蘇鳳岐

內(nèi)蒙古科技大學機械學院，內(nèi)蒙古包頭 014010

基于MMA7260QT的風力發(fā)電機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)

蘇鳳岐

內(nèi)蒙古科技大學機械學院，內(nèi)蒙古包頭 014010

本文設(shè)計一種風力發(fā)電機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，介紹監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、硬件電路組成及軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)具有過載保護、報警制動、參數(shù)設(shè)置、實時顯示、高精度等優(yōu)點。

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

0 引言

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，風能通過葉輪帶動主軸、增速箱、發(fā)電機組轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測、診斷是目前風力發(fā)電機設(shè)備維修、維護管理的主要手段，其狀態(tài)監(jiān)測的方法很多，主要有力、位移、振動、噪聲、溫度、壓力等監(jiān)測。由于振動引起的機械損壞比率很高，目前在診斷技術(shù)上應(yīng)用最多的是機械振動信號檢測， 風力發(fā)電機運行狀態(tài)通常可從振動數(shù)據(jù)上體現(xiàn)出來，目前國內(nèi)大型風力發(fā)電機組振動監(jiān)測設(shè)備基本上是整機進口，價格昂貴。為此我們開發(fā)了基于加速度傳感器MMA7260QT、C8051F350型單片機的振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有振動數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、分析以及超限報警制動等功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

風力發(fā)電機故障診斷的基本方法是時域監(jiān)測、頻域分析診斷，核心思想是利用加速度傳感器檢測振動情況，由計算機對振動數(shù)據(jù)進行采樣、濾波，提取有效振動頻帶內(nèi)的信號，通過分析有效頻帶內(nèi)的峰值振動頻率來判斷風機運行是否正常[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 振動傳感器

圖2 MMA7260QT應(yīng)用電路圖

振動測量采用MMA7260QT 作為振動傳感器，MMA7260QT采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)，并且提供4個量程可選，同時帶有低通濾波并已做零g補償。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，利用半導體材料經(jīng)過刻蝕加工成基于可變電容原理的機械結(jié)構(gòu)。當芯片受到外力產(chǎn)生加速度時，相當于兩個極板之間的發(fā)生了相對變化，從而將加速度變化以電容值變化的形式體現(xiàn)出來。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，可實現(xiàn)對加速度范圍和靈敏度的選擇。

1.2 單片機系統(tǒng)

C8051F350是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、低功耗、集成度高、功能強大、體積小巧等優(yōu)點，其內(nèi)部有一個全差分24位A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有在片內(nèi)校準功能。兩個獨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，也可用差分外部基準進行比率測量。由2.7V～3.6 V低壓供電，其功能已達到板卡級水平，使得片外功能器件減少。硬件實現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強型UART和SPI串行接口，4個通用的16位定時器，具有3個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（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個端口I/O（允許5V輸入）?？删幊淘鲆娣糯笃鳎≒GA）對ADC輸入進行放大，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機或者其它設(shè)備交換數(shù)據(jù)是借助于RS-485串行通信來實現(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。在配置每個控制器的時候，在一個網(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個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗位[4，6]。

2 軟件設(shè)計

2.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件的主要功能是檢測和標定振動數(shù)據(jù)，按要求將數(shù)據(jù)上傳至主機，并接受PC機配置，包括有效頻帶寬度、報警閾值、數(shù)據(jù)標定初值等。

數(shù)據(jù)標定是下位機編程的一個重要部分，它把采集的振動數(shù)據(jù)與實際加速度對應(yīng)起來。

設(shè)傳感器在加速度為正最大值f(xx+i)時輸出為xx+i，加速度為為負最大值f(xi)時輸出為xi，認為傳感器是線性的，當傳感器輸出任意量x時，加速度值f (x)可用下式計算：

2.2 上位機軟件設(shè)計

分析報警軟件的主要功能是從下位機接收有效頻帶內(nèi)振動信號數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行FIR帶通濾波；以通帶內(nèi)信號的合成矢量峰峰值作為依據(jù)判斷發(fā)電機振動情況，同時檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)速或振動值超限發(fā)出相應(yīng)報警信號。

數(shù)字濾波器的設(shè)計是該模塊的難點。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)，則其對應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)為：

用窗函數(shù)法設(shè)計濾波器的基本原理是用有限長度單位脈沖響應(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)往往都是無限長序列，而且是非因果的，所以用窗函數(shù)w(n)將hd(n)進行截斷并作加權(quán)處理得到：

h(n)就是實際設(shè)計的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 方法改進及實現(xiàn)

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

改進的窗函數(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到更好的匹配，選到合適的窗函數(shù)，這一特點體現(xiàn)出了該窗函數(shù)的優(yōu)越性。

PC機的監(jiān)控和配置程序采用VB編寫，可用圖表實時監(jiān)測振動峰值隨時間的變化情況，對機組狀態(tài)評估、剩余壽命預(yù)測和設(shè)備維護等。并配置分析報警模塊與傳感器模塊。在通信協(xié)議方面，加入和校驗、超時判斷和錯誤重傳機制，最大限度保證了通信的可靠性。

3 結(jié)論

振動監(jiān)測技術(shù)是保障大型風電機組可靠運行、降低維護成本、延長機組使用壽命的重要技術(shù)手段。在我國風電行業(yè)推廣應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)風機由事后維修方式向預(yù)知維護方式轉(zhuǎn)變是大勢所趨。本設(shè)計采用RS485串行總線接口實現(xiàn)了遠程高精度振動測量，具有性價比和精度高、智能化的優(yōu)點。系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于機組設(shè)備運行的遠程監(jiān)控。

[1]易良榘.簡易振動診斷現(xiàn)場實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]馬忠梅等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

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

[4]新華龍電子有限公司.C8051F350/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[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].儀器儀表學報，2003(4)：467-468.

TM315

A

1674-6708（2010）30-0231-02

蘇鳳岐，高級實驗師，工作單位：內(nèi)蒙古科技大學