劉俊夫，鐘建偉

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

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一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉俊夫，鐘建偉*

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，利用SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在FPGA上對(duì)其主控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，并移植了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，方便多任務(wù)的管理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)狀態(tài)信息、超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)及時(shí)語(yǔ)音預(yù)警，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、可靠的運(yùn)行.通過(guò)對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，可以準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè).

SOPC;無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;狀態(tài)監(jiān)測(cè);μC/OS-II

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)，市場(chǎng)廣闊、前景光明，因?yàn)槠錈o(wú)污染、可再生、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn).對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，及時(shí)反饋風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行情況.在故障發(fā)生前進(jìn)行事故預(yù)處理避免故障進(jìn)一步惡化，這樣既可以節(jié)約事故搶修所花費(fèi)的人力物力，又可以提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性.

國(guó)外的風(fēng)力機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究開(kāi)始較早，技術(shù)水平較國(guó)內(nèi)要高些，現(xiàn)在已經(jīng)形成了自己的產(chǎn)品，有些甚至都已經(jīng)投入使用而且運(yùn)行一直正常.美國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)得到了快速、有效的發(fā)展，例如美國(guó)SKF公司研發(fā)的WindCon，這套設(shè)備已經(jīng)在很多國(guó)家投入使用，運(yùn)行一直穩(wěn)定，各方面評(píng)價(jià)一直很高.丹麥對(duì)風(fēng)力發(fā)電很重視，基本上將風(fēng)電做成了一項(xiàng)很有前景的產(chǎn)業(yè).雖然中國(guó)風(fēng)能資源豐富，但中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展卻滯后于國(guó)外.隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，我國(guó)裝機(jī)容量迅速擴(kuò)大，并向海上風(fēng)場(chǎng)進(jìn)軍.這也使得風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)越發(fā)困難，風(fēng)機(jī)一般都裝設(shè)在山頭、沙漠及海上等環(huán)境非常艱苦、跨越大的地方，這也一度成為了制約我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前進(jìn)的瓶頸[1-5].

為了適應(yīng)風(fēng)電的發(fā)展，高效工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常有必要的[6-7].現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)都采用的是振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、電流分析，雖然可以滿足簡(jiǎn)單的工作需要，但是在很多苛刻的環(huán)境下就難以滿足或者工作準(zhǔn)確性差.基于以上這些討論，本文大膽的運(yùn)用了現(xiàn)下流行的兩大技術(shù)：ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和SOPC技術(shù)[8-12].在數(shù)據(jù)采集方面，擯棄了有線通信的布線繁雜等缺點(diǎn)，廣泛采用數(shù)據(jù)間的無(wú)線通信；在數(shù)據(jù)分析處理方面，采用Altera公司提供的DE2板，運(yùn)用SOPC技術(shù)完成系統(tǒng)的定制，大大節(jié)約了硬件資源，提高了開(kāi)發(fā)周期和系統(tǒng)的靈活性[13-17].另一方面，在軟件編寫(xiě)方面，大膽地嘗試使用操作系統(tǒng)的思想.使用的Z-Stack協(xié)議棧本身涵蓋了操作系統(tǒng)的思想，它是采用不斷輪回查詢?nèi)蝿?wù)，不斷執(zhí)行任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行；在Nios II IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)程序時(shí)，可以植入μC/OS-II操作系統(tǒng)，以后將要實(shí)現(xiàn)的要求當(dāng)做任務(wù)加入進(jìn)去，給每個(gè)任務(wù)分配一定的時(shí)間片段，就可以很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能.

圖1 系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 The overall block diagram of the system

圖2 Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE三者之間的關(guān)系Fig.2 Quartus II SOPC Builder the relations between and among Nios II IDE

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首先利用各種傳感器(溫度傳感器、電壓互感器、電流互感器、風(fēng)向、風(fēng)速傳感器及霍爾元件)獲取風(fēng)機(jī)的溫度、電壓、電流、風(fēng)向、風(fēng)速及轉(zhuǎn)速等信息，然后通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊上的14位ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)采用無(wú)線通信方式在ZigBee模塊間傳輸.數(shù)據(jù)接收端采用UART異步通信方式將ZigBee無(wú)線傳輸模塊采集的數(shù)據(jù)傳送到SOPC主系統(tǒng)上，主控系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、處理、分析后實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，如有異常情況則報(bào)警處理.系統(tǒng)的總框圖如圖1所示.

2 基于SOPC的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

SOPC設(shè)計(jì)包括以Nios II軟核處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的硬件配置、硬件設(shè)計(jì)、硬件仿真、IDE環(huán)境的軟件設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試等.在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，Quartus II主要用來(lái)對(duì)Nios II系統(tǒng)進(jìn)行分析以及硬件測(cè)試等；SOPC Builder在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常重要，也是最基本的開(kāi)發(fā)工具，在這個(gè)工具里可以完成Nios II軟核處理器和外圍電路平臺(tái)的搭建；ModelSim用來(lái)完成系統(tǒng)的仿真；Nios II IDE主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編寫(xiě)和調(diào)試，另外有個(gè)很值得稱贊的功能，能夠移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以方便實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理，這樣可以使整個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單和有條理，提高程序可讀性和執(zhí)行效率.Quartus II、SOPC Builder、Nios II IDE，三者之間的關(guān)系如圖2所示[18-20].

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，SOPC主控系統(tǒng)搭建.傳感器信號(hào)的采集主要是由溫度傳感器、電壓互感器、電流互感器、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器等對(duì)溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)、風(fēng)速和風(fēng)向等信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程；ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，保證傳輸過(guò)程正確進(jìn)行；SOPC主控系統(tǒng)則需要完成數(shù)據(jù)接收、解碼、分析、顯示及報(bào)警等.

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)上分為ZigBee功能塊軟件設(shè)計(jì)和SOPC主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)包的接收與解碼、數(shù)據(jù)的分析與處理、TFT觸摸屏觸摸反饋與顯示、報(bào)警等功能.

ZigBee模塊的軟件設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧，這樣可以較少軟件編程的工作量.編程時(shí)不需要考慮每個(gè)層的結(jié)構(gòu)，只需了解簡(jiǎn)單的接口函數(shù)，能夠靈活調(diào)用，另外只需要在應(yīng)用層編寫(xiě)功能函數(shù)即可.整個(gè)軟件流程設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器(全功能設(shè)備).

SOPC主控系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)上需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)包的接收與解碼、數(shù)據(jù)的分析與處理、TFT觸摸屏觸摸反饋與顯示、報(bào)警等功能.設(shè)計(jì)過(guò)程中可通過(guò)利用μC/OS-II操作系統(tǒng)多任務(wù)分時(shí)管理的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期，提高軟件運(yùn)行質(zhì)量，保證程序能夠順利、穩(wěn)定的運(yùn)行.

表1 風(fēng)機(jī)1測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Wind turbine 1 test data

表2 風(fēng)機(jī)2測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Wind turbine 2 test data

表3 風(fēng)機(jī)3測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Wind turbine 3 test data

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試方案及環(huán)境

1)硬件平臺(tái)：TI公司的ZigBee無(wú)線傳輸模塊，Altera公司提供的DE2開(kāi)發(fā)板.

2)軟件平臺(tái)：IAR軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Altera公司開(kāi)發(fā)的Quartus II 、Nios II IDE等開(kāi)發(fā)工具.

3)測(cè)試范圍：電壓及電流的幅值大小，所測(cè)電流有效值的誤差范圍、FPGA芯片上的硬件結(jié)構(gòu)所耗資源、CPU運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總體所占資源.

4)測(cè)試工具：數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器，四位半數(shù)字萬(wàn)用表DT9205A、溫度計(jì).

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

模擬的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2和風(fēng)機(jī)3的測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表1、表2和表3所示.

從以上的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出電流的測(cè)量值和實(shí)際值有誤差，這是因?yàn)闇y(cè)量電流是經(jīng)過(guò)互感器后用電阻采樣，而互感器和電阻本身有一定的誤差導(dǎo)致電流測(cè)量產(chǎn)生了誤差；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量誤差較大，是由于在每個(gè)時(shí)間的基準(zhǔn)內(nèi)測(cè)量有一定的誤差，隨著時(shí)間的積累誤差就增加了；電壓和溫度的測(cè)量比較準(zhǔn)確，基本上沒(méi)有誤差.若要有效地克服這些誤差，可以從信號(hào)的采樣電路入手，可以通過(guò)設(shè)計(jì)帶自補(bǔ)償?shù)牟蓸与娐坊蚴遣捎密浖幊萄a(bǔ)償方式來(lái)避免這種誤差；轉(zhuǎn)速的誤差可以采用校正或補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)解決.另外從數(shù)據(jù)的傳輸來(lái)看，數(shù)據(jù)的傳輸一直都是比較穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)速度很快.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)信息可以實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)某些參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)會(huì)及時(shí)語(yǔ)音預(yù)警.但是室內(nèi)風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)和實(shí)際的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況有差別，在實(shí)際風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中必須考慮各種環(huán)境影響因素.模擬系統(tǒng)沒(méi)有過(guò)多考慮各種影響，主要是為了驗(yàn)證方案的可行性，通過(guò)反復(fù)測(cè)試可以確定系統(tǒng)在一定程度上是完全可以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求.

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責(zé)任編輯：時(shí) 凌

Design and Implementation of Wind Turbine
Condition Monitoring System

LIU Junfu,ZHONG Jianwei*

(School of Information and Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

For the wind turbine operation parameters,the SOPC technology is used to realize the hardware and software design on the main control system of FPGA,and the μC/OS-II real-time operating system is transplanted to facilitate multi-task management,realize the real-time display of fan status information and timely voice warning when the set threshold exceeds,which ensures the safety of the wind turbine and reliable running.Through testing the simulation system,the system works in good condition and can accurately monitor the wind turbine.

SOPC;wireless data transmission;wind turbine;condition monitoring;μC/OS-II

2016-10-25.

湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(2013CFC125).

劉俊夫(1991- )，男，碩士生，主要從事配電自動(dòng)化的研究.*

鐘建偉(1972- ), 男，教授，主要從事電力電子技術(shù)與分布式發(fā)電的研究.

1008-8423(2016)04-0412-03

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.12.012

TM930.12

A