王海明，李紅剛，董志寶，師小玲，劉德林

（1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.所村學(xué)校，河南 許昌 461000）

基于PowerPC的風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海明1，李紅剛1，董志寶1，師小玲2，劉德林1

（1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000；2.所村學(xué)校，河南 許昌 461000）

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障診斷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)，基于PowerPC設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集機(jī)組的各種振動(dòng)信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析和記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的隱患，為機(jī)組安全可靠運(yùn)行和故障處理提供了科學(xué)依據(jù)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

風(fēng)電機(jī)組；信號(hào)處理技術(shù)；故障診斷技術(shù)；PowerPC；振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Abstract:According to the development status of the fault diagnosis technology for wind turbine，combined with the modern signal processing technology and the classic fault diagnosis technology of rotating machinery，the on-line vibration condition monitoring system based on PowerPC is designed.The system collects the vibration signal and speed signal of the wind turbine in real time，and analyses and records the operating conditions， detects the possible risks in due course， so as to provide the scientific basis for the safe and reliable operation of the unit and fault handling，has higher application value.

Key words:wind turbine； signal processing technology； fault diagnosis technology； PowerPC； vibration condition monitoring system

隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展和風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的增多，能夠?qū)崟r(shí)掌控風(fēng)電機(jī)組整體的運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)組關(guān)鍵部件故障，將會(huì)避免因設(shè)備損壞而導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)或更大的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。因此，為了保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用。

結(jié)合現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)[5-8]，本文設(shè)計(jì)了基于PowerPC的風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)等部件的振動(dòng)狀況，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的隱患，防患于未然，保證機(jī)組安全可靠的運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括信號(hào)獲取與調(diào)理電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)邏輯控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理電路、串口及網(wǎng)口通信電路以及時(shí)鐘電路等[9-11]。通過(guò)在齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)等部件安裝的振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路后進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將分析后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)光纖送至服務(wù)器，實(shí)時(shí)顯示機(jī)組的運(yùn)行狀況并進(jìn)行必要的預(yù)警。

圖1 風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

風(fēng)電機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用的傳感器主要有6個(gè)振動(dòng)傳感器和1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，振動(dòng)傳感器用于監(jiān)測(cè)齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)的振動(dòng)狀況，分別安裝在低速軸、齒輪箱一級(jí)星型輪、二級(jí)星型輪和高速軸、發(fā)電機(jī)軸承前端和后端。轉(zhuǎn)速傳感器選用低速軸編碼器，通過(guò)采集編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。其中振動(dòng)傳感器的供電電路為4 mA恒流源電路，電路選用LM134搭建，為了盡可能實(shí)現(xiàn)零溫度漂移系數(shù)，選擇R1和R2的比值為1：10，恒流源的輸出電流I_Power1=0.134/33.5=4 mA，具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊主要實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的濾波和比例調(diào)節(jié)，包括高通濾波、低通濾波和信號(hào)的比例放大。濾波電路如圖3所示，其中C1、C2和R4組成一階高通濾波器，其截至頻率和 R6組成二階有源低通濾波器，其截至頻率f=

圖2 4 mA恒流源電路

經(jīng)濾波電路后的信號(hào)CHAN_SIG1被送至運(yùn)算放大器THS4521構(gòu)建的差分比例調(diào)節(jié)電路，如圖4所示。 其中 R9、R10、R11、R12為匹配電阻， 共模電壓Vocm連接2.5 V供電電壓，為了使得調(diào)解后的信號(hào)CH_IN_N1和 CH_IN_P在ADC采集的范圍，故將匹配電阻的比例調(diào)節(jié)為1/2。

2.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊的AD采集芯片選用TI公司的ADS1274，其采用△-Σ轉(zhuǎn)換方式，采樣速率可達(dá)144 kHz，且內(nèi)置的高階穩(wěn)態(tài)斬波調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了非常低的漂移和帶內(nèi)噪聲，同時(shí)還可以允許4通道同時(shí)同步采集[12-13]。ADS1274有高速、高分辨率、低功耗、低速4種工作模式，模式設(shè)置由MODE0和MODE1輸入管腳電平?jīng)Q定。2.5 V參考電平VREFP可由精密基準(zhǔn)電壓器件REF5025轉(zhuǎn)換獲得。

圖3 信號(hào)濾波電路

2.4 邏輯控制與主芯片模塊

邏輯控制芯片F(xiàn)PGA選擇采用Xilinx公司的XC6SLX25T，其主要用于ADS1274的采集時(shí)序控制，將ADC采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送至主芯片。主芯片選擇飛思卡爾PowerQUICCTMII Pro系列的高性?xún)r(jià)比MPC8377處理器，處理器集成了一個(gè)e300 內(nèi)核、PCI、PCI-e、SATA 控制器，集成了雙千兆以太網(wǎng)控制器，使得其在SMB和消費(fèi)類(lèi)用戶(hù)中得到廣泛的應(yīng)用，采用了90 nm工藝技術(shù)[14]，工作主頻從400 MHz到800 MHz。MPC8377處理器主要實(shí)現(xiàn)將ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法解算，得到齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)振動(dòng)波形的幅值、頻率、頻譜及峭度，進(jìn)而判斷齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)具體哪個(gè)部位故障，是否需要檢查、維修或者更換。

圖4 比例調(diào)節(jié)差分電路

圖5 ADS1274數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括ADC數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)控制、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、時(shí)域特征值的解算提取、傅里葉變換、解調(diào)算法計(jì)算以及數(shù)據(jù)上傳。其中數(shù)字濾波器針對(duì)不同的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波，傅里葉變換用于計(jì)算信號(hào)的頻譜和包絡(luò)譜，解調(diào)算法用于把調(diào)制信號(hào)從原始振動(dòng)信號(hào)中提取出來(lái)進(jìn)行頻譜分析。

3.1 解調(diào)算法

常見(jiàn)的解調(diào)方法有希爾伯特（Hilbert）解調(diào)和檢波解調(diào)，主要用于調(diào)制信號(hào)的獲取。希爾伯特的調(diào)制信號(hào)獲取的公式如下e（t）為提取出來(lái)的調(diào)制信號(hào)，x（t）為原始信號(hào)，H[x（t）]=為原始信號(hào)的Hilbert變換[15]。 檢波解調(diào)選用包絡(luò)檢波的方法，即先讓調(diào)幅波經(jīng)過(guò)檢波器，從而得到調(diào)幅波包絡(luò)變化的脈動(dòng)電流，再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器濾去高頻成分，就得到反映調(diào)幅波包絡(luò)的調(diào)制信號(hào)。圖6、7分別為選用兩種解調(diào)算法所得的調(diào)制信號(hào)以及解調(diào)譜，通過(guò)對(duì)比可知兩種方法均可從原始信號(hào)中獲取調(diào)制信號(hào)，但希爾伯特解調(diào)方式需要FFT變換，計(jì)算量大，消耗硬件資源更多，因此選用檢波解調(diào)的算法。

圖6 Hilbert與檢波解調(diào)的調(diào)制信號(hào)

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示，系統(tǒng)流程分為3個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，首先是將ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域特征值的計(jì)算，以備進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)的應(yīng)用；其次是提取數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算頻譜值，進(jìn)而得出齒輪箱的故障頻率；再次是將采集數(shù)據(jù)高低通濾波、檢波解調(diào)、傅里葉變換計(jì)算包絡(luò)譜，進(jìn)而得出軸承的故障頻率。當(dāng)通訊網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，系統(tǒng)將得到的時(shí)域特征值、齒輪箱故障頻率、軸承故障頻率等參數(shù)上傳至服務(wù)器，反之，則將其存儲(chǔ)在8 G的FLASH內(nèi)存中。

圖7 Hilbert解調(diào)譜與檢波解調(diào)譜

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與分析

將設(shè)計(jì)的在線振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在某風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，具體如表1所示。由測(cè)試表1可以看出，系統(tǒng)測(cè)試的轉(zhuǎn)速值誤差低于1%，滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量需要。

圖9為采集某風(fēng)場(chǎng)機(jī)組在高速軸轉(zhuǎn)速1 800轉(zhuǎn)/分時(shí)齒輪箱第二行星級(jí)的加速度信號(hào)和頻譜圖，從圖9可知采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是5 s，頻譜圖可以明顯的看到間隔為30 Hz的調(diào)制邊帶，由于該機(jī)組正在做對(duì)中，所以調(diào)制邊帶的幅值較大，這和實(shí)際的情況完全吻合。

表1 轉(zhuǎn)速測(cè)試表

圖9 齒輪箱第二行星級(jí)的加速度信號(hào)和頻譜圖

5 結(jié) 論

文中現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)，基于PowerPC設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)組的各種振動(dòng)時(shí)域信號(hào)及轉(zhuǎn)速的采集，通過(guò)傅立葉變換和檢波解算可以對(duì)主軸、齒輪箱及發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)維提供了有效指導(dǎo)，為風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行提供可靠保障。

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Design of online vibration condition monitoring system for wind turbine based on PowerPC

WANG Hai-ming1，LI Hong-gang1，DONG Zhi-bao1，SHI Xiao-ling2，LIU De-lin1
（1.XJ Group Corporation ， Xuchang461000，China； 2.The Suo Village Primary School， Xuchang461000，China）

TM351

A

1674－6236（2017）19-0170-04

2016-08-22稿件編號(hào)201608156

王海明（1985—），男，河南商丘人，碩士研究生，中級(jí)工程師。研究方向：嵌入式技術(shù)、光伏與伺服系統(tǒng)控制。