基于物聯(lián)網(wǎng)的風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王維娜，吳玲敏，高海瑞

(1.河套學(xué)院，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人類對能源的消耗日益加劇，石油、煤炭等不可再生能源日益枯竭[1]，而且其燃燒會對環(huán)境造成嚴重污染，因此，需要重點開發(fā)和利用風能、水能、太陽能等無污染、可再生能源。其中，風力發(fā)電技術(shù)作為利用風能的方法之一，已日趨成熟，它產(chǎn)生的經(jīng)濟效益已逼近常規(guī)能源，具有很大的開發(fā)潛力[2]。由于風力發(fā)電機組長期處于腐蝕、風沙等工況中，工作環(huán)境非常惡劣。當風力發(fā)電機組長期運行時，會出現(xiàn)葉片損耗、發(fā)電機、齒輪箱等故障，從而導(dǎo)致設(shè)備停車。因此，如何有效地監(jiān)測風力發(fā)電機組的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，提前排除故障狀態(tài)成為研究的主要方向。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將實時采集到的風電機組的各項參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器中，在上位機界面上可觀察到各個風電機組的運行參數(shù)，可實時查看風電機組的工作狀態(tài)，為預(yù)測和預(yù)防風電機組故障提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]。

1 系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及電壓、電流采集電路完成風力發(fā)電機參數(shù)的采集[4]。將采集到的數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)部完成相關(guān)計算、處理，通過4G模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心。每個風力發(fā)電機組上裝有單獨的數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，該裝置中的4G模塊可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及地點定位的功能，因此在上位機界面上可觀察到相應(yīng)風力發(fā)電機組的工作參數(shù)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)檢測示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件電路主要包括電壓電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、溫度檢測電路等[5]。系統(tǒng)通過溫度、轉(zhuǎn)速檢測電路實時監(jiān)測風力發(fā)電機的工作狀態(tài)，通過電壓電流檢測電路反映風力發(fā)電機工作的效率。通過多個傳感器協(xié)同工作實時監(jiān)測風力發(fā)電機組的工況，利用4G模塊將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，在PC端通過網(wǎng)頁的形式可實時查看對應(yīng)風力發(fā)電機組的工作參數(shù)，及時了解風力發(fā)電機的工作狀態(tài)，可預(yù)防故障狀態(tài)的發(fā)生。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 轉(zhuǎn)速檢測電路

系統(tǒng)利用電渦流轉(zhuǎn)速傳感器來檢測風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，其中電渦流轉(zhuǎn)速傳感器選用KD2446-9C型傳感器[6]。該型傳感器的前端繞有線圈，當旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，傳感器線圈的磁力線就會發(fā)生變化，因此傳感器會輸出周期性的電壓。旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動速度與傳感器輸出電壓的周期成正比，因此可以通過檢測周期頻率計算得到風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

由于轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號中含有高頻雜波，且有效信號的頻率不超過1 kHz，因此系統(tǒng)選用巴特沃斯低通濾波器濾除信號中的高頻干擾，使得傳感器輸出的信號更加精確，便于檢測輸出信號的頻率，從而計算得到風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。其中濾波電路采用的是八階巴特沃斯低通濾波器MAX7480，其采用單5 V供電，通過配置電容C51來控制內(nèi)部時鐘的頻率[7]，系統(tǒng)配置的MAX7480的時鐘頻率為500 kHz，硬件電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速檢測電路

2.2 溫度檢測電路

對風力發(fā)電機各個部件溫度的監(jiān)測有利于及時了解各個部分的工作狀況[8]，系統(tǒng)主要監(jiān)測齒輪箱以及風機的工作溫度。系統(tǒng)利用熱電阻傳感器實現(xiàn)溫度的檢測，它是將溫度的變化等效地轉(zhuǎn)換為電阻的變化，具有精度高、性能穩(wěn)定等特點。除此之外，其測溫范圍廣，在-200～+850 ℃之間，完全滿足對風力發(fā)電組溫度測量的要求。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

其中U4、U5以及其外圍電阻器件產(chǎn)生100 mA的恒流源去激勵熱電阻傳感器，當溫度變化時，熱電阻傳感器的電阻值也會相應(yīng)改變，此時會產(chǎn)生一個與溫度變化成正比的電壓信號。由于此電壓信號比較微弱，因為通過U6運算放大電路對此信號進行適當放大，將傳感器輸出電壓的幅值調(diào)節(jié)到A/D轉(zhuǎn)換器允許的范圍內(nèi)，便于進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.3 電壓電流檢測電路

系統(tǒng)利用電壓互感器和電流互感器來檢測風力發(fā)電機產(chǎn)生的三相電壓和電流[9]。三相電壓是通過電壓互感器TV1013-1實現(xiàn)的，其是一種將高壓降為低壓的設(shè)備，它的一次線圈與高壓系統(tǒng)的輸出回路并聯(lián)，二次繞組則跟設(shè)備的負載并聯(lián)。該型電壓互感器的工作頻率范圍在10 Hz～10 kHz之間，且體積小，精度高。TV1013-1檢測原理圖如圖5所示。

圖5 電壓互感器檢測原理圖

電流是通過電流互感器檢測的，電流互感器是一種將高壓電網(wǎng)大電流轉(zhuǎn)換為小電流的裝置，系統(tǒng)選用TA1905-1型交流互感器，其具有體積小、電壓隔離能力強等優(yōu)點[10]。實際測量時，將電流互感器的一次繞組串聯(lián)在高壓系統(tǒng)的一次回路中，二次繞組與負載相串聯(lián)。系統(tǒng)通過并聯(lián)的電阻Rs獲得采樣電壓，進而計算出電流的大小。檢測原理圖如圖6所示。

圖6 電流互感器檢測原理圖

2.4 4G傳輸電路

系統(tǒng)通過4G傳輸方式將采集到的風力發(fā)電機組的各項工作參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，在界面上可實時查看風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、各個部件的溫度、三相電壓電流等參數(shù)[11]。4G傳輸選用的是移遠通訊的全網(wǎng)通4G模塊QUECTEL EC20 LTE，其采用標準的Mini PCIe封裝，同時支持LTE，UMTS和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，最大上行速率為50 Mbit/s，最大下行速率為1 Gbit/s。該4G模塊支持Linux操作系統(tǒng)，通過USB2.0接口與ARM實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，供電電壓為3.8 V，工作溫度在-40～+80 ℃之間，硬件電路如圖7所示。

圖7 4G傳輸電路

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)軟件利用C語言編寫，采用Eclipse軟件開發(fā)，編譯成bin文件后下載到ARM中。系統(tǒng)程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、定時器中斷程序、ARM USB通訊程序、4G傳輸程序等。系統(tǒng)通過各個傳感器以及處理電路采集到風力發(fā)電機組的工作參數(shù)，然后在ARM內(nèi)部進行計算處理后，通過4G傳輸方式發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計，研制了基于物聯(lián)網(wǎng)的風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。為了進一步驗證系統(tǒng)的性能，需要對系統(tǒng)做如下測試：將本文研制的數(shù)據(jù)采集傳輸裝置安裝到風力發(fā)電機上，將各個傳感器按照要求安裝到正確的位置，啟動系統(tǒng)，在PC機的頁面上查看風力發(fā)電機的工作參數(shù)。該系統(tǒng)可以監(jiān)測到風力發(fā)電機產(chǎn)生的三相電壓和電流、齒輪箱和風機的溫度以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速等。在PC機頁面上監(jiān)測風力發(fā)電機的工作參數(shù)，分別查看2次，2次間隔1 h，數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。

圖9 風力發(fā)電機工作參數(shù)

圖10 風力發(fā)電機工作參數(shù)

由圖9、圖10可知，風力發(fā)電機產(chǎn)生的三相電壓比較穩(wěn)定，約在690 V左右；三相電流在740～765 A之間；齒輪箱和風機的溫度比較穩(wěn)定，齒輪箱溫度在40～50 ℃之間，風機的溫度在90～110 ℃之間；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在(1.7 ～2.0)×103r/min之間。各項工作參數(shù)均處于合理的范圍內(nèi)，風力發(fā)電機組運行穩(wěn)定。

(3)在3臺相機接入系統(tǒng)的情況下，當線程池線程數(shù)量在8～16之間時，SVR線程池的請求超時發(fā)生率明顯低于HAHS線程池。經(jīng)過進一步測試，當SVR線程池線程數(shù)量為9時，控制終端軟件對圖像幀請求的響應(yīng)超時發(fā)生率最低，為1.74%。

4 結(jié)束語

本文以嵌入式系統(tǒng)為平臺，將MVC模式應(yīng)用到基于機器視覺的鈕扣自動分選系統(tǒng)控制終端軟件的設(shè)計中，通過分層模型思想和中間件技術(shù)進一步降低耦合，提高軟件的易擴展能力。同時以多線程的方式處理外部設(shè)備的交互請求，通過動態(tài)設(shè)置線程優(yōu)先級提高請求響應(yīng)的實時性，為工業(yè)視覺檢測領(lǐng)域同類型控制終端軟件的研發(fā)提供了一個可行方案。