一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统.pdf

本发明属于风电设备监测技术领域，尤其涉及一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统。包括：多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器、输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块、STM处理器、网络模块、外围电路；其中，多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器分别与输入数据接口相连，多路振动传感器依次通过输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块与STM处理器相连，转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器依次通过输入数据接口、模数转换模块与STM处理器相连，网络模块、外围电路分别与STM处理器相连。

权利要求书
1.  一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统，其特征在于，包括：多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器、输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块、STM处理器、网络模块、外围电路；
其中，多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器分别与输入数据接口相连，多路振动传感器检测到的机组振动信号依次通过输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块传到STM处理器，转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器检测到的机组运行参数依次通过输入数据接口、模数转换模块传到STM处理器，网络模块、外围电路分别与STM处理器相连。

2.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述多路振动传感器安装在风电机组传动链多个部件上，测量机组主轴承、齿轮箱和发电机的振动。

3.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述转速传感器测量齿轮箱输出轴转速，温度传感器测量齿轮箱温度、发电机温度，电流传感器、电压传感器测量机组输出功率。

4.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述输入数据接口包括：瞬变信号接口和缓变信号接口，瞬变信号接口接收振动传感器信号，缓变信号接口接收转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器的信号。

5.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述信号调理模块包括：模拟放大电路和低通抗混叠滤波电路；信号调理模块被设计成开关切换方式，分别适用于电流型振动传感器信号和电压型振动传感器信号的调理。

6.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述模数转换模块采用两个16位分辨率6通道逐次逼近型的AD7656芯片。

7.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述STM处理器采用基于Cortex-M3内核的32位增强型微控制器STM32F103ZET，用于控制整个数据采集系统的数据采集、处理、存储和通讯传输。

8.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述网络模块采用W5300网络芯片，与上位机采取总线接口方式连接，或者与风电场集控中心的诊断服务器直接连接，进行高速数据传输，实现现场与集控中心的交互式监测诊断。

9.  根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述外围电路包括：时钟电路、复位电路、降压模块、电源模块；使用风电机组机舱内的220V直流电源供电，经电源模块将220V电压调整到24V输出，再分别经过两个降压模块将电压降至±15V和±5V，为采集系统各部分供电。

说明书一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统
技术领域
本发明属于风电设备监测技术领域，尤其涉及一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统。
背景技术
风力发电机组是实现将风能转换成电能的设备，其核心部分是由风轮、传动链、发电机构成的能量转换和传递系统。由于风电机组的运行工况复杂多变、环境条件恶劣，因此故障率高于其它行业的旋转机械设备，因此有必要加强对风电机组运行状态的监测。目前风电机组传动链状态监测与故障诊断主要采用振动监测技术，其基本方法是通过安装在风电机组传动链各个部件上的多个振动传感器，测量结构振动加速度信号，通过振动信号分析处理技术，提取反映故障的特征信息，根据故障特征信息对故障类型、部位、程度及其发展趋势做出诊断。振动监测方式主要分为定期监测和在线监测。定期监测是按照一定的时间间隔使用便携式振动测量仪器对设备进行振动测量。在线监测通过安装固定的振动在线监测诊断系统，对设备上多个关键部位的振动信号进行连续监测分析，随时获取设备振动状态变化的信息并做出判断，及时发现设备的异常工作状况和故障。多通道在线振动监测系统费用比较高，我国的大型风电场往往由数百台、甚至上千台风电机组组成。如果对每台机组上都安装在线振动监测系统，投资规模很大，很难一次性实现。因此，许多风电企业采用定期监测的模式，每个风电场配备一台便携式多通道振动监测系统，定期对风电场内的风电机组进行巡回监测，这样可以起到在线监测系统的很好补充。由于风电机组 运行环境条件的特殊性，对于便携式振动监测系统的可靠性、耗电量和体积重量都提出更高要求。
多通道振动监测系统的核心硬件是数据采集模块，随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高。目前数据采集系统主要采用在一块芯片上同时集成CPU、存储器、A/D、D/A、定时/计数器等单元电路的单片机，其中在测试领域应用较多的是可以实现硬件计算的数字信号处理芯片(DSP)。DSP数据采集系统处理速度快，特别适用于需要高速计算的信号分析处理领域，但是由于频繁的中断会使CPU的效率降低，影响响应速度。近年来在GAL/PAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展起来的数据采集系统可编程逻辑门阵列(FPGA-Filed Programmable GateArray)由于具有集成度高、可靠性好、开发方便、功能多样和体积小等优点，逐渐成为了高速数据采集系统应用的主流芯片。
发明内容
基于风电场设备定期监测的需求，根据振动信号监测分析的特点，本发明提出一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统，包括：多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器、输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块、STM处理器、网络模块、外围电路；
其中，多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器分别与输入数据接口相连，多路振动传感器检测到的机组振动信号依次通过输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块传到STM处理器，转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器检测到的机组运行参数依次通过输入数据接口、模数转换模块传到STM处理器，网络模块、外围电路分别与STM处理器相连。
所述多路振动传感器安装在风电机组传动链多个部件上，测量机组主轴承、齿轮箱和发电机的振动。
所述转速传感器测量齿轮箱输出轴转速，温度传感器测量齿轮箱温度、发电机温度，电流传感器、电压传感器测量机组输出功率。
所述输入数据接口包括：瞬变信号接口和缓变信号接口，瞬变信号接口接收振动传感器信号，缓变信号接口接收转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器的信号。
所述信号调理模块包括：模拟放大电路和低通抗混叠滤波电路；信号调理模块被设计成开关切换方式，分别适用于电流型振动传感器信号和电压型振动传感器信号的调理。
所述模数转换模块采用两个16位分辨率6通道逐次逼近型的AD7656芯片。
所述STM处理器采用基于Cortex-M3内核的32位增强型微控制器STM32F103ZET，用于控制整个数据采集系统的数据采集、处理、存储和通讯传输。
所述网络模块采用W5300网络芯片，与上位机采取总线接口方式连接，或者与风电场集控中心的诊断服务器直接连接，进行高速数据传输，实现现场与集控中心的交互式监测诊断。
所述外围电路包括：时钟电路、复位电路、降压模块、电源模块；使用风电机组机舱内的220V直流电源供电，经电源模块将220V电压调整到24V输出，再分别经过两个降压模块将电压降至±15V和±5V，为采集系统各部分供电。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的数据采集系统以STM32作为主控核心，具有性能全面、功耗低、可靠性好、体积小等优点，方便实现便携式定期监测功能，易于实施 现场测量和信号传输。
2)基于本发明的数据采集系统技术方案采用以太网进行数据通信，即可以与便携式笔记本电脑连接，实现现场分析诊断，同样也可以作为在线连续振动监测系统的数据采集前端，通过以太网与集控中心的诊断服务器连接，在不停机状态下对运行风电机组设备进行连续实时监测。
3)本发明可以实现现场监测与远程工程师诊断相结合的监测模式，提高了定期巡检过程中发现和处理设备故障的时效性，降低了故障停机的风险以及风电场运行维护和设备维修的成本。
附图说明
图1为基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统示意图。
图2为多通道数据采集系统内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
本发明提供了一种基于STM的多通道风电机组振动数据采集系统，如图1所示，包括：多路振动传感器、转速传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器、输入数据接口、信号调理模块、模数转换模块、STM处理器、网络模块、外围电路。
所述振动传感器采用压电加速度传感器，最多8个振动传感器布置在风电机组传动链各个主要部件上，可以同时测量机组主轴承、齿轮箱和发电机的振动，作为便携式系统进行现场监测时，也可以将多个传感器布置同一个部件(例如齿轮箱)上不同部位，进行部件的振动特性测试。所述的过程参数输入通道 可以接入转速信号、机组运行监控信号(如输出功率、齿轮箱温度、发电机温度等缓变信号)。振动加速度传感器可以采用电流输出型或电压输出型。
如图2所示，一种以STM作为主控芯片的多通道振动数据采集系统，其内部结构包括，输入数据接口，包括瞬变信号接口和缓变信号接口，信号调理模块，包括模拟放大电路和低通抗混叠滤波电路，模数转换器、STM数据处理器、网络通讯模块以及电源电路、复位电路、时钟电路等。所述信号调理模块设计成开关切换方式，分别适用于电流型振动传感器信号和电压型振动传感器信号的调理。电流信号的范围为4～20mA的标准电流信号；电压信号范围为-5V～+5V，并带有8～12V偏压的信号。模拟放大电路采用运算放大器，模拟低通滤波电路采用4阶巴特沃斯低通滤波器。
所述的模数转换器采用两个16位分辨率的AD7656芯片。AD7656是一款高集成度的6通道逐次逼近型芯片，功耗低于常用的同类双极型ADC，单通道采样速率可达250kS/s。AD7656芯片具有高速接口，可以和STM数据处理器直接连接，实现高速数据采集。
所述的STM数据处理器采用基于Cortex-M3内核的32位增强型微控制器STM32F103ZET，用于控制整个数据采集系统的数据采集、处理、存储和通讯传输。Cortex-M3内核的最高工作频率72MHz具有64K字节SRAM、512K字节的闪存，有着高性能、低功耗、应用性强、性价比的特点。
所述的网络通讯模块采用W5300网络芯片。该芯片具有突出的数据处理能力和内存空间，适用于流量较大、数据处理速度要求高的数据传输工作，W5300与上位机采取总线接口方式连接，利用芯片内集成的TCP/IP协议和10/100M的以太网MAC和PHY的单芯片能够较为简单的完成与以太网的连接。可以方便地与便携式笔记本电脑连接，或者与风电场集控中心的诊断服务器直接连接， 进行高速数据传输，实现现场与集控中心的交互式监测诊断。
所述的数据采集系统使用风电机组机舱内的220V直流电源供电，经电源模块将220V电压调整到24V输出，再分别经过两个降压模块将电压降至±15V和±5V，为采集板各部分供电。
数据采集系统的软件驱动程序的开发在单片机开发环境下Keil下完成，软件使用C语言开发。驱动程序主要包括系统自检程序、数据采集控制程序和网络通讯程序等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。