基于ARM的風力發(fā)電機齒輪箱潤滑油實時監(jiān)控系統(tǒng)

高志朋，臧鐵鋼，周 益

(南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016)

作為風力發(fā)電機組的關鍵部件——“齒輪箱”的工作可靠性將直接關系到整個機組運行的可靠性。一旦設備發(fā)生故障和安全事故，將給風電場企業(yè)造成巨大的經濟損失。潤滑油是影響齒輪箱可靠性因素之一。而齒輪箱由于取樣不便，很難開展定期的離線監(jiān)測;同時，齒輪箱用油量大，離線監(jiān)測的取樣量一般只有幾百毫升，典型磨損顆粒被稀釋而不一定能夠被及時發(fā)現(xiàn)。而實時監(jiān)測無需取樣，直接對齒輪箱的油液進行分析，避免了取樣不具代表性及二次污染等問題。本文通過對齒輪箱油的油品及磨粒的監(jiān)測，為齒輪箱的視情維修提供依據(jù)[1－2]。

1 系統(tǒng)設計

風力發(fā)電機齒輪箱潤滑油實時監(jiān)控系統(tǒng)的核心是嵌入式控制器。筆者選擇基于ARM1176JZFS內核的32位RISC微處理器的S3C6410芯片，最高800MHz系統(tǒng)頻率能夠滿足絕大多數(shù)的現(xiàn)場運算。S3C6410增加了豐富的外圍資源，主要包括1個LCD控制器;4個通道的UART;可以連接 Wifi、GPS等 模塊;1個 SD/MMC卡接口，支持高速MMC卡等。它能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動化處理任務。

1.1 系統(tǒng)硬件結構圖

嵌入式控制器硬件電路主要以微處理器S3C6410為核心，包括處理器單元、顯示觸摸屏單元、輸入單元、輸出單元、存儲單元、通訊單元、電源單元等。各個模塊的連接如圖1所示。

圖1 硬件電路圖模塊

嵌入式控制器是嵌入式風力發(fā)電機齒輪箱潤滑油實時監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部分。首先通過觸摸屏進行系統(tǒng)設置，比如油品的型號、通道數(shù)等，現(xiàn)場傳感器通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鞯妮斎攵丝?，由控制器內嵌的服務程序，先與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常后立即通過以太網或無線網，將本地數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機的接口，在遠程由客戶端程序對現(xiàn)場傳感器進行信號的查看和控制，結合專家系統(tǒng)的知識對潤滑油狀態(tài)進行診斷，預測齒輪箱潤滑油的質量趨勢并將診斷結果反饋給現(xiàn)場，從而實現(xiàn)潤滑油的遠程監(jiān)控并指導維護。

1.2 信號采集子系統(tǒng)

為對齒輪箱的維護作出準確的預警，對齒輪油增加了油液品質傳感器及顆粒度探頭，傳感器的安裝方式使用螺紋連接，輸出為4～20mA的工業(yè)標準信號，電流信號比電壓信號有較強的抗干擾能力，遠距離傳輸中的衰減也相對較少。實驗中在輸出端與地之間串連一個150Ω的精密電阻，將電流信號轉換為0.6～+3V的電壓信號，供信號調整電路使用。S3C6410包含1個8通道10位逐次逼近式的A/D轉換器，同時預留了外接AD的端口，當內置通道不夠或精度不夠時，可以選擇外接AD，該系統(tǒng)靈活的可編程性為不同結構風機的信號采集提供了極大的便利。最大4G的尋址范圍為長時間無人監(jiān)管狀態(tài)下的大量數(shù)據(jù)存儲提供便利。

1.3 ARM處理平臺

圖2 程序流程

ARM處理平臺主要用于數(shù)據(jù)的接收、計算處理、數(shù)據(jù)存儲調用管理及與遠程網絡通訊[4]。圖2所示是監(jiān)測和診斷的工作流程圖，首先用戶設定所使用油液的一些基本參數(shù)如型號等，當齒輪箱工作后，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集回CPU，基于一些算法得出齒輪箱油的實時數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，由匹配的結果來確定最終的維護報告。情況正常出具正常報告，不正常時，將該信息自動添加到油液狀態(tài)庫子系統(tǒng)，同時向上一級遠程專家系統(tǒng)提出請求，由專家系統(tǒng)出具維護報告。

1.4 遠程通訊

1.4.1 以太網擴展接口

圖3 以太網接口電路

以太網接口采用工業(yè)級以太網控制器DM9000AE實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)網絡數(shù)據(jù)交換。DM9000AE實現(xiàn)以太網媒體介質訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識別、CRC編碼/校驗、MLT－3編碼、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。DM9000AE與ARM以8bit或16bit的總線方式連接，并可根據(jù)需要以單工或全雙工等模式運行，中斷引腳與處理器外部中斷相連。處理器利用片選DM_CS腳和地址線BADDR分別連接DM9000AE芯片的CS引腳和CMD引腳，S3C6410的數(shù)據(jù)線BDATA[15:0]與 DM9000AE 的數(shù)據(jù)線 SD[15:0]連接，用來實現(xiàn)DM9000AE與S3C6410之間的數(shù)據(jù)傳輸;S3C6410的DM_IOR引腳連接DM9000AE的讀引腳IOR#，DM_IOW引腳連接DM9000AE的寫引腳IOW#;同時，DM9000AE占用S3C6410的中斷引腳EINT7，使得S3C6410能夠響應DM9000AE的中斷。DM9000AE與網絡的連接由接收信號線RX+、RX－和發(fā)送信號線TX+、TX－與以太網水晶接頭RJ_45相連。RJ_45內部集成的隔離變壓器的主要作用是將嵌入式系統(tǒng)與外部線路相隔離，防止干擾和燒壞元器件，實現(xiàn)帶電的插拔功能。

1.4.2 無線網絡接口[3]

本設計采用USI公司的VM－G－MR－09模塊，根據(jù)參考電路，WiFi的部分電路圖設計如圖4所示。該模塊屏蔽了射頻和基帶2個硬件協(xié)議層，將時鐘系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)部分進行了統(tǒng)一的封裝，在硬件上完全分離了WiFi主機和控制層，因此設計上可以通過SDIO或SPI接口實現(xiàn)與主機的無縫連接，本設計采用SDIO連接。

圖4 WiFi模塊接口電路圖

2 電源及接口

為滿足供電的穩(wěn)定性，220V交流電壓經過9V－1.5A交流變壓器變壓濾波后，通過全橋整流濾波，作為LT1084的輸入端。LT1084低壓差三端穩(wěn)壓器有較快的反應速度，輸出端需要旁接一個10μF的退耦電容，如圖5中的C35和C50，以獲得穩(wěn)定的電壓輸出。

3 結束語

風力發(fā)電機齒輪箱潤滑油實時監(jiān)控系統(tǒng)設計調試工作已完畢，能夠通過以太網定期的將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，可應用于潤滑油的在線監(jiān)控。但由于齒輪箱的復雜性，單靠油液一方面的監(jiān)測有所片面，后續(xù)將融入別的監(jiān)測點如振動。

圖5 電源電路

[1] Wu Dingguo，Wang Zhixin.The study of muhimode power control system for MW variable-speed wind turbine[J].WSEAS transactions on System，2008(10):41－44.

[2] 王志新，張華強.風力發(fā)電及其控制技術新進展[J].低壓電器，2009(19):1－7，19.

[3] 王惠中，劉廣，王小鵬.基于無線網的風電機在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)設計[J].中國電力，2010(10):58－61.

[4] 李增國，張浩，夏揚.基于ARM的風力發(fā)電遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電測與儀表，2010(9):54－57，80.