基于DSP数字式风能涡轮机振动监测仪的设计

　　0　引言

　　近几年风力发电事业在国内蓬勃发展,为国内的用电紧缺解决了燃眉之急,但风能涡轮机能否正常运行不仅仅直接影响发电的产量,还可能导致设备本身损坏与否,甚至会造成意想不到的后果。文中结合工业现场实际情况和需要,设计了风能涡轮机数字式振动监测仪系统,较好地监测出风能涡轮机设备是否正常运行。通信协议是基于CAN总线的CANopen协议的分布式控制系统,此通讯方式是目前工业上应用比较广泛并且能够提高整体系统的稳定性和灵活性的协议。

　　1　风能涡轮机数字式振动监测仪系统整体构造

　　1·1　系统设计思路

　　系统设计思路是基于DSP[1]与上位机通讯的在线监测系统,用于风能涡轮机运行时的实时数据采集、监控以及对数据进行分析。核心思想是利用加速度传感器监测设备振动情况[2],对振动模拟数据进行抗混叠低通滤波和外围A/D转换电路,然后把数字信号送入DSP数字处理器处理,提取有效振动频带内的信号,通过分析有效频带内的峰值振动加速度是否大于风能涡轮机加速度门限值来判断风能涡轮机运行是否正常。图1为系统处理流程图。

　　振动监测仪由下位机和上位机2部分组成。下位机是整个数字式振动监测仪的硬件部分,主要包括供电模块、报警模块、模拟滤波模块、传感器模块、 A/D转换模块和DSP处理模块。主要负责对风能涡轮机振动情况进行数据采集[3]、滤波、数字信号处理,最终通过CAN总线将数据上传到上位机,通过上位机监控软件进行分析处理和通过波形显示出来。

　　1·2　下位机的硬件设计

　　传感器模块是整个下位机模块的核心之一,它主要负责数据的采集。选择高性能、高精度、低功耗的传感器是整个系统能否达到设计要求的前提。经过精心筛选,最终选用了三轴加速度传感器LIS344ALH,它可以测量X,Y,Z三个方向上的振动信号,量程范围是-2g~2g,需要3·3 V的电源供电。传感器硬件电路设计如图2。

　　模拟信号滤波模块主要由抗混叠滤波器MAX293芯片构成,是对传感器模块采集的X、Y、Z三方向上的信号进行滤波,滤波是整个信号处理的关键之一,滤波模块是信号进入DSP之前的滤波,图3为滤波模块电路的硬件设计,主要是低通滤波,对高频信号进行截止,截止频率是30 Hz.其主要采集的频率范围在0·3~30 Hz之间。根据芯片数据手册可以计算电路中器件的值:R31=R32=R33=10 kΩ,滤波电容C31=C32=6·8 nF,C33=C34=0·1μF.

　　滤波后的信号进行A/D转换,将转换后的数字信号,进行数字信号处理,此过程是由先进的DSP数字处理器来完成,以确保精确和有效的监测。通过选择宽范围的低通和高通滤波器,确定所需的检测频率。DSP处理器内部进行一系列的操作:第一步软件滤波,进行IIR滤波;第二步数据处理,将1 s内采集数据的最大值存储到相应的数据存储单元,每次采集3路通道,连续采样5 s,将这5 s内时间里采集的3个最大值与设定的报警值进行比较。