風電機組機艙環境監測控制系統設計

丁薇，劉政，徐朝陽，于建明，劉喬

（江蘇電子信息職業學院,江蘇淮安,223005）

0 引言

風力發電機組是風電場的關鍵設備，在風電機組上應用振動監測技術，定期監測風電機組的振動信號并結合風電機組的溫度等參數可以實現預知維修，實現維修體制的轉變。采用預知維修和故障診斷技術可以延長機組連續運行的周期;做到對機組的狀態心中有數,從而針對不同的機組采取不同的措施。這樣可以大大減少盲目維修及突發性事故停機時間、延長機組的使用壽命。通過對風力發電機組的運行狀態進行實時監測，能夠及時發現機組運行過程中存在的故障隱患，及時采取有效的處理措施，避免對風電機組造成嚴重危害。這對于提高風力發電機組運行可靠性[1]，促進風力發電行業健康發展具有重大的現實意義。

1 機艙環境監測系統設計要求及系統總體結構

1.1 機艙環境監測系統總體設計要求

本項目的任務是設計一個機艙環境監測系統，能實現溫度信號的采集、振動信號的采集、數據的顯示和報警等功能[2]，最終監測的實時數據采用顯示屏顯示。查找資料已知，風力發電機運行常溫型環境溫度范圍為-20℃——+45℃，艙內齒輪箱溫度一般不得高于80℃，主軸承溫度不得高于70℃。我們采用的DS18B20的工作范圍為-55℃——125℃。振動傳感器通過LM393數字化處理后，數據直接傳送至單片機。當機艙內實測數據高于所設定的機器正常工作數據上限時，應發出報警(紅燈亮且蜂鳴器響)，等待操作人員前來檢查；當機艙內實測數據處于機器正常工作數據時，保持綠燈亮且蜂鳴器不響；當機艙內實測數據低于所設定的數據下限時，應發出報警(黃燈亮且蜂鳴器響)。

1.2 機艙環境監測系統總體結構

圖1 為機艙環境監測系統總體結構框架圖。

圖1 系統總體結構框架圖

2 機艙環境監測系統硬件設計

2.1 主控模塊設計

本模塊是以AT89C51單片機作為主控核心。AT89C51是低功耗，高性能CMOS 8位單片機，它集成了Flash程序存儲器，既可在線編程(ISP)也可用傳統方法進行編程，在通用8位微處理器單片芯片中，屬于功能強大、低價位的一款，可靈活應用于各種控制領域。

想要AT89C51單片機芯片能夠動起來，這里就涉及到單片機的最小硬件系統[3]。其包含電源、振蕩電路、復位電路。下單片機最小系統硬件圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統硬件圖

2.2 溫度監測模塊設計

能夠把不同檢測對象的溫度的變化轉換為電量（電壓、電流或阻抗）變化的器件稱為溫度傳感器。本項目我們選用的測溫傳感器為DS18B20溫度傳感器。它是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念。其主要特點為采用單總線的接口方式。與單片機連接時僅需要一條線即可實現單片機與傳感器的雙向通訊。

其優點為：它是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。

2.3 振動監測模塊設計

振動傳感器是用于檢測沖擊力或者加速度的傳感器，通常使用的是加上應力就會產生電荷的壓電器件，也有采用別的材料和方法可以進行檢測的傳感器。振動傳感器可用于機械中的振動和位移、轉子與機殼的熱膨脹量的長期監測。

本項目我們選用的是振動傳感器電測方法：將工程振動的變化量轉換成電信號，經線路放大后顯示和記錄（這里我們選用LM393放大電路）。它是先將機械振動量轉化成電量，然后對其進行測量，這是目前應用得最廣泛的震動測量方法。

其優點為：數據可直接傳送至單片機，穩定高效。

以下為振動監測模塊電路仿真圖，如圖3所示。

圖3 振動監測模塊仿真圖

2.4 通信模塊設計

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復[4]。

RS-485是一個多引出線接口，這個接口可以有多個驅動器和接收器，最長的傳輸距離為1200m,適合遠距離的傳輸。最高傳輸速率可達10Mbit/s，而且只用普通雙絞線即可，同一對雙絞線上可以掛接多至256個以上的終端。完全能夠實現一臺PC機和多臺單片機下位機之間的串行通信。因此該系統采用RS-485通信接口，實現單片機和基地控制中心的連接。不僅成本低，性能穩定，而且功能靈活，使用簡單。

3 結束語

本文論述了風電機組機艙環境監測系統的設計，總結如下：（1）本系統綜合利用溫度監測技術，振動監測技術和報警及顯示技術，開發了一套可以及時監測機組機艙內工作環境參數變化的系統。（2）系統軟硬件設計合理，其中單片機軟件采用模塊化的程序設計方法，各模塊相互獨立，提高了系統的可靠性和可擴展性，整個系統具有較高的性能價格比。（3）系統軟件采用C語言編程，程序結構清晰，顯示數據準確、快捷，操作者在監控室內就可獲得監測結果，安全高效。（4）系統功能獨立，配置合理。有利于提高風電機組運行安全性與可靠性。（5）經模擬運行驗證，系統具有響應速度快，操作簡便，穩定可靠等特點。