风电机组机舱环境监测控制系统设计

丁薇，刘政，徐朝阳，于建明，刘乔

（江苏电子信息职业学院,江苏淮安,223005）

0 引言

风力发电机组是风电场的关键设备，在风电机组上应用振动监测技术，定期监测风电机组的振动信号并结合风电机组的温度等参数可以实现预知维修，实现维修体制的转变。采用预知维修和故障诊断技术可以延长机组连续运行的周期;做到对机组的状态心中有数,从而针对不同的机组采取不同的措施。这样可以大大减少盲目维修及突发性事故停机时间、延长机组的使用寿命。通过对风力发电机组的运行状态进行实时监测，能够及时发现机组运行过程中存在的故障隐患，及时采取有效的处理措施，避免对风电机组造成严重危害。这对于提高风力发电机组运行可靠性[1]，促进风力发电行业健康发展具有重大的现实意义。

1 机舱环境监测系统设计要求及系统总体结构

1.1 机舱环境监测系统总体设计要求

本项目的任务是设计一个机舱环境监测系统，能实现温度信号的采集、振动信号的采集、数据的显示和报警等功能[2]，最终监测的实时数据采用显示屏显示。查找资料已知，风力发电机运行常温型环境温度范围为-20℃——+45℃，舱内齿轮箱温度一般不得高于80℃，主轴承温度不得高于70℃。我们采用的DS18B20的工作范围为-55℃——125℃。振动传感器通过LM393数字化处理后，数据直接传送至单片机。当机舱内实测数据高于所设定的机器正常工作数据上限时，应发出报警(红灯亮且蜂鸣器响)，等待操作人员前来检查；当机舱内实测数据处于机器正常工作数据时，保持绿灯亮且蜂鸣器不响；当机舱内实测数据低于所设定的数据下限时，应发出报警(黄灯亮且蜂鸣器响)。

1.2 机舱环境监测系统总体结构

图1 为机舱环境监测系统总体结构框架图。

图1 系统总体结构框架图

2 机舱环境监测系统硬件设计

2.1 主控模块设计

本模块是以AT89C51单片机作为主控核心。AT89C51是低功耗，高性能CMOS 8位单片机，它集成了Flash程序存储器，既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程，在通用8位微处理器单片芯片中，属于功能强大、低价位的一款，可灵活应用于各种控制领域。

想要AT89C51单片机芯片能够动起来，这里就涉及到单片机的最小硬件系统[3]。其包含电源、振荡电路、复位电路。下单片机最小系统硬件图如图2所示。

图2 单片机最小系统硬件图

2.2 温度监测模块设计

能够把不同检测对象的温度的变化转换为电量（电压、电流或阻抗）变化的器件称为温度传感器。本项目我们选用的测温传感器为DS18B20温度传感器。它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。其主要特点为采用单总线的接口方式。与单片机连接时仅需要一条线即可实现单片机与传感器的双向通讯。

其优点为：它是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。

2.3 振动监测模块设计

振动传感器是用于检测冲击力或者加速度的传感器，通常使用的是加上应力就会产生电荷的压电器件，也有采用别的材料和方法可以进行检测的传感器。振动传感器可用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测。

本项目我们选用的是振动传感器电测方法：将工程振动的变化量转换成电信号，经线路放大后显示和记录（这里我们选用LM393放大电路）。它是先将机械振动量转化成电量，然后对其进行测量，这是目前应用得最广泛的震动测量方法。

其优点为：数据可直接传送至单片机，稳定高效。

以下为振动监测模块电路仿真图，如图3所示。

图3 振动监测模块仿真图

2.4 通信模块设计

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复[4]。

RS-485是一个多引出线接口，这个接口可以有多个驱动器和接收器，最长的传输距离为1200m,适合远距离的传输。最高传输速率可达10Mbit/s，而且只用普通双绞线即可，同一对双绞线上可以挂接多至256个以上的终端。完全能够实现一台PC机和多台单片机下位机之间的串行通信。因此该系统采用RS-485通信接口，实现单片机和基地控制中心的连接。不仅成本低，性能稳定，而且功能灵活，使用简单。

3 结束语

本文论述了风电机组机舱环境监测系统的设计，总结如下：（1）本系统综合利用温度监测技术，振动监测技术和报警及显示技术，开发了一套可以及时监测机组机舱内工作环境参数变化的系统。（2）系统软硬件设计合理，其中单片机软件采用模块化的程序设计方法，各模块相互独立，提高了系统的可靠性和可扩展性，整个系统具有较高的性能价格比。（3）系统软件采用C语言编程，程序结构清晰，显示数据准确、快捷，操作者在监控室内就可获得监测结果，安全高效。（4）系统功能独立，配置合理。有利于提高风电机组运行安全性与可靠性。（5）经模拟运行验证，系统具有响应速度快，操作简便，稳定可靠等特点。