蘇鳳岐

內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010

基于MMA7260QT的風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蘇鳳岐

內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010

本文設(shè)計(jì)一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理、硬件電路組成及軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有過載保護(hù)、報(bào)警制動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

MMA7260QT；振動(dòng)；窗函數(shù)；信號(hào)采集；FIR數(shù)字濾波器

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，風(fēng)能通過葉輪帶動(dòng)主軸、增速箱、發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)、診斷是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備維修、維護(hù)管理的主要手段，其狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法很多，主要有力、位移、振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力等監(jiān)測(cè)。由于振動(dòng)引起的機(jī)械損壞比率很高，目前在診斷技術(shù)上應(yīng)用最多的是機(jī)械振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)通常可從振動(dòng)數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出來(lái)，目前國(guó)內(nèi)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備基本上是整機(jī)進(jìn)口，價(jià)格昂貴。為此我們開發(fā)了基于加速度傳感器MMA7260QT、C8051F350型單片機(jī)的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析以及超限報(bào)警制動(dòng)等功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的基本方法是時(shí)域監(jiān)測(cè)、頻域分析診斷，核心思想是利用加速度傳感器檢測(cè)振動(dòng)情況，由計(jì)算機(jī)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、濾波，提取有效振動(dòng)頻帶內(nèi)的信號(hào)，通過分析有效頻帶內(nèi)的峰值振動(dòng)頻率來(lái)判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行是否正常[1]。

采集系統(tǒng)主要包括傳感器、電源電路、單片機(jī)系統(tǒng)和通訊電路。圖1為系統(tǒng)硬件框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 振動(dòng)傳感器

圖2 MMA7260QT應(yīng)用電路圖

振動(dòng)測(cè)量采用MMA7260QT 作為振動(dòng)傳感器，MMA7260QT采用了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并且提供4個(gè)量程可選，同時(shí)帶有低通濾波并已做零g補(bǔ)償。芯片提供休眠模式，最低供電電流3μA 。

MMA7260QT的關(guān)鍵組成部分加速度感應(yīng)單元，利用半導(dǎo)體材料經(jīng)過刻蝕加工成基于可變電容原理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。當(dāng)芯片受到外力產(chǎn)生加速度時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)極板之間的發(fā)生了相對(duì)變化，從而將加速度變化以電容值變化的形式體現(xiàn)出來(lái)。再通過內(nèi)部電路將電容轉(zhuǎn)化為電壓變化，經(jīng)過濾波、放大處理后輸出。

通過引腳1 、2 的輸入搭配，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度范圍和靈敏度的選擇。

1.2 單片機(jī)系統(tǒng)

C8051F350是一款完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、低功耗、集成度高、功能強(qiáng)大、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部有一個(gè)全差分24位A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有在片內(nèi)校準(zhǔn)功能。兩個(gè)獨(dú)立的抽取濾波器可被編程到lkHz的采樣率?？墒褂脙?nèi)部的電壓基準(zhǔn)，也可用差分外部基準(zhǔn)進(jìn)行比率測(cè)量。由2.7V～3.6 V低壓供電，其功能已達(dá)到板卡級(jí)水平，使得片外功能器件減少。硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強(qiáng)型UART和SPI串行接口，4個(gè)通用的16位定時(shí)器，具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），片內(nèi)上電復(fù)位、電源電壓監(jiān)視和溫度傳感器；片內(nèi)電壓比較器，17個(gè)端口I/O（允許5V輸入）?？删幊淘鲆娣糯笃鳎≒GA）對(duì)ADC輸入進(jìn)行放大，可設(shè)置的放大倍數(shù)為 1、2、4、8、16、32、64 和 128[2]。

1.3 通訊模塊

C8051F350與PC機(jī)或者其它設(shè)備交換數(shù)據(jù)是借助于RS-485串行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的。發(fā)送和接收要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率（通信協(xié)議）。通信參數(shù)為9600，n，8，1。在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的串口參數(shù)。波特率9 600，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位[4，6]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的主要功能是檢測(cè)和標(biāo)定振動(dòng)數(shù)據(jù)，按要求將數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)，并接受PC機(jī)配置，包括有效頻帶寬度、報(bào)警閾值、數(shù)據(jù)標(biāo)定初值等。

數(shù)據(jù)標(biāo)定是下位機(jī)編程的一個(gè)重要部分，它把采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)與實(shí)際加速度對(duì)應(yīng)起來(lái)。

設(shè)傳感器在加速度為正最大值f(xx+i)時(shí)輸出為xx+i，加速度為為負(fù)最大值f(xi)時(shí)輸出為xi，認(rèn)為傳感器是線性的，當(dāng)傳感器輸出任意量x時(shí)，加速度值f (x)可用下式計(jì)算：

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

分析報(bào)警軟件的主要功能是從下位機(jī)接收有效頻帶內(nèi)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR帶通濾波；以通帶內(nèi)信號(hào)的合成矢量峰峰值作為依據(jù)判斷發(fā)電機(jī)振動(dòng)情況，同時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)速或振動(dòng)值超限發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。

數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是該模塊的難點(diǎn)。采用工程中應(yīng)用廣泛的窗函數(shù)法，通過反復(fù)比較、調(diào)整，選用漢明窗設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器。

設(shè)濾波器的理想頻率響應(yīng)函數(shù)為Hd(ejω)，則其對(duì)應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)為：

用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)濾波器的基本原理是用有限長(zhǎng)度單位脈沖響應(yīng)序列h(n)去逼近理想的單位脈沖響應(yīng)序列hd(n)。通常理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)往往都是無(wú)限長(zhǎng)序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)w(n)將hd(n)進(jìn)行截?cái)嗖⒆骷訖?quán)處理得到：

h(n)就是實(shí)際設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：

其中，N為所選窗函數(shù)w(n)的長(zhǎng)度。如果要求濾波器具有線性相位特性，則h(n)必須滿足：

2.3 方法改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中選用FIR型濾波器 ，即滿足h(n) = ±h(N? 1 ?n)且N為奇數(shù)。選用漢明窗對(duì)理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)進(jìn)行截?cái)?，漢明窗函數(shù)為：

改進(jìn)的窗函數(shù)能獲得明顯較小的第一副瓣電平，且可隨著參數(shù)的選擇力求使旁瓣的幅度與主瓣的寬度之間達(dá)到更好的匹配，選到合適的窗函數(shù)，這一特點(diǎn)體現(xiàn)出了該窗函數(shù)的優(yōu)越性。

PC機(jī)的監(jiān)控和配置程序采用VB編寫，可用圖表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)峰值隨時(shí)間的變化情況，對(duì)機(jī)組狀態(tài)評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)和設(shè)備維護(hù)等。并配置分析報(bào)警模塊與傳感器模塊。在通信協(xié)議方面，加入和校驗(yàn)、超時(shí)判斷和錯(cuò)誤重傳機(jī)制，最大限度保證了通信的可靠性。

3 結(jié)論

振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是保障大型風(fēng)電機(jī)組可靠運(yùn)行、降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命的重要技術(shù)手段。在我國(guó)風(fēng)電行業(yè)推廣應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)由事后維修方式向預(yù)知維護(hù)方式轉(zhuǎn)變是大勢(shì)所趨。本設(shè)計(jì)采用RS485串行總線接口實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程高精度振動(dòng)測(cè)量，具有性價(jià)比和精度高、智能化的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

[1]易良榘.簡(jiǎn)易振動(dòng)診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]馬忠梅等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[3]丁康，李魏華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]新華龍電子有限公司.C8051F350/1/2/3混合信號(hào)ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].潘琢金譯，2005，7.

[5]潘浩，李洪彪，張朝暉.一種基于RS485總線的通信系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003(4)：467-468.

TM315

A

1674-6708（2010）30-0231-02

蘇鳳岐，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，工作單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)