM770W芯片的3G模塊程序設計主要分為3個步驟:通過AT指令初始化EM770W芯片、用PPP協議撥號的方式接入3G網絡以及無線數據遠程傳輸[10]。

3G模塊將采集到的所有數據進行以下幾種處理:由應用層傳送命令報文、傳輸層打包成TCP數據包、網絡層封裝IP包頭、數據鏈路層封裝成PPP幀,通過3G模塊登錄GGSN成功后,將處理后的數據發送至Internet網絡。3G模塊在接收到遠程監控中心發送的控制指令時,分別完成PPP包、IP包和TCP包解析,將讀取的監控指令傳送至處理器進行處理。EM770W芯片利用TCP/IP協議棧發送數據程序流程如圖9所示。

圖9 數據發送流程圖

4 系統功能測試

4.1 ZigBee組網測試

選用基于CC2530的ZigBee開發組件完成ZigBee網絡的相關測試工作。開發套件包括多功能協調模塊和簡單的終端模塊,每個節點均采用CC2530的ZigBee無線通信模塊,其組網實物如圖10所示。

圖10 ZigBee模塊實物圖

4.2 系統功能及實現

監控中心的功能是將接收到的風電機組振動狀態數據進行存儲、分析、顯示以及給出故障報警提示,其監控中心界面如圖11所示,圖中顯示了機組各個設備的實時監測數據,如發現異常數據,會對異常的數據進行報警提示,報警提示信息如圖12所示。登入系統后,將進入監測界面,系統除能顯示所有機組振動狀態數據外,還增加了管理員、角色管理、修改密碼和歷史數據查詢等功能,圖13給出了振動數據查詢曲線圖。

圖11 監控中心界面

圖12 報警提示信息

圖13 數據曲線圖

圖14 中間軸水平加速度時域波形

4.3 故障診斷實例

這里選用位于新疆維吾爾自治區阿勒泰地區的布爾津風電場中型號為GW50-750的機組進行實驗測試。僅以采用加速度傳感器采集齒輪箱中間軸水平加速度數據為例。

圖14為中間軸水平加速度時域波形,圖中顯示中間軸時域波形存在沖擊,沖擊頻率為6.8 Hz,接近中間軸轉頻。圖15為中間軸水平加速度頻域波形,加速度頻譜顯示中間級嚙合頻率為131 Hz及其倍頻附近存在能量峰,能量峰在1、3、5倍頻處較明顯,能量峰成分為間隔6.8 Hz頻率,說明中間軸齒輪損傷。

圖15 中間軸水平加速度頻譜

5 結束語

此系統結合無線傳感器網絡、3G技術和傳感器等技術,搭建了軟硬件平臺,構建基于ZigBee的風電機組振動故障監測系統。該系統以成熟的 ZigBee 技術應用于風力發電機組故障監測系統中,通過短距離無線通信技術對風電機組參數進行采集,最終通過3G網絡傳輸到遠處監控中心,進行故障監測,并且當發生安全隱患時,給出報警信息,保證風電機組安全、穩定、可靠的運行。

[1] 劉文藝. 風電機組振動監測與故障診斷研究[D]. 重慶:重慶大學,2010:45-47.

[2] 鄔春明. 基于ZigBee的風電機組遠程監控系統設計與實現[J]. 電子器件,2014,37(3):542-545.

[3] I an F Akyildiz,Tommaso Melodia,Kaushik R Cho Wdhury. A Survey on Wireless Multimedia Sensor Networks[J]. Computer Networks,2007,51(4):921-960.

[4] McMillan D,Ault G W. Quantification of Condition Monitoring Benefit for off Shore Wind Tubines[J]. Wind Engineering,2007,31(4):267-285.

[5] 杜元生. 基于無線傳感器網絡的室內環境監測系統設計與實現[D]. 南京:南京航空航天大學,2013.

[6] 尹少平. 風力發電機組無線監測系統設計[J]. 傳感器與微系統,2014,33(5):84-90.

[7] 鄔春明,程亮. 基于物聯網的變電站在線監測系統[J]. 電工電能新技術,2013,32(4):110-113.

[8] 鄔春明. 基于ZigBee風電桿塔狀態及機組振動監測系統研究[J]. 電子技術應用,2014,40(4):29-31.

[9] 彭蘭地. 基于3G技術的遠程醫療監護系統設計[J]. 計算機與現代化,2013(1):88-94.

[10] 常超. 基于WSN的精準農業遠程環境監測系統設計[J]. 傳感技術學報,2011,24(6):879-883.

[11] 王志偉. 基于無線傳感器網絡的智能移動監控系統設計[J]. 電子器件,2013,36(6):876-880.

[12] 朱琎. 基于CC2530的無線振動監測傳感器節點設計[J]. 儀表技術與傳感器,2012(8):56-58.

Wind Turbine Vibration Fault Monitoring System Design Based on ZigBee*

WUChunming*,YANGJihong

(Department of Information Engineering,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012,China)

For the current,the problems which are the inconvenience of installation,maintenance and limited monitoring points of the wind turbine monitoring system,a wind turbine vibration fault monitoring system has been designed based on ZigBee.The system mainly consists of sensor nodes,the coordinator node,3G network and monitoring center node. Sensor nodes collect vibrational state parameters of the wind turbine and send them to the coordinator node.The processed information by the coordinator node are sent to the remote monitoring center by 3G networks. The design improves the reliability and real-time performance of the system.Test results show that the system can perform a good communication between nodes,high system stability,excellent real-time data transmission,and give timely alarm information,the diagnostic accuracy of 95.5%.

fault monitoring;WSN;ZigBee technology;3G network

項目來源:國家自然科學基金項目(61301257);吉林省科技發展計劃項目(2013020605GX);吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(吉教科合字[2015])

2016-04-14 修改日期:2016-05-02

TN92

A

1005-9490(2017)03-0656-06

C:8620

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.028