基于FPGA的風(fēng)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

龍　磊，鄧艾東

(東南大學(xué)火電機組振動國家工程研究中心，江蘇 南京 210096)

0　引言

風(fēng)力發(fā)電機組單機容量向兆瓦級以上的發(fā)展，對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的要求。大型風(fēng)電機組工作環(huán)境惡劣，風(fēng)機傳動系統(tǒng)故障率高。目前，通常采用定期檢修方式對其進(jìn)行維護(hù)。但由于機組自帶的運行監(jiān)控設(shè)備不足，很難準(zhǔn)確掌握風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)的運行狀況。這往往導(dǎo)致系統(tǒng)部件發(fā)生損壞時無法及時排除故障，大大降低了設(shè)備的利用率[1-2]。振動信號在眾多特征信息中能夠有效判斷風(fēng)機傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)[3-5]。配備完善的振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對于及時發(fā)現(xiàn)傳動系統(tǒng)故障、合理安排檢修及提高機組的經(jīng)濟效益具有重要意義。

本文以風(fēng)機傳動系統(tǒng)為監(jiān)測對象，設(shè)計了一種以ARM為主控制器、FPGA為從控制器的風(fēng)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)。利用FPGA對數(shù)據(jù)的高速處理能力和增強型直接內(nèi)存存取(enhanced direct menory access,EDMA)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，解決了風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)的實時獲取和保持?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性的問題。本文重點介紹了FPGA邏輯控制模塊。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文研究的風(fēng)機傳動監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個部分。第一部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、傳輸、存儲等功能，包括模擬信號處理、FPGA電路邏輯控制及ARM嵌入式平臺等模塊。第二部分為應(yīng)用層軟件程序。本系統(tǒng)采用基于TCP/IP的C/S軟件體系結(jié)構(gòu)：整個硬件平臺完成對數(shù)據(jù)的采集、服務(wù)請求和數(shù)據(jù)時/頻分析；上位機作為客戶端，對采樣速率、周期、點數(shù)、通道等參數(shù)進(jìn)行控制；應(yīng)用層軟件和上位機之間的通信選用TCP/IP通信協(xié)議。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框架示意圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　模擬信號預(yù)處理

本系統(tǒng)將風(fēng)機傳動系統(tǒng)的振動信號作為監(jiān)測參數(shù)，并行采集傳輸8通道振動信號。系統(tǒng)可支持渦流、速度、加速度3種類型傳感器的接入。每個通道都包括間隙電壓、位移、速度、加速度等信號的調(diào)理電路。系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的類型自動選擇相應(yīng)的預(yù)處理電路[6]。為了提高信噪比，信號采用差分輸入。當(dāng)采用電渦流傳感器時，信號接入前要進(jìn)行分壓處理，然后對信號進(jìn)行差分放大，經(jīng)低通濾波后獲得間隙直流電壓信號，以判斷渦流傳感器的靜態(tài)安裝位置。接入加速度傳感器時，先通過8階抗混疊低通濾波器和2階高通濾波器，獲得加速度信號；再分別通過一次積分和二次積分得到速度和位移信號。每次積分前都需要進(jìn)行隔直處理，以免發(fā)生積分偏置。

每個通道輸入信號經(jīng)過預(yù)處理后，得到振動加速度、速度和位移信號。信號被接入模擬選擇開關(guān)DG409DY-E3。通過FPGA控制模擬選擇開關(guān)選擇信號，并將信號送入8通道16位高速A/D轉(zhuǎn)換器AD7606進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了8通道輸入信號的并行采樣。渦流傳感器間隙電壓是慢變信號，采用普通A/D轉(zhuǎn)換器即可。1個通道的振動信號預(yù)處理框圖如圖2所示。

圖2　振動信號預(yù)處理框圖

傳動系統(tǒng)低速軸或高速軸的轉(zhuǎn)速可通過測速齒輪來測量。轉(zhuǎn)速脈沖接入FPGA進(jìn)行數(shù)字倍頻后，可實現(xiàn)振動信號濾波中心頻率的自跟蹤和振動信號A/D轉(zhuǎn)換頻率的自適應(yīng)。

2.2　FPGA模塊設(shè)計

圖3　FPGA功能實現(xiàn)框圖

數(shù)字鎖相環(huán)模塊的主要功能是實現(xiàn)N倍頻，即使輸出信號的頻率Fout是輸入信號Fin的N倍。數(shù)字鎖相環(huán)是一個相位反饋控制系統(tǒng)，其輸入信號通常為脈沖信號，通過與提取的參考相位比較，使最后得到的分頻與所需的頻率十分接近[8-9]。通過FPGA內(nèi)部的數(shù)字鎖相倍頻器,產(chǎn)生振動信號A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號和抗混疊濾波器Max291的時鐘頻率。將輸入頻率為f的轉(zhuǎn)速脈沖信號作為數(shù)字倍頻器的輸入，通過數(shù)字倍頻器自動輸出128f(或其他需要的倍頻)脈沖，并將其作為A/D觸發(fā)信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器對8通道振動信號進(jìn)行同步采樣。由于數(shù)字倍頻器能提供滿足精度要求的轉(zhuǎn)速脈沖倍頻信號，從而保證了精確的整周期采樣。8路采集通道分別采樣1 024點后自動緩存數(shù)據(jù)，由軟件輸出控制指令，從緩存器讀取采樣數(shù)據(jù)。同時，將該轉(zhuǎn)速脈沖信號作為FPGA中另一個數(shù)字倍頻器的輸入，并輸出所需的倍頻信號作為濾波器芯片Max291的時鐘頻率，從而實現(xiàn)濾波中心頻率隨轉(zhuǎn)速頻率變化的自動跟蹤功能。

DAC7512模塊主要實現(xiàn)對FPGA時鐘的分頻、數(shù)據(jù)的同步讀寫。MCP3208的功能是對采集信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD7606模塊主要模擬8路信號，并在采樣完成后通過FPGA的控制，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲到RAM緩存中，供上層及時讀取。本系統(tǒng)中，AD7606采用并行數(shù)據(jù)模式，ncs上升沿將使總線變?yōu)楦咦钁B(tài)；設(shè)模擬輸入為±5 V，轉(zhuǎn)換時間為4 μs，采集保持時間為 1 μs，最大吞吐速率為200 Kb/s。AD7606的首要任務(wù)是設(shè)置采樣觸發(fā)信號和Max291濾波器時鐘信號。其代碼為如下。

convst<=conv_x when regs_rw(0)(3)=‘1’else cony;

max291_clk(0)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

max291_clk(1)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

max291_clk(2)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

max291_clk(3)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

本文開展農(nóng)業(yè)資源承載力分析主要運用農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、糧食總產(chǎn)量、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)用水量、總供水量5個評價指標(biāo)，其數(shù)據(jù)主要來源于2002—2017年內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒、2010—2016年巴彥淖爾市水資源公報。

max291_clk(4)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

max291_clk(5)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

max291_clk(6)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

max291_clk(7)<=conv_e when regs_rw(0)(6)=‘1’else max291_clk_i;

采樣觸發(fā)信號分為外部采樣時鐘信號conv_x和內(nèi)部采樣時鐘信號con_y。寄存器reg_rw(0)(3)存儲了AD7606采樣信號的具體采樣方式：1代表外部采樣，0代表內(nèi)部采樣。振動信號采集方式分為有轉(zhuǎn)速和無轉(zhuǎn)速兩種，其初始狀態(tài)由軟件設(shè)置。運行中，系統(tǒng)可以自動、有效判斷轉(zhuǎn)速信號失效狀態(tài)。當(dāng)有轉(zhuǎn)速信號時，為防止頻譜泄漏，必須進(jìn)行周期采樣(連續(xù)采樣1 024點)，即以外部采樣觸發(fā)方式(conv_x)輸出A/D觸發(fā)信號并控制數(shù)據(jù)的存儲。當(dāng)無轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速失效時，系統(tǒng)自動從有轉(zhuǎn)速采集切換到無轉(zhuǎn)速采集狀態(tài)。此時為軟件觸發(fā)方式，并由軟件產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號，由用戶設(shè)定采樣頻率，以等時間間隔采集信號。

2.3　ARM與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸

FPGA與通用存儲控制器(general purpose memory controller,GPMC)的連通關(guān)系如圖4所示。

圖4　FPGA與GPMC連通關(guān)系圖

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA與ARM主芯片之間采用EDMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。EDMA主要用于控制存儲器與存儲器、存儲器與外設(shè)、外設(shè)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。其工作流程為：向CPU發(fā)出請求，使控制器獲得總線控制權(quán)；CPU繼續(xù)執(zhí)行內(nèi)部操作，EDMA控制器輔助數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完成后向CPU發(fā)出中斷信號，并將總線控制權(quán)交還給CPU[10]。ARM嵌入式平臺作為本系統(tǒng)的主控單元，其主要功能是完成對A/D采樣的數(shù)據(jù)讀取，以及實現(xiàn)FPGA與上位機之間的通信。本系統(tǒng)嵌入式平臺選用成都英創(chuàng)的ESM335X系列和開源的嵌入式Linux系統(tǒng)。ESM335X基于ARM Cortex-A8，具有豐富的外設(shè)、工業(yè)接口、可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)[11]。為實現(xiàn)不同功能，F(xiàn)PGA增設(shè)了相應(yīng)參數(shù)寄存器。ARM通過其內(nèi)部通用存儲控制器GPMC端口實現(xiàn)對FPGA相關(guān)寄存器的讀寫，包括FPGA的數(shù)據(jù)采集速率、倍頻等參數(shù)的設(shè)置。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計平臺為Linux操作系統(tǒng)，編程軟件為Eclipse IDE for C/C++，選用C語言作為編程語言。系統(tǒng)軟件的主要功能是采集振動信號，實現(xiàn)與上位機的通信，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機。當(dāng)上位機向應(yīng)用層軟件發(fā)送數(shù)據(jù)時，應(yīng)用層軟件對上位機指令進(jìn)行監(jiān)測，有利于接收處理信號。應(yīng)用層軟件與上位機之間采用TCP/IP通信協(xié)議，通過Linux中的套接字(Socket)通信。套接字包含3部分：將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的端的IP地址、傳輸層協(xié)議和數(shù)據(jù)傳送使用的端口號[12-14]。結(jié)合這3個參數(shù)，同時綁定一個Socket，就能實現(xiàn)應(yīng)用層與傳輸層之間的數(shù)據(jù)通信。具體創(chuàng)建套接字，設(shè)置IP地址、協(xié)議和端口號的程序代碼如下。

if((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==

-1)

{

perror(">>>create socket error ");

exit(-2);

}

int opt=SO_REUSEADDR;

setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));

//reuse address in bind

bzero(&server,sizeof(server));

server.sin_family=AF_INET;

//Use TCP

server.sin_port=htons(PORT);

server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

采用創(chuàng)建子進(jìn)程的方式，對上位機指令進(jìn)行實時監(jiān)測。應(yīng)用層總體實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5　應(yīng)用層總體實現(xiàn)流程圖

4　結(jié)束語

本文將振動信號作為監(jiān)測參數(shù)，采用ARM和FPGA作為硬件核心，構(gòu)建了風(fēng)電機組傳動鏈振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件層作為客戶端，實現(xiàn)了傳感器類型、采樣速率、采樣周期等相關(guān)參數(shù)的控制以及與上位機的通信功能；系統(tǒng)硬件部分則作為下位機，對振動信號進(jìn)行采集、處理、存儲與傳輸。利用FPGA強大的邏輯和數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了振動信號全自動采集、振動信號濾波中心頻率的自跟蹤與A/D轉(zhuǎn)換速率的自適應(yīng)。通過EDMA，實現(xiàn)了FPGA與ARM之間的數(shù)據(jù)高速傳輸,使得本系統(tǒng)在具備大量數(shù)據(jù)處理能力的同時，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確性，可滿足大型風(fēng)電機組振動狀態(tài)實時監(jiān)測和分析的需求。

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