風力發電機運行狀態在線監測裝置的製作方法

2023-05-23 00:24:01 2

專利名稱：風力發電機運行狀態在線監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電機運行狀態的監測領域，尤其涉及一種應用於風力發電機運 行狀態在線數據採集與處理的監測裝置。
背景技術：
由於國內風力發電行業起步晚、發展速度快，近幾年風力發電機裝機數量均以每 年近翻一翻的數量激增，但是原有的風機監測裝置只能處在人工測量、監控系統測量的水 平上，無法對設備運行狀態(包含設備運行健康狀態、設備效率、設備壽命預測等)進行實 時在線的準確監測。目前風力發電機運行狀態監測領域和市場上，也尚無在線狀態監測裝 置。在中國專利文獻中，2009年3月25日公開的申請號為200810118822. 4，公開號為CN 101393049A，名稱為「風力發電機組振動監測及故障診斷的方法」的已授權發明專利公布了 一種監測風力發電機組振動監測的方法。但現有裝置並未包含對控制系統的數據交換，也 未涉及對溫度、風速、轉速、有功、無功等信號的監測，也未包含硬體衝擊信號處理技術。

發明內容
本發明提供了一種風力發電機運行狀態在線數據採集監測裝置，它是一個對風力 發電機運行狀態在線實時監測分析系統的一個組成部件，負責數據採集及數據處理任務， 如圖1所示。實現上述發明所述監測裝置的原理如圖2所示。本發明公開的一種風力發電機運行狀態在線監測裝置，其特徵在於包括直流選擇 模塊、交流保護/調理模塊、直流保護/調理模塊、交流選擇模塊、量程控制模塊、濾波模塊、 衝擊信號處理模塊、低頻AD採集模塊、高頻AD採集模塊、FPGA模塊、CPU模塊、硬體「看門 狗」模塊；其中所述直流選擇模塊的輸入和所述交流保護/調理模塊的直流輸出與所述直 流保護/調理模塊的輸出相連，所述交流選擇模塊的輸入和所述交流保護/調理模塊的交 流輸出相連，所述量程控制模塊的輸入和所述交流選擇模塊的輸出相連，所述濾波模塊的 輸入和所述量程控制模塊輸出相連，所述衝擊信號處理模塊的輸入和所述量程控制模塊的 輸出相連，所述低頻AD採集模塊的輸入由程序控制和所述直流選擇模塊或所述衝擊信號 處理模塊的輸出相連，所述高頻AD採集模塊的輸入由程序控制和所述濾波模塊的輸出或 所述衝擊信號處理模塊的輸出相連，所述FPGA模塊控制所述低頻AD採集模塊和所述高頻 AD採集模塊；所述CPU模塊和所述FPGA模塊相連，所述硬體「看門狗」模塊和所述CPU模塊 相連。所述交流保護/調理模塊接收的參數是加速度傳感器信號、速度傳感器信號、脈 衝信號，信號輸入數量可以是一個或多個，或其任意組合。所述直流保護/調理模塊接收的參數是直流電壓/電流信號，信號輸入數量可以 是一個或多個，或其任意組合。所述交流保護/調理模塊包含輸入保護、交直流分離、信號放大功能。所述直流保護/調理模塊包含輸入保護功能。
該裝置有多路信號輸入端子，輸入端子連接交流保護/調理模塊或直流保護/調 理模塊，該裝置對信號進行數據採集和處理後，通過CPU模塊上的通訊接口將數據發送給 中心伺服器。對於輸入端子連接加速度傳感器時，裝置內部向外供電24V/3mA，使加速度傳感器 工作正常。為解決速度傳感器失效性監測，信號輸入模塊連接速度傳感器時，裝置內部向外 供電0. ImA-O. 5mA，用於監測傳感器是否工作正常。所述交流保護/調理模塊和所述直流保護/調理模塊的保護部分由氣體放電管、 壓敏電阻、瞬態抑制二極體及電阻組成。本發明的應用於風力發電機運行狀態在線監測裝置，適用於風力發電機的正常運 行狀態或特殊狀態的全過程實時監測，可為風力發電機的效率分析提供完整有效的數據， 為風力發電機機械壽命預測和故障診斷提供準確及時的信息。


圖1是風力發電機運行狀態在線實時監測分析系統圖2是監測裝置信號處理框圖3是交流保護/調理模塊電路原理圖4是量程控制模塊電路原理圖5是濾波模塊電路原理圖6是6階6KHz-60KHz帶通濾波電路原理圖7是絕對值電路原理圖8是低通電路原理圖9是峰值保持電路原理圖10是有效值計算模塊電路原理圖11是低頻AD採集模塊和高頻AD採集模塊電路原理圖
圖12是硬體「看門狗」模塊電路原理圖13是加速度信號輸入連接電路原理圖14是速度信號輸入連接電路原理圖。
圖15是直流保護/調理模塊電路原理圖16是衝擊信號處理模塊框圖。
具體實施例方式現在將對本發明的典型實施例進行詳細地說明。參見圖2是監測裝置信號處理框圖，本裝置的組成為直流選擇模塊3的輸入和交 流保護/調理模塊1的直流輸出與直流保護/調理模塊2的輸出相連，交流選擇模塊5的 輸入和交流保護/調理模塊1的交流輸出相連，量程控制模塊10的輸入和交流選擇模塊5 的輸出相連，濾波模塊6的輸入和量程控制模塊10輸出相連，衝擊信號處理模塊8的輸入 和量程控制模塊10的輸出相連，低頻AD採集模塊9的輸入由程序控制可以和直流選擇模 塊3或衝擊信號處理模塊8的輸出相連，高頻AD採集模塊7的輸入由程序控制和濾波模塊6的輸出或衝擊信號處理模塊8的輸出相連，FPGA模塊12控制低頻AD採集模塊9和高頻 AD採集模塊7以及其他需要控制的模塊；CPU模塊13和FPGA模塊12相連，硬體「看門狗」 模塊11和CPU模塊13相連。交流保護/調理模塊1，電路原理圖參見圖3，加速度傳感器信號、速度傳感器 信號、脈衝信號的每一路輸入連接一個該模塊，它具有三重保護功能，分別由氣體放電管 EPSIN-75、壓敏電阻39ZR-10D、瞬態抑制二極體P6KE30A及相應電阻組成，由電阻/電容 組成交直流分離電路，由TL064I組成放大電路，它的輸出分為交流輸出部分和直流輸出部 分。直流保護/調理模塊2，參見圖15，直流電壓/電流信號的每一路輸入連接一個該 模塊，分別由氣體放電管EPSIN-75、壓敏電阻39ZR-10D、瞬態抑制二極體P6KE30A及相應電 阻組成。直流選擇模塊3，由FPGA模塊控制選擇，它由1片ADG426BRS組成一個16選1的
多路復用器；交流選擇模塊5由FPGA模塊控制選擇，它由1片ADG426BRS組成一個16選1的
多路復用器。量程控制模塊10如圖4所示，由FPGA模塊連接ADG426BRS的第1、2、17腳，控制 選擇可將量程變換為4倍、1倍、1/4倍、1/16倍。濾波模塊6如圖5所示，FPGA模塊連接TLC04的第2腳及ADG428BR的第1、2、17 腳，濾波具有不濾波、lKHz低通、跟蹤低通濾波三個程序控制的選項；衝擊信號處理模塊8框圖如16所示，它採用脈衝衝擊的包絡解調法實現對一 種衝擊振動的監測，它利用加速度傳感器的共振區對特殊信號的放大效應，利用6階 6KHz-60KHz帶通濾波模塊A如圖6所示，提取加速度傳感器的共振區振動信號作為衝擊信 號，絕對值模塊B如圖7所示，其輸入和帶通濾波模塊A的輸出相連，低通濾波模塊C如圖8 所示，其輸入和絕對值模塊B的輸出相連，低通模塊C的輸出連接到低頻AD採集模塊9和 高頻AD採集模塊7，作為它們的一個輸入。峰值保持模塊D如圖9所示，其輸入和絕對值模 塊B的輸相連，峰值保持模塊D的輸出連接到低頻AD採集模塊9和高頻AD採集模塊7，作 為它們的一個輸入。有效值計算模塊E使用AD536，它的輸入和帶通濾波模塊A的輸相連， 有效值計算模塊E如圖10所示，採用AD635ASD晶片進行有效值轉換，其輸出連接到低頻AD 採集模塊9和高頻AD採集模塊7，作為它們的一個輸入。低頻AD採集模塊9採用LTC1416IWG晶片，如圖11所示，輸入可以和直流選擇模 塊3或衝擊信號處理模塊8的輸出相連。高頻AD採集模塊7也採用LTC1416IWG晶片，原理圖如圖11所示，其原理圖和低 頻AD採集模塊相同，其輸入和濾波模塊6的輸出或衝擊信號處理模塊8的輸出相連。CPU模塊13，CPU採用低功耗ARM9系列EP9302，兩片FLASH作為程序存儲器，型號 為JS28F128 ；兩片SDRAM作為數據存儲器，型號為HY57V561620CLT。一片CPLD作為外圍控 制，型號為EPM3032A ；網絡控制晶片為KS8721BI ；FPGA模塊12採用ALTERA的EP2C20F484I晶片，如前面所述，和多個模塊相連；硬體「看門狗」模塊11，它由⑶4060為核心組成，通過RC時間常數為2秒，使用 ⑶4060的第3腳作為「看門狗」輸出連接到CPU模塊，如圖12所示。
加速度信號輸入連接如圖13所示，通過3K歐姆/0. 5W電阻向傳感器供電。速度傳感器信號接口特殊處理如圖14所示，通過一電阻向速度傳感器供電，圖14 所示為向傳感器供電約0. 2mA。上述內容已經說明了本監測裝置實施方法，但本領域的普通技術人員對裝置輸入 信號類型、輸入信號數量及其組合做出變化，以及在此基礎上做出各種形式和細節上的變 更都將被包含在本發明中。
權利要求
1.一種風力發電機運行狀態在線監測裝置，其特徵在於包括直流選擇模塊(3)、交流 保護/調理模塊(1)、直流保護/調理模塊(2)、交流選擇模塊(5)、量程控制模塊(10)、濾 波模塊(6)、衝擊信號處理模塊(8)、低頻AD採集模塊(9)、高頻AD採集模塊(7)、FPGA模塊 (12)、CPU模塊(13)、硬體「看門狗」模塊(11)，其中所述直流選擇模塊(3)的輸入和所述交 流保護/調理模塊(1)的直流輸出與所述直流保護/調理模塊(2)的輸出相連，所述交流 選擇模塊(5)的輸入和所述交流保護/調理模塊(1)的交流輸出相連，所述量程控制模塊 (10)的輸入和所述交流選擇模塊(5)的輸出相連，所述濾波模塊(6)的輸入和所述量程控 制模塊(10)輸出相連，所述衝擊信號處理模塊(8)的輸入和所述量程控制模塊(10)的輸 出相連，所述低頻AD採集模塊(9)的輸入由程序控制和所述直流選擇模塊(3)或所述衝擊 信號處理模塊(8)的輸出相連，所述高頻AD採集模塊(7)的輸入由程序控制和所述濾波模 塊(6)或所述衝擊信號處理模塊⑶的輸出相連，所述FPGA模塊(12)控制所述低頻AD採 集模塊(9)和所述高頻AD採集模塊(7)，所述CPU模塊(13)和所述FPGA模塊(12)相連， 所述硬體「看門狗」模塊(11)和所述CPU模塊(13)相連；所述交流保護/調理模塊(1)接收的參數是加速度傳感器信號、速度傳感器信號、脈衝 信號，信號輸入數量可以是一個或多個，或其任意組合；所述直流保護/調理模塊(2)接收的參數是直流電壓/電流信號，信號輸入數量可以 是一個或多個，或其任意組合。
2.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於每臺監測裝置均有唯一的身份識別序 列號，該序列號可被監測裝置軟體讀出。
3.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於所述的交流保護/調理模塊(1)和直 流保護/調理模塊(2)的保護部分由氣體放電管、壓敏電阻、瞬態抑制二極體及電阻組成。
4.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於所述濾波模塊(6)具有不濾波、IKHz 低通濾波、跟蹤低通濾波三個FPGA控制的選項。
5.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於所述衝擊信號處理模塊(8)具有三個 輸出，該模塊利用加速度傳感器的共振區對特殊信號的放大效應，利用6階6KHz-60KHz帶 通濾波模塊(A)，提取加速度傳感器的共振區振動信號作為衝擊信號，絕對值模塊(B)的輸 入和帶通濾波模塊(A)的輸出相連，低通濾波模塊(C)的輸入和通過絕對值模塊(B)的輸 出相連，低通模塊(C)的輸出做為衝擊信號處理模塊⑶的一個輸出，峰值保持模塊⑶的 輸入和通過絕對值模塊(B)的輸相連，峰值保持模塊(D)的輸出做為衝擊信號處理模塊(8) 的一個輸出，有效值計算模塊(E)的輸入和帶通濾波模塊(A)的輸相連，有效值計算模塊 (E)的輸出做為衝擊信號處理模塊(8)的一個輸出。
6.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於所述FPGA模塊(12)，採用ALTERA的 EP2C20F484I晶片，FPGA的配置方式由CPU板配置FPGA的運行程序。
7.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於所述CPU模塊(13)中的CPU採用 ARM9系列EP9302，兩片FLASH作為程序存儲器，型號為JS28F128 ；兩片SDRAM作為數據存 儲器，型號為HY57V561620VLT，一片CPLD作為外圍控制，型號為EPM3032A ；網絡控制晶片為 KS8721BI ；CPU板是一個單獨模塊通過連接器和FPGA所在電路板連接，也可以和其他電路 同在一塊電路板上。
8.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於信號輸入模塊連接速度傳感器時，裝置內部向外供電0. ImA-O. 5mA電流，用於監測傳感器是否工作正常。
9.根據權利要求1所述的監測裝置，其特徵在於所處通訊接口包括光纖通訊接口、以 太網通訊接口、RS485通訊接口、RS232通訊接口，接口類型是一個或多個，通訊接口將數據 傳向數據中心，也和控制系統進行數據交換。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電機運行狀態在線監測裝置，它可以接入風速、轉速、功率、效率、振動、溫度等信號，對這些信號進行調理和數據採集，然後對信號進行分析與處理，最後將有用的數據上傳給中心伺服器。該監測裝置可對風力發電機的葉片、輸入軸、齒輪箱、發電機運行健康狀態及運行效率進行實時的在線監測。可為風力發電機的效率分析提供完整有效的數據，為風力發電機機械壽命預測和故障診斷提供準確及時的信息。
文檔編號G01M15/00GK101995336SQ200910162730
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者孟照輝 申請人:孟照輝