基于ARM的風機振動檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉全亮 羅章海

摘要：該文針對目前國內(nèi)風電場所采用的國外風力發(fā)電機振動檢測系統(tǒng)的缺點，設(shè)計了一套基于ARM平臺的新的檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以檢測機器的早期故障，避免機器的嚴重損壞和高昂的維修費用，減少停機時間和生產(chǎn)的損失，達到計劃維修和改善設(shè)備可靠性的目的，提高了設(shè)備的可靠性，降低了維修成本。

關(guān)鍵詞：ARM11開發(fā)板；數(shù)據(jù)采集卡；傳感器；信號調(diào)理模塊

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)21-5174-02

ARM-based Design of Wind Turbine Vibration Monitoring System

LIU Quan-liang, LUO Zhang-hai

(Wind Energy Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830000, China)

Abstract: This paper places the use of domestic wind power wind turbine vibration of the foreign inspection system shortcomings, design a set of ARM-based platform for new detection system. The system can detect machine failures early and avoid serious damage to the ma? chine and high maintenance costs, reduce downtime and production loss, maintenance and improvement plan to achieve the purpose of equipment reliability, improve equipment reliability, reduce maintenance costs.

Key words: ARM11 development board; data acquisition cards; sensors; signal conditioning modules

在風電場風力發(fā)電機是最主要的設(shè)備[1]，也是最核心的設(shè)備，它的運行是否正常將直接影響著風力發(fā)電廠的產(chǎn)能，當風機的運轉(zhuǎn)發(fā)生異常時，將會損壞風力發(fā)電機的零部件，甚至?xí)⒄麄€風力發(fā)電機都損壞?，F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)，一旦因故障停機，損失都十分巨大[2]，為了保證風機的正常運轉(zhuǎn)，對風機的運轉(zhuǎn)情況進行實時監(jiān)控檢測是十分必要的。但是風電場的自然環(huán)境十分的惡劣，也十分的復(fù)雜，可能影響風機正常運轉(zhuǎn)的因素很多，這給風機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測帶來很大的麻煩。目前在國內(nèi)使用的風機實時監(jiān)測設(shè)備絕大多數(shù)都是從國外進口的，這些檢測設(shè)備一般都是采用Profibus協(xié)議來構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，但是該協(xié)議結(jié)構(gòu)比較麻煩，不利于監(jiān)控設(shè)備與上位機之間的通訊。為了規(guī)避上述問題，我們提出了一個新的基于ARM的新的解決方案。

1硬件概述

1.1 ARM開發(fā)板

本次設(shè)計采用的是廣州友善之臂的ARM11開發(fā)板，此開發(fā)板采用三星S3C6410作為主處理器，設(shè)計精簡緊湊，而且布局合理，接口豐富，十分適用于開發(fā)MID、汽車消費電子、工業(yè)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、媒體播放等終端設(shè)備[3]。Mini6410支持的通訊方式也非常廣泛，原始開發(fā)板自帶有RS232串口，并可以開展為RS485串口；該開發(fā)板除了支持傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊以外，還支持WiFi無線通訊，這使得檢測設(shè)備與上位機的通信十分的方便。另外開發(fā)板上帶有USB接口，大容量SD卡接口，可以方便與傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，信號調(diào)理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.2傳感器

風力發(fā)電機振動監(jiān)測系統(tǒng)主要是對風機的齒輪箱和軸承的振動情況進行檢測，同時還需要其他的一些物理量的檢測。所以傳感器主要是加速度傳感器和其他一些需要參考的物理量傳感器構(gòu)成。根據(jù)風機的振動檢測的特殊性，ICP型加速度傳感器選取如下：

線性：≤1%；橫向靈敏度：≤5%典型值：≤3%；輸出偏壓：8-12VDC；恒定電流：2-20mA，典型值：4mA；輸出阻抗：＜150Ω；激勵電壓：18-30VDC典型值：24VDC；溫度范圍：-40～+120℃；放電時間常數(shù)：≥0.2秒；安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋)。

1.3信號調(diào)理模塊

模擬信號調(diào)理模塊主要完成對ICP加速度傳感器的激勵，傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換，放大和抗混濾波，最后輸出信號到數(shù)據(jù)采集卡。信號調(diào)理模塊選型為北京康泰電子CAM3508調(diào)理模塊，其性能如下：

4通道為一個插片單元。

輸入：ICP感器，0/4-20mA電流,0－±10V AC或DC。

程控增益：每通道獨立的程控放大器，提供低增益1、2、4、8，或高增益1、10、100、1000。

耦合形式：程控選擇AC或DC耦合，AC耦合時。

濾波功能：抗混濾波，每通道獨立8階可編程抗混濾波器，截止頻率精度高達0.1%，范圍從1.5259Hz到10kHz有32736種可選。1.2倍截止頻率的衰減率高達－58dB，濾波器1/4截止頻率內(nèi)平坦度可達±0.01dB。

傳感器激勵源：每通道獨立的4mA恒流源，可直接接入ICP加速度傳感器；對于電壓、高速應(yīng)變、壓力、扭矩、配有電荷放大器的加速度傳感器信號等，可程控取消激勵源。

通過RS-232口與計算機通訊，可在實驗過程中隨時進行參數(shù)設(shè)置與修改，包括恒流源、增益、截止頻率等設(shè)置，并可進行參數(shù)狀態(tài)查詢。

開關(guān)信號的調(diào)理模塊，主要是完成輸入5－30V開關(guān)（頻率）信號光電隔離，然后處理為TTL信號送到數(shù)據(jù)采集卡。

1.4高速并行USB數(shù)據(jù)采集卡

USB高速同步AD數(shù)據(jù)采集板卡，主要完成對多個模擬信號的同步AD轉(zhuǎn)換，同過USB總線傳輸給ARM開發(fā)板；同時完成多路邏輯信號、頻率信號采集和開關(guān)信號輸出。數(shù)據(jù)采集卡的難點在同步，和高速數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過多次查找和對比。

2系統(tǒng)特點及組成

2.1系統(tǒng)特點

通過以上對我們的風機振動檢測現(xiàn)場數(shù)采單元硬件的描述，我們可以看出本系統(tǒng)具有以下的特點：

調(diào)理板卡單元多種信號寬范圍接入方式，能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)，方便靈活。

并行AD采樣模式方便方便模擬通道的擴展。

并行AD采樣模式，保證了信號采集的同步性，為研究同一時刻風機各種工況對風機的影響提供了保證。

模塊化的整機結(jié)構(gòu)，方便生產(chǎn)、測試、維護、升級，有良好的擴展性和經(jīng)濟性。

高性能PC/104工業(yè)計算機系統(tǒng)，可進行長期的狀態(tài)監(jiān)測，并按預(yù)定周期進行振動數(shù)據(jù)采集和處理，多通道并行采集，可對風機進行周期性，變速或非連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜的本地處理。

與上位機通訊方式靈活多樣。

提供了與風機控制系統(tǒng)預(yù)留接口。

大容量的CF卡記錄能記錄更多的歷史數(shù)據(jù)，可有效的保證數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)可具備遠程升級能力，為設(shè)備的升級提供了極大的方便。

2.2系統(tǒng)組成

風機振動監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計采樣用模塊化結(jié)構(gòu)，整個平臺基于ARM11嵌入式開發(fā)板，加以USB高速同步AD數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理模塊、傳感器構(gòu)成。ARM11開發(fā)板是系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)處理存儲，條件判斷，遠程數(shù)據(jù)通訊，遠程升級，本地人機交互等功能。USB高速同步AD數(shù)據(jù)采集板，主要完成對多個模擬信號的同步AD轉(zhuǎn)換，同過USB總線傳輸給ARM11開發(fā)板；同時完成多路邏輯信號、頻率信號采集和開關(guān)信號輸出。信號調(diào)理模塊主要完成對ICP傳感器的驅(qū)動、增益控制、程控濾波，將各種信號調(diào)理到USB數(shù)據(jù)采集卡能接受處理的范圍。開關(guān)信號的調(diào)理主要完成對信號的光電隔離。

整機機箱采用類似于IN儀器機箱的4U插片式嵌入式機箱。模塊化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)測試對象的多少，添減信號調(diào)理模塊和AD通道，構(gòu)成不同通道的測試系統(tǒng)。同時，模塊化的系統(tǒng)構(gòu)成，使系統(tǒng)具有很好的擴展性和經(jīng)濟性，只要選用不同的信號調(diào)理模塊，即可完成應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等多種信號的采集，構(gòu)成不同的測試系統(tǒng)。

3結(jié)束語

風機振動檢測系統(tǒng)的研究開發(fā)，將給國內(nèi)風力發(fā)電廠的各型風機的震動檢測提供了一個很好的平臺，也將給風機的日常維護帶來巨大的經(jīng)濟效益和便利。同時也給其他行業(yè)的振動檢測系統(tǒng)的研發(fā)提供了一個可供參考的設(shè)計思路。

參考文獻：

[1]邱擴偉,謝擴軍.基于DSP的風力發(fā)電機振動檢測系統(tǒng)研究[J].儀器儀表用戶,2010(4).

[2]吳今培,肖建華.智能故障診斷與專家系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,1997.

[3] Mini6410用戶手冊[Z].廣州友善之臂公司,2010.