基于ARM的风机振动检测系统设计

摘要：该文针对目前国内风电场所采用的国外风力发电机振动检测系统的缺点，设计了一套基于ARM平台的新的检测系统。该系统可以检测机器的早期故障，避免机器的严重损坏和高昂的维修费用，减少停机时间和生产的损失，达到计划维修和改善设备可靠性的目的，提高了设备的可靠性，降低了维修成本。

关键词：ARM11开发板；数据采集卡；传感器；信号调理模块

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)21-5174-02

ARM-based Design of Wind Turbine Vibration Monitoring System

LIU Quan-liang, LUO Zhang-hai

(Wind Energy Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830000, China)

Abstract: This paper places the use of domestic wind power wind turbine vibration of the foreign inspection system shortcomings, design a set of ARM-based platform for new detection system. The system can detect machine failures early and avoid serious damage to the ma? chine and high maintenance costs, reduce downtime and production loss, maintenance and improvement plan to achieve the purpose of equipment reliability, improve equipment reliability, reduce maintenance costs.

Key words: ARM11 development board; data acquisition cards; sensors; signal conditioning modules

在风电场风力发电机是最主要的设备[1]，也是最核心的设备，它的运行是否正常将直接影响着风力发电厂的产能，当风机的运转发生异常时，将会损坏风力发电机的零部件，甚至会将整个风力发电机都损坏。现代化工业生产，一旦因故障停机，损失都十分巨大[2]，为了保证风机的正常运转，对风机的运转情况进行实时监控检测是十分必要的。但是风电场的自然环境十分的恶劣，也十分的复杂，可能影响风机正常运转的因素很多，这给风机运转状态的检测带来很大的麻烦。目前在国内使用的风机实时监测设备绝大多数都是从国外进口的，这些检测设备一般都是采用Profibus协议来构建监控系统，但是该协议结构比较麻烦，不利于监控设备与上位机之间的通讯。为了规避上述问题，我们提出了一个新的基于ARM的新的解决方案。

1硬件概述

1.1 ARM开发板

本次设计采用的是广州友善之臂的ARM11开发板，此开发板采用三星S3C6410作为主处理器，设计精简紧凑，而且布局合理，接口丰富，十分适用于开发MID、汽车消费电子、工业控制系统、导航系统、媒体播放等终端设备[3]。Mini6410支持的通讯方式也非常广泛，原始开发板自带有RS232串口，并可以开展为RS485串口；该开发板除了支持传统的以太网通讯以外，还支持WiFi无线通讯，这使得检测设备与上位机的通信十分的方便。另外开发板上带有USB接口，大容量SD卡接口，可以方便与传感器，数据采集卡，信号调理模块之间的数据传输。

1.2传感器

风力发电机振动监测系统主要是对风机的齿轮箱和轴承的振动情况进行检测，同时还需要其他的一些物理量的检测。所以传感器主要是加速度传感器和其他一些需要参考的物理量传感器构成。根据风机的振动检测的特殊性，ICP型加速度传感器选取如下：

线性：≤1%；横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%；输出偏压：8-12VDC；恒定电流：2-20mA，典型值：4mA；输出阻抗：＜150Ω；激励电压：18-30VDC典型值：24VDC；温度范围：-40～+120℃；放电时间常数：≥0.2秒；安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)。

1.3信号调理模块

模拟信号调理模块主要完成对ICP加速度传感器的激励，传感器输出信号的转换，放大和抗混滤波，最后输出信号到数据采集卡。信号调理模块选型为北京康泰电子CAM3508调理模块，其性能如下：

4通道为一个插片单元。

输入：ICP感器，0/4-20mA电流,0－±10V AC或DC。

程控增益：每通道独立的程控放大器，提供低增益1、2、4、8，或高增益1、10、100、1000。

耦合形式：程控选择AC或DC耦合，AC耦合时。

滤波功能：抗混滤波，每通道独立8阶可编程抗混滤波器，截止频率精度高达0.1%，范围从1.5259Hz到10kHz有32736种可选。1.2倍截止频率的衰减率高达－58dB，滤波器1/4截止频率内平坦度可达±0.01dB。

传感器激励源：每通道独立的4mA恒流源，可直接接入ICP加速度传感器；对于电压、高速应变、压力、扭矩、配有电荷放大器的加速度传感器信号等，可程控取消激励源。

通过RS-232口与计算机通讯，可在实验过程中随时进行参数设置与修改，包括恒流源、增益、截止频率等设置，并可进行参数状态查询。

开关信号的调理模块，主要是完成输入5－30V开关（频率）信号光电隔离，然后处理为TTL信号送到数据采集卡。

1.4高速并行USB数据采集卡

USB高速同步AD数据采集板卡，主要完成对多个模拟信号的同步AD转换，同过USB总线传输给ARM开发板；同时完成多路逻辑信号、频率信号采集和开关信号输出。数据采集卡的难点在同步，和高速数据传输，经过多次查找和对比。

2系统特点及组成

2.1系统特点

通过以上对我们的风机振动检测现场数采单元硬件的描述，我们可以看出本系统具有以下的特点：

调理板卡单元多种信号宽范围接入方式，能适应各种工业现场应，方便灵活。

并行AD采样模式方便方便模拟通道的扩展。

并行AD采样模式，保证了信号采集的同步性，为研究同一时刻风机各种工况对风机的影响提供了保证。

模块化的整机结构，方便生产、测试、维护、升级，有良好的扩展性和经济性。

高性能PC/104工业计算机系统，可进行长期的状态监测，并按预定周期进行振动数据采集和处理，多通道并行采集，可对风机进行周期性，变速或非连续的数据采集和复杂的本地处理。

与上位机通讯方式灵活多样。

提供了与风机控制系统预留接口。

大容量的CF卡记录能记录更多的历史数据，可有效的保证数据的完整性。系统可具备远程升级能力，为设备的升级提供了极大的方便。

2.2系统组成

风机振动监测系统现场数据采集单元的设计采样用模块化结构，整个平台基于ARM11嵌入式开发板，加以USB高速同步AD数据采集板、信号调理模块、传感器构成。ARM11开发板是系统的核心，主要完成数据处理存储，条件判断，远程数据通讯，远程升级，本地人机交互等功能。USB高速同步AD数据采集板，主要完成对多个模拟信号的同步AD转换，同过USB总线传输给ARM11开发板；同时完成多路逻辑信号、频率信号采集和开关信号输出。信号调理模块主要完成对ICP传感器的驱动、增益控制、程控滤波，将各种信号调理到USB数据采集卡能接受处理的范围。开关信号的调理主要完成对信号的光电隔离。

整机机箱采用类似于IN仪器机箱的4U插片式嵌入式机箱。模块化系统的结构，可以根据测试对象的多少，添减信号调理模块和AD通道，构成不同通道的测试系统。同时，模块化的系统构成，使系统具有很好的扩展性和经济性，只要选用不同的信号调理模块，即可完成应变、温度、转速、位移等多种信号的采集，构成不同的测试系统。

3结束语

风机振动检测系统的研究开发，将给国内风力发电厂的各型风机的震动检测提供了一个很好的平台，也将给风机的日常维护带来巨大的经济效益和便利。同时也给其他行业的振动检测系统的研发提供了一个可供参考的设计思路。

参考文献：

[1]邱扩伟,谢扩军.基于DSP的风力发电机振动检测系统研究[J].仪器仪表用户,2010(4).

[2]吴今培,肖建华.智能故障诊断与专家系统[M].北京：科学出版社,1997.

[3] Mini6410用户手册[Z].广州友善之臂公司,2010.