段成憲

摘 要：風(fēng)能是現(xiàn)階段應(yīng)用較多的清潔能源，具有安全、可再生等特點，風(fēng)力發(fā)電機是風(fēng)電轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，但風(fēng)機運行過程中受到慣性力、空氣動力等因素的影響，可能會出現(xiàn)各種故障，因此，通過風(fēng)機葉片的故障預(yù)測分析風(fēng)機的運行狀況十分的重要，文章就風(fēng)機葉片的故障預(yù)測振動方法進(jìn)行簡單的討論研究。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機葉片；故障預(yù)測；檢測原理；風(fēng)機故障預(yù)測系統(tǒng)

風(fēng)機振動很容易導(dǎo)致風(fēng)機出現(xiàn)故障，有關(guān)統(tǒng)計分析表明，風(fēng)機運行過程中，由于振動導(dǎo)致的風(fēng)機故障是各類故障中比例最高的一種，實際的故障預(yù)測之中，風(fēng)力發(fā)電機的振動檢測就十分有必要，文章構(gòu)建一種風(fēng)機葉片振動檢測網(wǎng)絡(luò)模型，開發(fā)一套新的振動監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測風(fēng)機葉片的早期故障，希望能夠盡可能避免風(fēng)機故障。

1 檢測原理

風(fēng)機設(shè)備出現(xiàn)故障之后，故障信息主要通過風(fēng)力發(fā)電機的振動信號傳遞出來，系統(tǒng)運行過程中，利用對應(yīng)的設(shè)備檢測振動信號，分析信號中攜帶的數(shù)據(jù)信息，能夠評估及預(yù)測設(shè)備的健康狀況，風(fēng)力發(fā)電廠故障預(yù)測及設(shè)備維修的重要依據(jù)就是風(fēng)機的實時運行狀況。風(fēng)機葉片的加速度利用加速度傳感器即可測量，該參數(shù)可以反映風(fēng)機葉片振動的劇烈程度，速度的大小通過微積分可以得出，風(fēng)機葉片振動的快慢通過速度反映，繼續(xù)對速度進(jìn)行積分可以得到風(fēng)機葉片的振動位移，進(jìn)而得出葉片的振動幅度。以此為基礎(chǔ)可以構(gòu)建一個基于三軸加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測振動信息的故障預(yù)測模型，如圖1所示：

圖中A、B、C分別表示的是風(fēng)機的三個葉片，，每個葉片上均勻的配置有5個加速度傳感器，分別標(biāo)號1～5，能夠檢測出葉片上不同位置上的點三維方向上的加速度值，利用該模型能夠分解、變換、提取加速度信號，得出每個葉片在工作時的空間振動模態(tài)，同時也能夠用來對比三個葉片相同位置上的物理量，分析整個風(fēng)機葉片系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。在這個過程中，基于數(shù)字信號處理器的風(fēng)機故障預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計十分的重要。

2 風(fēng)機故障預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計方法

2.1 系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計

（1）傳感器模塊。傳感器模塊中三軸加速度傳感器的選擇十分重要，實際的設(shè)計選擇過程中要保證該傳感器能夠準(zhǔn)確的測出x、y、z三軸方向的振動加速度值。Freescale公司的MMA7260Q三軸加速度傳感器能夠較好的實現(xiàn)這一目的，本次設(shè)計中選用這一型號的傳感器，風(fēng)機塔架的振動信號選擇的是低頻信號，利用外部電容可以限定傳感器的輸出寬帶，進(jìn)而實現(xiàn)降低噪音，提高分辨率的目的。實際的測量工作中，振動帶寬、噪聲以及噪聲峰值分別為10Hz、1.9mg、1.2g。

（2）CPU模塊。實際的測量分析過程中，需要實現(xiàn)15路加速度傳感器模擬了的高精度A/D轉(zhuǎn)換，對CPU模塊的要求比較高，因此選用內(nèi)置有12位A/D的TMS320F2812 處理器芯片，該CPU具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，運行的速度較高，能夠滿足實際的應(yīng)用需求。但由于實際的采樣過程中，采樣信號中雜波較多，為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精確度，需要對振動信號進(jìn)行IIR數(shù)據(jù)處理。

（3）信號調(diào)理模塊。低通濾波單元是模擬信號處理通道的關(guān)鍵部分，對提取的特征頻段信號的質(zhì)量有著較大的影響，具體的設(shè)計工作中，濾波器的階數(shù)應(yīng)設(shè)計的相對高一些，確保阻帶衰減率較高，因此本次設(shè)計中選擇了8階的低通巴特沃茲濾波器，該濾波器的通帶響應(yīng)教平，可以用于對信號進(jìn)行抗混疊濾波處理。

（4）存儲器模塊。系統(tǒng)使用過程中需要及時的保存故障發(fā)生時系統(tǒng)的各種重要的參數(shù)信息，比如風(fēng)機葉片振動的頻率、幅度、傳感器的編號等等，為工作人員的故障分析、評估、查詢等打好基礎(chǔ)，因此傳感器模塊的設(shè)計十分的重要，本次設(shè)計工作中選擇FM24C16 存儲芯片，通過I2C方式方式將芯片與TMS320F2812連接起來。

（5）電源模塊。本次系統(tǒng)設(shè)計中，選擇的電源為24V直流電源?？刂菩酒枰獑为毨?.3v直流電源進(jìn)行供電，該3.3v直流電源通過開關(guān)穩(wěn)壓器件能夠獲得，信號調(diào)理電路中運算放大器采用 5V電源進(jìn)行供電，電源通過兩個線性穩(wěn)壓器件可以分別獲得。

（6）通信模塊。通信模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)控中心與檢測網(wǎng)絡(luò)之間的正常通信，實際的設(shè)計工作中，通信電路可以選用 TI 公司接口芯片75LBC184進(jìn)行設(shè)計，波特率設(shè)計為19200bit/s，能夠保證系統(tǒng)的通信功能良好，可以滿足實際的通信需要。

（7）繼電器驅(qū)動電路。如果系統(tǒng)使用時檢測到風(fēng)機的轉(zhuǎn)速及振動幅度超過了報警閾值，為了保證風(fēng)機的安全性，需要及時通過繼電器將風(fēng)機與供電網(wǎng)絡(luò)斷開，切斷供電回路，避免高頻諧波滲入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，因此繼電器的選擇十分重要，本次設(shè)計工作中選用的是歐姆龍公司的G6B型繼電器，實際的使用過程中，線圈正常通電時，繼電器閉合，反之，繼電器斷開。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計流程如圖2所示，程序存儲器的參數(shù)初始值設(shè)置對于整個系統(tǒng)有著重要的意義，具體來說需要進(jìn)行初始值設(shè)置的參數(shù)主要有濾波器類型選擇、帶通濾波器的高低通截止頻率等幾個，這一部分工作主要通過軟件部分完成。實際的運行過程中，即使系統(tǒng)掉電，這些參數(shù)信息也不能丟失，并要保證系統(tǒng)再次啟動之后，這些數(shù)據(jù)信息會自動恢復(fù)為之前設(shè)定的數(shù)值。因此，軟件程序設(shè)計時需要將這些數(shù)據(jù)細(xì)信息保存在CPU處理器內(nèi)置的E2PROM之中。此外，軟件編寫時需要重點關(guān)注系統(tǒng)通信方式規(guī)約、模擬及數(shù)字信號的采集標(biāo)定等問題，從各個方面保證整個軟件部分的可靠性、安全性、高效性。

設(shè)計完成之后可以選擇一個風(fēng)機對該故障預(yù)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗，實踐檢驗表明，該系統(tǒng)能夠較好的檢測及監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機的振動信號，且系統(tǒng)運行時比較穩(wěn)定，可以應(yīng)用于風(fēng)機的故障預(yù)測工作之中。

3 結(jié)束語

本次研究中基于三軸加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計了一個風(fēng)機故障預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)測風(fēng)機葉片的振動情況，利用該系統(tǒng)能夠提取分析出風(fēng)機葉片發(fā)生機械振動時低頻域?qū)︼L(fēng)機破壞性最大的特征，在此基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的軸承振動檢測的方法進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用效果較好。

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