风力发电机组状态监测系统的设计

2015-03-09DesignoftheWindTurbineGeneratorConditionMonitoringSystem

自动化仪表 2015年2期

关键词：风力嵌入式振动

Design of the Wind Turbine Generator Condition Monitoring System

颜　喜1　张世军2　蒋银忠3　邓艾东1

(东南大学火电机组振动国家工程研究中心1，江苏南京　210096；

江苏苏美达集团公司2，江苏南京　210018；江苏省投资管理有限责任公司3，江苏南京　210005)

风力发电机组状态监测系统的设计

Design of the Wind Turbine Generator Condition Monitoring System

颜喜1张世军2蒋银忠3邓艾东1

(东南大学火电机组振动国家工程研究中心1，江苏南京210096；

江苏苏美达集团公司2，江苏南京210018；江苏省投资管理有限责任公司3，江苏南京210005)

摘要：针对风力发电机组(WTG)布置分散、运行环境恶劣的特点，结合现代风力发电机组的发展需求,从数据采集分析等方面开展研究，研发出适合风力发电机组的多参数数据采集与分析仪。硬件开发平台以ARM 为核心，并以 Windows CE 为嵌入式操作系统。着重分析了硬件系统开发平台的外围接口电路、模拟信号的预处理和通信接口的设计，并对软件总体结构和开发流程进行设计。该系统可以解决目前风机故障频发、故障不能及时得到处理的问题，具有广阔的应用前景。

关键词：风力发电机组(WTG)嵌入式系统EM9000状态监测Windows CEGPRS模块

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

随着风电技术的逐渐成熟以及大容量机型在运行效率上的优势，单机容量在兆瓦以上的机型成为市场主流。而大型风力发电机组(wind turbine generator,WTG)多应用于宽阔海域和边远地区，远离监控中心,环境恶劣，分布面积广，数量多且机械结构复杂。一旦出现故障，不仅需要昂贵的维修费用，而且因此产生的停机也将带来很大的损失。要使大型风力发电设备更具竞争力，就必须提高其可靠性、高效性[1]。因此，风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究，具有重要的价值。

由于大型风机的结构复杂，需要监测的点很多，各个监测点的特征也各不相同，并且风机的运行高度一般达到几十米，检修不便。所以，监测系统必须能准确地反映出风机的运行状态并根据传输的数据作出准确快速的处理，以适应风机的运行要求。

目前的微控制器开发系统中，嵌入式系统具有支持各种硬件资源、扩展性强、开发资源丰富，有利于缩短产品的开发周期，微处理器的处理速度快，便于数据处理，操作系统软件资源丰富，可根据实际需要进行软件编程等诸多优点[2]，能很好地满足风电监测的要求。所以将嵌入式系统应用于风力发电状态监测系统。本文基于嵌入式系统开发了风电机组嵌入式状态监测系统。

1系统总体设计

嵌入式系统硬件包括嵌入式开发平台、RAM存储器、外围处理设备、操作系统和应用软件。基于ARM 技术的微处理器具有高效率、高可靠性、低功耗等优点。因此，本文采用基于ARM的嵌入式开发平台作为核心硬件系统。嵌入式系统总体结构如图1所示。

模拟电路部分主要包括振动信号、键相信号的预处理和采集。8路振动信号经预处理后送入8通道高速A/D转换器，在同一触发信号启动下开始并行同步采样，以确保同一轴系的振动信号相位的同步性。采集完毕后先暂存在数据缓存器中，采满一个分析周期(如一个信号周期采样64点，连续采样16个周期，即每个通道信号采集1 024点)后，由CPLD发出读取指令，一并将这批数据读取至RAM，然后进行后续的数据处理。

键相信号的预处理包括阈值电平自动跟踪电路和比较器整形电路。处理后的键相信号一路输入CPU进行转速/频率测量，另一路输入CPLD，由其内部已设计好的数字锁相倍频器产生高频的振动信号A/D转换触发信号。这是实现8通道振动信号同步整周期采样的关键环节。

所有旋转机械状态信号的采集、计算、FFT运算等都由嵌入式系统来完成，计算出的状态数据由以太网或无线通信接口接入状态监测局域网。在工程师站上对风电场所有机组的振动信号进行监测和历史数据存储，并运用人工智能技术对振动故障进行趋势分析和诊断。工程师站也可对采集系统的初试参数进行编程设置[3-4]。

硬件系统中所有芯片的片选信号、逻辑控制信号、A/D转换控制、采集数据缓存与读取、数字锁相倍频器等都是通过CPLD编程来实现。这可大大缩减电路板空间，使硬件系统布局紧凑，提高可靠性，降低功耗。

图1　嵌入式系统总体框架图

2系统硬件设计

2.1　嵌入式平台介绍

嵌入式系统开发平台是本系统的核心部分，其中的ARM芯片性能更是直接决定了整个系统的性能。本系统要求能够实现现场操作和远程监控，因此需要带有LCD 实现人机交互，要有足够的存储空间，还要考虑采集数据的转存和传输。最后，综合考虑选择EM9000嵌入式开发平台。

EM9000是一款面向工业自动化领域的高端嵌入式模块，其内核为32位ARM920T。CPU是Cirrus Logic的EP9315，主频200 MHz，32 MB NOR Flash可外置CF卡。它预装了微软的Windows CE操作系统，用户可在eVC集成开发环境中实现多线程的程序结构，同时在eVC环境中还可通过微软的远程调试工具来了解程序在EM9000的运行情况。EM9000带有LCD专用接口，可直接与大多数数字TFT /LCD显示屏相接。同时，EM9000带有1个100 Mbit/s以太网接口、4个异步串口、2个HOST模式的USB接口、1个高速全双工SPI以及1个CAN总线接口[5]。

2.2　嵌入式外围设备

为了保障嵌入式系统能够正常平稳地运行，需要提供多个电压等级的稳定电源。传感器测得的振动信号在进入后端处理器之前要进行一定的处理，采集来的信号要通过网络端口实现通信传输等。这些功能由嵌入式外围设备来完成。嵌入式开发平台外围设备包括电源、信号采集与处理设备、无线通信模块、显示器等。

2.2.1信号预处理设计

风电机组运行频率较低，设其最大运行频率为20 Hz，振动分析的谐波上限取32倍频，则振动分析的上限频率为640 Hz，下限设为1 Hz，因此频响范围(带通截止频率)约为0.4～800 Hz。为保证通带内幅频特性平稳光滑，滤波器设计为巴特沃斯型。其高通由运算放大器设计为二阶有源巴特沃斯型高通滤波器，低通设计为八阶自动跟踪抗混叠滤波器，选用MAXIM公司的MAX291八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器来实现。配合CPLD中的数字倍频功能，MAX291可以实现滤波带的转速自适应跟踪。过程量信号近似为一个缓变的直流量，受到的干扰较小，因此设计一个截止频率为1 Hz的二阶有源低通滤波器即可。

输入信号滤波后，还要经过放大、整形、积分等处理后才能进入A/D转换器。该部分电路由市场上常见的运算放大器来实现。实现积分电路的运放应选用低失调电压、低漂移、高稳定性运算放大器，这里选用OP系列的OPxx77、AD8599[6-7]。

2.2.2A/D转换模块

A/D转换与保持电路是模拟电路的重要组成部分，采样精度、通道、速率是选择芯片的主要技术依据[7]。

对于振动信号的A/D转换器，要求8通道同步采样，可选择1片8通道A/D芯片或2片4通道A/D芯片组合。本文选用MAX11046，其为8通道16位 A/D转换器，同步采样，每通道采样速率达250 kS/s，可接收±5 V输入。其他特征包括：4 MHz T/H输入宽带、内部时钟、双向并行接口输出转换结果，并可接受数字配置输入；采用专门的供电电源，无需电瓶转换器即可与主机连接[5]。

当有键相信号时，振动信号A/D转换的触发信号来自于键相信号经CPLD内的数字倍频器倍频2N倍后产生的A/D启动控制脉冲。当无键相信号时，由CPU产生软触发信号启动A/D转换，以等时间间隔方式进行采集。对于4~20 mA信号形式输入的负荷、温度、压力等参数，其输入信号均为直流，需满足测量误差要求，一般<0.5%；转换速率要求不高，可选择MAX1308，该芯片为8通道12位 A/D转换器。

2.2.3通信模块

通信处理是风力发电机组状态监测系统的重要组成部分。振动监测远程数据传输网络的主要形式包括有线传输和无线传输两种。

本文中通信处理采用无线传输方式，通过GPRS模块MC37i，利用GPRS移动数据通信服务网络实现数据传输。该方法具有传输效率高、接入时间短、支持IP协议和X.25协议、网络安全性高、系统建设和运营成本低、监测范围广、与Internet无缝连接等优点。具体的数据传输流程如图2所示[8-9]。

图2　通信模块数据传输图

2.2.4其他模块

其他模块主要包括电源、存储模块、显示器等。根据系统实际需求，需提供5 V、3.3 V、±12 V等多个电源，可以由集成DC-DC来实现；存储器采用外置CF卡；显示器选用的是AT056TN52，5.6英寸(1英寸=25.4 mm)液晶显示器，可以通过ZIF40管脚的软带连线与嵌入式开发平台直接连接。

3软件系统设计

嵌入式操作系统因具有软件固化程度高、实时高效、专业性强、系统精简等优点而被广泛使用。目前，常用的嵌入式操作系统主要有：Windows CE、Linux、Psos、Android等。Windows CE是微软开发的从整体上针对有限资平台而设计的多任务、多线程、完整优先权的操作系统，具有占用资源少、易于移植、结构化模块、支持多种工具开发等优点。

本文采用的嵌入式开发平台EM9000以ARM9 CPU为处理核心，ARM9中内置了Windows CE操作系统，采用Microsoft embedded Visual C++(简称EVC)作为平台的开发工具。EVC的使用与在标准的PC机上使用VC平台开发基本一致。

3.1　Windows CE简介与开发流程

Windows CE的层次结构主要包括硬件层、OEM层、操作系统层、应用层。其中的核心为操作系统层，它为下层提供服务和接口，同时为上层应用程序提供相应的API。在Windows CE开发平台上编程时，常常会用到一些功能函数，各个函数的各项参数和具体定义可以根据函数的名称在帮助文件中找到。

在Windows CE系统上开发应用软件的流程主要包括如下步骤：①通过嵌入式平台的网络接口与开发主机建立连接；②在EVC编程软件中编写应用程序源代码；③在开发主机上调试应用程序，并通过EVC在Windows CE操作系统中调试；④调试成功后将代码导出固化。

3.2　数据采集处理程序

在A/D转换器启动之前，当有键相信号时，振动信号A/D转换的触发信号来自于键相信号经CPLD内的数字倍频器倍频2N倍后产生的A/D启动控制脉冲。根据键相信号测得的转速值，当转速小于10 Hz时，N取6，即倍频128倍；否则N取5，倍频64倍。当无键相信号时，由CPU产生软触发信号启动A/D转换，以等时间间隔方式进行采集。一个周期采样64个点，连续采样16个周期为一个分析周期。采完一个周期后先暂存在数据缓存器中，当采满一个分析周期后，由CPLD发出读取指令，一并将这批数据读取至扩展的RAM存储器，然后进行后续的数据处理。A/D采集部分流程图如图3所示。

图3　A/D采样流程图

对应的功能代码如下。

① 从A/D转换器读取采样数据

UINTI16read_AD(UINT16adr)

{

UINT16RECE_DATA;

Set_AD(addr);

RECE_DATA= AD_READ

Return RECE_DATA;

}

② 对A/D的写入控制程序

ViodWrite_AD(UINT adr ,UINT16 dat)

{

Set_AD(adr);

AD_WRIT=dat;

}

3.3　网络传输的实现

网络传输选用GPRS无线网络数据传输，采用MC37i模块。该模块直接固化在ETA203模块中，可以直接通过ZIF40软排插线与嵌入式开发平台EM9000相连接。GPRS模块主要通过EVC编码进行调试等。部分EVC代码如下。

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 );

}

调试、连接成功后，ISP 服务器向客户机发送LCP配置包，客户机必须根据PPP 协议的要求，完成配置，客户机应主动向ISP 服务器发送PAP 请求包。在客户机收到ISP 发送过来的PAO 确认包后，客户机向ISP 发送配置IP 地址的请求包，ISP 给用户分配IP 地址，并以IPCP 包的形式发送给客户机。分配到IP 地址即表明GPRS 拨号上网已成功，然后与服务器建立TCP 连接，之后就可以使用TCP 协议发送和接收数据。测试数据如表1所示。

表1　测试数据

其中的接口是EM9000通过GPRS连接到互联网时，分配给本地的IP地址，这条路由记录的意思是：当要发送的数据包的IP地址不在系统的路由记录中时，系统会将该数据包通过10.86.34.28这个接口直接发送出去，这个接口会将数据交付到下一个路由器处理。下一行中所示的路由记录作为系统缺省路由记录，发往外网的数据都将通过10.86.34.28这个接口发送出去，即通过GPRS发送。

4结束语

分布式网络化的状态监测系统，非常适合对分布的风力发电机组的运行状态进行监测和诊断。本文设计了以EM9000嵌入式开发平台为核心的基于ARM 的风电机组嵌入式状态监测系统方案，并对系统的硬件构成进行了详细设计，重点介绍了该系统中软件构成部分中的通信处理与数据处理模块。与其他风力发电机的状态监测系统相比，该系统成本低、功耗小，运

行稳定，在进一步完善后值得在工程上推广。

参考文献

[1] 胡佳林,刘平,田宇，等.基于ARM的嵌入式系统在风力发电机状态监测中的应用[J].风能产业,2011(10): 24-32.

[2] 张思民.嵌入式系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社,2008.

[3] 张戎,张立波.基于ARM处理器的高速高精度数据采集系统设计[J].科技信息,2011(7)：33-36.

[4] 王金平.嵌入式旋转机械状态监测系统的设计与研究[D].南京：东南大学，2006.

[5] 葛壮.基于嵌入式系统的多参数分布式状态采集与分析仪的设计[D].南京:东南大学，2012.

[6] 马库斯J.电子电路大全卷4[M].北京：中国计量出版社,1984：72-76，106-122.

[7] 日本电子电路精选[M]. 常玉燕，吕光，译.北京：电子工业出版社,1992：341-377，214-230.

[8] 张新斌.基于MC37i 的GPRS 模块在塔机远程监控中的应用[J].信息技术,2013(5):197-200.

[9] 张洪涛,计时鸣,谢小光. 基于GPRS无线网建筑塔机安全监控系统的研制[J].工业仪表与自动化装置,2010(1):28-29,97.

中图分类号：TH