專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)的監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機運 行狀態(tài)在線數(shù)據(jù)采集與處理的監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
由于國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)起步晚、發(fā)展速度快，近幾年風(fēng)力發(fā)電機裝機數(shù)量均以每 年近翻一翻的數(shù)量激增，但是原有的風(fēng)機監(jiān)測裝置只能處在人工測量、監(jiān)控系統(tǒng)測量的水 平上，無法對設(shè)備運行狀態(tài)(包含設(shè)備運行健康狀態(tài)、設(shè)備效率、設(shè)備壽命預(yù)測等)進行實 時在線的準(zhǔn)確監(jiān)測。目前風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域和市場上，也尚無在線狀態(tài)監(jiān)測裝 置。在中國專利文獻中，2009年3月25日公開的申請?zhí)枮?00810118822. 4，公開號為CN 101393049A，名稱為“風(fēng)力發(fā)電機組振動監(jiān)測及故障診斷的方法”的已授權(quán)發(fā)明專利公布了 一種監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機組振動監(jiān)測的方法。但現(xiàn)有裝置并未包含對控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，也 未涉及對溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、有功、無功等信號的監(jiān)測，也未包含硬件沖擊信號處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測裝置，它是一個對風(fēng)力 發(fā)電機運行狀態(tài)在線實時監(jiān)測分析系統(tǒng)的一個組成部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理任務(wù)， 如圖1所示。實現(xiàn)上述發(fā)明所述監(jiān)測裝置的原理如圖2所示。本發(fā)明公開的一種風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，其特征在于包括直流選擇 模塊、交流保護/調(diào)理模塊、直流保護/調(diào)理模塊、交流選擇模塊、量程控制模塊、濾波模塊、 沖擊信號處理模塊、低頻AD采集模塊、高頻AD采集模塊、FPGA模塊、CPU模塊、硬件“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(diào)理模塊的直流輸出與所述直 流保護/調(diào)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(diào)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，所述沖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采集模塊的輸入由程序控制和所述直流選擇模塊或所述沖擊信號 處理模塊的輸出相連，所述高頻AD采集模塊的輸入由程序控制和所述濾波模塊的輸出或 所述沖擊信號處理模塊的輸出相連，所述FPGA模塊控制所述低頻AD采集模塊和所述高頻 AD采集模塊；所述CPU模塊和所述FPGA模塊相連，所述硬件“看門狗”模塊和所述CPU模塊 相連。所述交流保護/調(diào)理模塊接收的參數(shù)是加速度傳感器信號、速度傳感器信號、脈 沖信號，信號輸入數(shù)量可以是一個或多個，或其任意組合。所述直流保護/調(diào)理模塊接收的參數(shù)是直流電壓/電流信號，信號輸入數(shù)量可以 是一個或多個，或其任意組合。所述交流保護/調(diào)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(diào)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(diào)理模塊或直流保護/調(diào) 理模塊，該裝置對信號進行數(shù)據(jù)采集和處理后，通過CPU模塊上的通訊接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給 中心服務(wù)器。對于輸入端子連接加速度傳感器時，裝置內(nèi)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(jiān)測，信號輸入模塊連接速度傳感器時，裝置內(nèi)部向外 供電0. ImA-O. 5mA，用于監(jiān)測傳感器是否工作正常。所述交流保護/調(diào)理模塊和所述直流保護/調(diào)理模塊的保護部分由氣體放電管、 壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管及電阻組成。本發(fā)明的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，適用于風(fēng)力發(fā)電機的正常運 行狀態(tài)或特殊狀態(tài)的全過程實時監(jiān)測，可為風(fēng)力發(fā)電機的效率分析提供完整有效的數(shù)據(jù)， 為風(fēng)力發(fā)電機機械壽命預(yù)測和故障診斷提供準(zhǔn)確及時的信息。


圖1是風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線實時監(jiān)測分析系統(tǒng)圖2是監(jiān)測裝置信號處理框圖3是交流保護/調(diào)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采集模塊和高頻AD采集模塊電路原理圖
圖12是硬件“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(diào)理模塊電路原理圖16是沖擊信號處理模塊框圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將對本發(fā)明的典型實施例進行詳細(xì)地說明。參見圖2是監(jiān)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(diào)理模塊1的直流輸出與直流保護/調(diào)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(diào)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，沖擊信號處理模塊8的輸入 和量程控制模塊10的輸出相連，低頻AD采集模塊9的輸入由程序控制可以和直流選擇模 塊3或沖擊信號處理模塊8的輸出相連，高頻AD采集模塊7的輸入由程序控制和濾波模塊6的輸出或沖擊信號處理模塊8的輸出相連，F(xiàn)PGA模塊12控制低頻AD采集模塊9和高頻 AD采集模塊7以及其他需要控制的模塊；CPU模塊13和FPGA模塊12相連，硬件“看門狗” 模塊11和CPU模塊13相連。交流保護/調(diào)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、脈沖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(tài)抑制二極管P6KE30A及相應(yīng)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(diào)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(tài)抑制二極管P6KE30A及相應(yīng)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(fù)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(fù)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，F(xiàn)PGA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；沖擊信號處理模塊8框圖如16所示，它采用脈沖沖擊的包絡(luò)解調(diào)法實現(xiàn)對一 種沖擊振動的監(jiān)測，它利用加速度傳感器的共振區(qū)對特殊信號的放大效應(yīng)，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(qū)振動信號作為沖擊信 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采集模塊9和 高頻AD采集模塊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采集模塊9和高頻AD采集模塊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，采用AD635ASD芯片進行有效值轉(zhuǎn)換，其輸出連接到低頻AD 采集模塊9和高頻AD采集模塊7，作為它們的一個輸入。低頻AD采集模塊9采用LTC1416IWG芯片，如圖11所示，輸入可以和直流選擇模 塊3或沖擊信號處理模塊8的輸出相連。高頻AD采集模塊7也采用LTC1416IWG芯片，原理圖如圖11所示，其原理圖和低 頻AD采集模塊相同，其輸入和濾波模塊6的輸出或沖擊信號處理模塊8的輸出相連。CPU模塊13，CPU采用低功耗ARM9系列EP9302，兩片F(xiàn)LASH作為程序存儲器，型號 為JS28F128 ；兩片SDRAM作為數(shù)據(jù)存儲器，型號為HY57V561620CLT。一片CPLD作為外圍控 制，型號為EPM3032A ；網(wǎng)絡(luò)控制芯片為KS8721BI ；FPGA模塊12采用ALTERA的EP2C20F484I芯片，如前面所述，和多個模塊相連；硬件“看門狗”模塊11，它由⑶4060為核心組成，通過RC時間常數(shù)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(nèi)容已經(jīng)說明了本監(jiān)測裝置實施方法，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對裝置輸入 信號類型、輸入信號數(shù)量及其組合做出變化，以及在此基礎(chǔ)上做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變 更都將被包含在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，其特征在于包括直流選擇模塊(3)、交流 保護/調(diào)理模塊(1)、直流保護/調(diào)理模塊(2)、交流選擇模塊(5)、量程控制模塊(10)、濾 波模塊(6)、沖擊信號處理模塊(8)、低頻AD采集模塊(9)、高頻AD采集模塊(7)、FPGA模塊 (12)、CPU模塊(13)、硬件“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(diào)理模塊(1)的直流輸出與所述直流保護/調(diào)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(diào)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，所述沖擊信號處理模塊(8)的輸入和所述量程控制模塊(10)的輸 出相連，所述低頻AD采集模塊(9)的輸入由程序控制和所述直流選擇模塊(3)或所述沖擊 信號處理模塊(8)的輸出相連，所述高頻AD采集模塊(7)的輸入由程序控制和所述濾波模 塊(6)或所述沖擊信號處理模塊⑶的輸出相連，所述FPGA模塊(12)控制所述低頻AD采 集模塊(9)和所述高頻AD采集模塊(7)，所述CPU模塊(13)和所述FPGA模塊(12)相連， 所述硬件“看門狗”模塊(11)和所述CPU模塊(13)相連；所述交流保護/調(diào)理模塊(1)接收的參數(shù)是加速度傳感器信號、速度傳感器信號、脈沖 信號，信號輸入數(shù)量可以是一個或多個，或其任意組合；所述直流保護/調(diào)理模塊(2)接收的參數(shù)是直流電壓/電流信號，信號輸入數(shù)量可以 是一個或多個，或其任意組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于每臺監(jiān)測裝置均有唯一的身份識別序 列號，該序列號可被監(jiān)測裝置軟件讀出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于所述的交流保護/調(diào)理模塊(1)和直 流保護/調(diào)理模塊(2)的保護部分由氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管及電阻組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于所述濾波模塊(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(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于所述沖擊信號處理模塊(8)具有三個 輸出，該模塊利用加速度傳感器的共振區(qū)對特殊信號的放大效應(yīng)，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(qū)振動信號作為沖擊信號，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)的輸出做為沖擊信號處理模塊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)的輸出做為沖擊信號處理模塊(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)的輸出做為沖擊信號處理模塊(8)的一個輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于所述FPGA模塊(12)，采用ALTERA的 EP2C20F484I芯片，F(xiàn)PGA的配置方式由CPU板配置FPGA的運行程序。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于所述CPU模塊(13)中的CPU采用 ARM9系列EP9302，兩片F(xiàn)LASH作為程序存儲器，型號為JS28F128 ；兩片SDRAM作為數(shù)據(jù)存 儲器，型號為HY57V561620VLT，一片CPLD作為外圍控制，型號為EPM3032A ；網(wǎng)絡(luò)控制芯片為 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(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于信號輸入模塊連接速度傳感器時，裝置內(nèi)部向外供電0. ImA-O. 5mA電流，用于監(jiān)測傳感器是否工作正常。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測裝置，其特征在于所處通訊接口包括光纖通訊接口、以 太網(wǎng)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(shù)據(jù) 傳向數(shù)據(jù)中心，也和控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電機運行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，它可以接入風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、功率、效率、振動、溫度等信號，對這些信號進行調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，然后對信號進行分析與處理，最后將有用的數(shù)據(jù)上傳給中心服務(wù)器。該監(jiān)測裝置可對風(fēng)力發(fā)電機的葉片、輸入軸、齒輪箱、發(fā)電機運行健康狀態(tài)及運行效率進行實時的在線監(jiān)測。可為風(fēng)力發(fā)電機的效率分析提供完整有效的數(shù)據(jù)，為風(fēng)力發(fā)電機機械壽命預(yù)測和故障診斷提供準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者孟照輝 申請人:孟照輝