基于DSP+ARM的風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

王惠中 沈燕妮

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

近年來，風(fēng)能作為可再生能源得到了很大利用，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一直處于持續(xù)增長態(tài)勢，裝機容量不斷增加。然而，風(fēng)電機組長期受到嚴寒、風(fēng)沙、臺風(fēng)、腐蝕等條件的影響，隨著機組運行時間的延長，機組就會出現(xiàn)一些故障，從而導(dǎo)致設(shè)備停機，嚴重影響發(fā)電量，造成重大的經(jīng)濟損失。

長期以來，風(fēng)電機組一直采用計劃維修和事后維修的方式。計劃維修即運行2500h和5000h后的例行維護，該維修體制無法全面、及時的了解設(shè)備運行狀況，而且在風(fēng)電機組正常運行時，也要按時實行例行維護，造成經(jīng)濟損失。事后維修則因事前準備不足，往往造成維修工作曠日持久，損失重大。

而使用在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，全面提高生產(chǎn)力、減少損失。因此，研究安全可靠的在線監(jiān)測系統(tǒng)有著重大的現(xiàn)實意義。

目前，風(fēng)電設(shè)備的在線監(jiān)控水平已經(jīng)有了很大提高，但還需要進一步完善。在狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，使用較多的處理器有單片機和工控機。這些系統(tǒng)對信號的處理能力有限，使得系統(tǒng)在實時的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷中存在不足。而DSP處理器的計算能力強、精度高、總線速度快、吞吐量大，將其應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以極大地縮短數(shù)字濾波和小波變換的時間。ARM處理器提供了多種通訊接口及外設(shè)資源，且功耗低，速度快，便于信息的傳遞和實時顯示。將DSP與ARM的有效結(jié)合，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，達到優(yōu)劣互補，使得狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的運行速度大大提高、性能有所提升。

1 風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 雙饋異步風(fēng)電機組的構(gòu)成和主要部件故障機理

目前，我國使用最多的是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，該機組主要由塔架、葉片、主軸、齒輪箱、發(fā)電機、變頻器、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制等組成，基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［10，11］。其特點是采用了多級齒輪箱驅(qū)動雙饋式異步發(fā)電機，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、重量輕、體積小，變流器容量小。本文主要以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機作為研究對象。

根據(jù)目前風(fēng)電機組的實際運行情況可知:主軸軸承、齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件。

軸承的常見故障有兩類:一類為表面損傷故障，如點蝕、剝落、擦傷等;另一類為磨損故障。造成這些故障的原因有:不平衡、不對中、松動等機械問題;及潤滑不良，裝配不當(dāng)，載荷過大等。

由于，軸承承載著機器的負荷，許多典型的問題，如不平衡、不對中等，都會將振動信號傳給軸承。因此，通過監(jiān)測軸承的振動，就會同時發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機組典型的故障及軸承缺陷。

圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信號

振動信號頻率、幅值、相位的不同，可以反映出不同的故障類型。所以，本系統(tǒng)主要監(jiān)測主軸軸承和齒輪箱軸承的振動信號。

在風(fēng)電機組中，主軸軸承和齒輪箱的振動頻率范圍為0.1Hz～10kHz以上［2］。一般情況下，主軸軸承、齒輪箱行星級軸承(此處需要改嗎?)、齒輪箱支撐工作在低頻范圍(工頻5倍以上)，齒輪箱中間級軸承、高速級軸承工作在高頻范圍(1kHz以上)。

由于低頻信號的方向性較強，各種故障引起的振動發(fā)生在不同的方向上，例如，不平衡一般是水平方向振動出現(xiàn)異常，松動是垂直方向異常，不對中是軸向異常;而高頻信號對方向不敏感，只要選擇最容易測的一個方向即可，這是因為滾動軸承上產(chǎn)生的振動是全方位各方向傳遞的。故在采集機械振動信號時，對于低頻信號分垂直、水平、軸向3個方向;對高頻信號，只測垂直或水平一個方向。因此，對主軸前后軸承、齒輪箱行星級軸承和齒輪箱支撐進行三個方向測量，對齒輪箱中間級軸承、高速級軸承進行水平和垂直兩個方向進行測量［3］。

1.3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計的風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

其中，DSP主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集和分析處理。ARM負責(zé)完成數(shù)據(jù)存儲功能、故障診斷功能、人機接口和各種通信功能。

1.3.1振動傳感器的選擇

振動可以用位移、速度和加速度三種運動量來表示。在實際測量工作中，由于位移、速度或加速度的傳感器及其微分或積分電路特性等方面的差別，引起的誤差不同;同時，選用什么傳感器，還與頻率的大小有關(guān)。所以，一定要慎重選擇傳感器。

一般，位移傳感器適合于低頻測量，10Hz以下的低頻振動會出現(xiàn)可觀的位移。速度傳感器適合于中頻測量，范圍為10Hz～1kHz。加速度適合于高頻測量，頻率范圍在2Hz～10kHz之間或更高。高頻振動和寬頻帶測量、沖擊試驗及譜分析時，宜選用加速度作標量。本次設(shè)計選用的是位移傳感器和加速度傳感器。

1.3.2通訊及人機接口

由于風(fēng)電場比較大，每個風(fēng)力發(fā)電機相距較遠，要將各風(fēng)電機的狀態(tài)信息有效可靠的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行分析，就要采用先進的通訊工具。在本次設(shè)計中，主要采用無線通訊方式完成通訊功能。人機接口包括鍵盤、液晶顯示器、報警系統(tǒng)。通過人機接口可以顯示信號的特征參數(shù)、時域波形圖和小波分析圖、顯現(xiàn)故障的判斷結(jié)果;還可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù);在有故障時，可以進行報警。

1.3.3輸出控制與擴展

當(dāng)監(jiān)測到嚴重故障時，系統(tǒng)輸出控制信號，聯(lián)動風(fēng)機控制端，采取一些保護措施，比如風(fēng)機飛車、超速時，脫網(wǎng)停機。

在系統(tǒng)需要擴展時，可通過擴展輸入模塊將其它監(jiān)測器(標準信號或無源開關(guān)量信號)接入本系統(tǒng)，方便地實現(xiàn)系統(tǒng)集成;可通過擴展輸出模塊，方便地實現(xiàn)遠程控制外部設(shè)備。

1.4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

風(fēng)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分，即DSP數(shù)據(jù)采集與實時信號處理軟件、基于ARM的事務(wù)處理與故障診斷軟件［1］。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件框圖

1.4.1DSP數(shù)據(jù)采集與處理軟件

由于當(dāng)損傷點與其他軸承元件表面發(fā)生接觸時，將產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力，從而導(dǎo)致軸承系統(tǒng)瞬時高頻共振。所以故障軸承的振動信號為非平穩(wěn)信號，這種瞬時頻率突變信號往往被較大的振動信號所掩蓋，從而很難提取故障特征。此次對振動信號的分析主要從以下兩個域進行考慮。

(1)時域分析

本系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理器DSP對采集的振動信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進行必要的數(shù)字濾波，然后在時域上分析信號，提取特征信息，即:均方根值、峰值、峰值指標、脈沖指標、裕度指標、歪度指標、峭度指標。

(2)頻域分析

常用的時頻分析方法包括:瞬時自相關(guān)、短時傅里葉變換、Wigner-Vill分布(WVD)等。雖然這些方法對信號的時頻分析具有一定的效果，但都或多或少存在著一些問題。而小波分析是一種優(yōu)良的時頻分析法，它是一種窗口大小固定但其形狀可改變的時頻局部化分析方法，在處理非平穩(wěn)信號時，精確度較高。通過小波變換把振動信號正交分解到獨立的頻帶內(nèi)，同時從時域和頻域給出信號特征，可以在不同頻帶內(nèi)監(jiān)測軸承故障。

各種小波算法中，小波包變換是一種新興的時頻分析方法，不但能分解低頻部分，還能對高頻部分進一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高時—頻分辨率，因此選用小波包分析算法對振動信號進行時頻分析非常適合。系統(tǒng)在DSP上實現(xiàn)小波包分析，既可以有效診斷設(shè)備故障，又滿足了實時分析的要求。

小波包頻帶分析技術(shù)的理論依據(jù)是Parseval能量積分等式。小波變換系數(shù)d(j，k)的平方具有能量的量綱，可以用于軸承故障診斷的能量特征提取。提取步驟如下［4，5］

①對信號進行j層小波分解。

②計算各頻帶的信號能量，其公式為

其中，E(j，k)表示第j層第k個子頻帶上的信號能量。

③將各個頻帶的信號能量組成特征向量，即

④當(dāng)能量較大時，E(j，k)通常是一個較大的數(shù)值，給數(shù)據(jù)分析帶來了一些方便，為此將能量特征向量進行歸一化處理。

其中，E(0，0)為信號總能量。假定原信號按某一小波包分解樹分解后由M個子頻帶組成，則:

1.4.2 ARM事務(wù)處理與故障診斷軟件

本系統(tǒng)中，ARM事務(wù)處理與故障診斷軟件包括四個部分。數(shù)據(jù)存儲模塊把采樣數(shù)據(jù)及分析結(jié)果存儲到大容量非易失閃存上，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放和進一步處理。故障診斷主要是ARM處理器根據(jù)DSP提取的振動信號特征，診斷風(fēng)電機組的顯現(xiàn)故障。人機接口部分完成顯示、鍵盤響應(yīng)等工作。通訊模塊主要將采集的數(shù)據(jù)及提取的特征參數(shù)打包，完成無線通訊。

1.4.3 DSP和ARM之間的通訊

由于DSP和ARM各有不同的硬件特點，兩種處理器的運算速度各不相同，所以DSP和ARM之間的數(shù)據(jù)通訊問題就成了一個難題。在DSP與ARM結(jié)合時，既要考慮數(shù)據(jù)交換時的高效率，又要做到系統(tǒng)功能穩(wěn)定，功耗小，讓兩者的工作達到最好的狀態(tài)。本系統(tǒng)將通過DSP的HPI(Host Port Interface)接口完成兩者的通訊工作。HPI是DSP上配置的與主機進行通信的片內(nèi)外設(shè)，它是一個并行接口。HPI接口的訪問主要通過三個專用寄存器來實現(xiàn)，它們分別是HPI控制寄存器(HPIC)、HPI地址寄存器(HPIA)和HPI數(shù)據(jù)寄存器(HPID)。而DSP則用片上的DMA來進行實際的數(shù)據(jù)讀/寫。HPI的數(shù)據(jù)、控制引腳都是專用的，它保證了HPI和DSP操作的并行性，提高了系統(tǒng)的處理速度。

2 結(jié)束語

本次研究設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是一個功能豐富、性能可靠的風(fēng)電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測風(fēng)電機組重要部件的運行狀態(tài)，診斷風(fēng)電機組的顯現(xiàn)故障，顯示信號的特征參數(shù)和分析診斷結(jié)果;還可以通過無線通訊方式，為上位機進一步診斷和預(yù)測風(fēng)電機組的故障提供可靠數(shù)據(jù)。

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