基于ARM的风力发电机齿轮箱润滑油实时监控系统

高志朋，臧铁钢，周 益

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

作为风力发电机组的关键部件——“齿轮箱”的工作可靠性将直接关系到整个机组运行的可靠性。一旦设备发生故障和安全事故，将给风电场企业造成巨大的经济损失。润滑油是影响齿轮箱可靠性因素之一。而齿轮箱由于取样不便，很难开展定期的离线监测;同时，齿轮箱用油量大，离线监测的取样量一般只有几百毫升，典型磨损颗粒被稀释而不一定能够被及时发现。而实时监测无需取样，直接对齿轮箱的油液进行分析，避免了取样不具代表性及二次污染等问题。本文通过对齿轮箱油的油品及磨粒的监测，为齿轮箱的视情维修提供依据[1－2]。

1 系统设计

风力发电机齿轮箱润滑油实时监控系统的核心是嵌入式控制器。笔者选择基于ARM1176JZFS内核的32位RISC微处理器的S3C6410芯片，最高800MHz系统频率能够满足绝大多数的现场运算。S3C6410增加了丰富的外围资源，主要包括1个LCD控制器;4个通道的UART;可以连接 Wifi、GPS等 模块;1个 SD/MMC卡接口，支持高速MMC卡等。它能够完成监视、控制等各种自动化处理任务。

1.1 系统硬件结构图

嵌入式控制器硬件电路主要以微处理器S3C6410为核心，包括处理器单元、显示触摸屏单元、输入单元、输出单元、存储单元、通讯单元、电源单元等。各个模块的连接如图1所示。

图1 硬件电路图模块

嵌入式控制器是嵌入式风力发电机齿轮箱润滑油实时监控系统的关键部分。首先通过触摸屏进行系统设置，比如油品的型号、通道数等，现场传感器通过数据采集系统的处理将数据传输到控制器的输入端口，由控制器内嵌的服务程序，先与数据库中的数据进行匹配，当发现数据异常后立即通过以太网或无线网，将本地数据发送到上位机的接口，在远程由客户端程序对现场传感器进行信号的查看和控制，结合专家系统的知识对润滑油状态进行诊断，预测齿轮箱润滑油的质量趋势并将诊断结果反馈给现场，从而实现润滑油的远程监控并指导维护。

1.2 信号采集子系统

为对齿轮箱的维护作出准确的预警，对齿轮油增加了油液品质传感器及颗粒度探头，传感器的安装方式使用螺纹连接，输出为4～20mA的工业标准信号，电流信号比电压信号有较强的抗干扰能力，远距离传输中的衰减也相对较少。实验中在输出端与地之间串连一个150Ω的精密电阻，将电流信号转换为0.6～+3V的电压信号，供信号调整电路使用。S3C6410包含1个8通道10位逐次逼近式的A/D转换器，同时预留了外接AD的端口，当内置通道不够或精度不够时，可以选择外接AD，该系统灵活的可编程性为不同结构风机的信号采集提供了极大的便利。最大4G的寻址范围为长时间无人监管状态下的大量数据存储提供便利。

1.3 ARM处理平台

图2 程序流程

ARM处理平台主要用于数据的接收、计算处理、数据存储调用管理及与远程网络通讯[4]。图2所示是监测和诊断的工作流程图，首先用户设定所使用油液的一些基本参数如型号等，当齿轮箱工作后，由数据采集子系统将数据采集回CPU，基于一些算法得出齿轮箱油的实时数据，将这些数据与数据库中的数据进行匹配，由匹配的结果来确定最终的维护报告。情况正常出具正常报告，不正常时，将该信息自动添加到油液状态库子系统，同时向上一级远程专家系统提出请求，由专家系统出具维护报告。

1.4 远程通讯

1.4.1 以太网扩展接口

图3 以太网接口电路

以太网接口采用工业级以太网控制器DM9000AE实现嵌入式系统网络数据交换。DM9000AE实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT－3编码、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。DM9000AE与ARM以8bit或16bit的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行，中断引脚与处理器外部中断相连。处理器利用片选DM_CS脚和地址线BADDR分别连接DM9000AE芯片的CS引脚和CMD引脚，S3C6410的数据线BDATA[15:0]与 DM9000AE 的数据线 SD[15:0]连接，用来实现DM9000AE与S3C6410之间的数据传输;S3C6410的DM_IOR引脚连接DM9000AE的读引脚IOR#，DM_IOW引脚连接DM9000AE的写引脚IOW#;同时，DM9000AE占用S3C6410的中断引脚EINT7，使得S3C6410能够响应DM9000AE的中断。DM9000AE与网络的连接由接收信号线RX+、RX－和发送信号线TX+、TX－与以太网水晶接头RJ_45相连。RJ_45内部集成的隔离变压器的主要作用是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。

1.4.2 无线网络接口[3]

本设计采用USI公司的VM－G－MR－09模块，根据参考电路，WiFi的部分电路图设计如图4所示。该模块屏蔽了射频和基带2个硬件协议层，将时钟系统、滤波系统和存储系统部分进行了统一的封装，在硬件上完全分离了WiFi主机和控制层，因此设计上可以通过SDIO或SPI接口实现与主机的无缝连接，本设计采用SDIO连接。

图4 WiFi模块接口电路图

2 电源及接口

为满足供电的稳定性，220V交流电压经过9V－1.5A交流变压器变压滤波后，通过全桥整流滤波，作为LT1084的输入端。LT1084低压差三端稳压器有较快的反应速度，输出端需要旁接一个10μF的退耦电容，如图5中的C35和C50，以获得稳定的电压输出。

3 结束语

风力发电机齿轮箱润滑油实时监控系统设计调试工作已完毕，能够通过以太网定期的将数据发送到上位机，可应用于润滑油的在线监控。但由于齿轮箱的复杂性，单靠油液一方面的监测有所片面，后续将融入别的监测点如振动。

图5 电源电路

[1] Wu Dingguo，Wang Zhixin.The study of muhimode power control system for MW variable-speed wind turbine[J].WSEAS transactions on System，2008(10):41－44.

[2] 王志新，张华强.风力发电及其控制技术新进展[J].低压电器，2009(19):1－7，19.

[3] 王惠中，刘广，王小鹏.基于无线网的风电机在线监测诊断系统设计[J].中国电力，2010(10):58－61.

[4] 李增国，张浩，夏扬.基于ARM的风力发电远程监控系统设计[J].电测与仪表，2010(9):54－57，80.