专利名称：风力发电机运行状态在线监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机运行状态的监测领域，尤其涉及一种应用于风力发电机运 行状态在线数据采集与处理的监测装置。
背景技术：
由于国内风力发电行业起步晚、发展速度快，近几年风力发电机装机数量均以每 年近翻一翻的数量激增，但是原有的风机监测装置只能处在人工测量、监控系统测量的水 平上，无法对设备运行状态(包含设备运行健康状态、设备效率、设备寿命预测等)进行实 时在线的准确监测。目前风力发电机运行状态监测领域和市场上，也尚无在线状态监测装 置。在中国专利文献中，2009年3月25日公开的申请号为200810118822. 4，公开号为CN 101393049A，名称为“风力发电机组振动监测及故障诊断的方法”的已授权发明专利公布了 一种监测风力发电机组振动监测的方法。但现有装置并未包含对控制系统的数据交换，也 未涉及对温度、风速、转速、有功、无功等信号的监测，也未包含硬件冲击信号处理技术。
发明内容
本发明提供了一种风力发电机运行状态在线数据采集监测装置，它是一个对风力 发电机运行状态在线实时监测分析系统的一个组成部件，负责数据采集及数据处理任务， 如图1所示。实现上述发明所述监测装置的原理如图2所示。本发明公开的一种风力发电机运行状态在线监测装置，其特征在于包括直流选择 模块、交流保护/调理模块、直流保护/调理模块、交流选择模块、量程控制模块、滤波模块、 冲击信号处理模块、低频AD采集模块、高频AD采集模块、FPGA模块、CPU模块、硬件“看门 狗”模块；其中所述直流选择模块的输入和所述交流保护/调理模块的直流输出与所述直 流保护/调理模块的输出相连，所述交流选择模块的输入和所述交流保护/调理模块的交 流输出相连，所述量程控制模块的输入和所述交流选择模块的输出相连，所述滤波模块的 输入和所述量程控制模块输出相连，所述冲击信号处理模块的输入和所述量程控制模块的 输出相连，所述低频AD采集模块的输入由程序控制和所述直流选择模块或所述冲击信号 处理模块的输出相连，所述高频AD采集模块的输入由程序控制和所述滤波模块的输出或 所述冲击信号处理模块的输出相连，所述FPGA模块控制所述低频AD采集模块和所述高频 AD采集模块；所述CPU模块和所述FPGA模块相连，所述硬件“看门狗”模块和所述CPU模块 相连。所述交流保护/调理模块接收的参数是加速度传感器信号、速度传感器信号、脉 冲信号，信号输入数量可以是一个或多个，或其任意组合。所述直流保护/调理模块接收的参数是直流电压/电流信号，信号输入数量可以 是一个或多个，或其任意组合。所述交流保护/调理模块包含输入保护、交直流分离、信号放大功能。所述直流保护/调理模块包含输入保护功能。
该装置有多路信号输入端子，输入端子连接交流保护/调理模块或直流保护/调 理模块，该装置对信号进行数据采集和处理后，通过CPU模块上的通讯接口将数据发送给 中心服务器。对于输入端子连接加速度传感器时，装置内部向外供电24V/3mA，使加速度传感器 工作正常。为解决速度传感器失效性监测，信号输入模块连接速度传感器时，装置内部向外 供电0. ImA-O. 5mA，用于监测传感器是否工作正常。所述交流保护/调理模块和所述直流保护/调理模块的保护部分由气体放电管、 压敏电阻、瞬态抑制二极管及电阻组成。本发明的应用于风力发电机运行状态在线监测装置，适用于风力发电机的正常运 行状态或特殊状态的全过程实时监测，可为风力发电机的效率分析提供完整有效的数据， 为风力发电机机械寿命预测和故障诊断提供准确及时的信息。
图1是风力发电机运行状态在线实时监测分析系统图2是监测装置信号处理框图3是交流保护/调理模块电路原理图4是量程控制模块电路原理图5是滤波模块电路原理图6是6阶6KHz-60KHz带通滤波电路原理图7是绝对值电路原理图8是低通电路原理图9是峰值保持电路原理图10是有效值计算模块电路原理图11是低频AD采集模块和高频AD采集模块电路原理图
图12是硬件“看门狗”模块电路原理图13是加速度信号输入连接电路原理图14是速度信号输入连接电路原理图。
图15是直流保护/调理模块电路原理图16是冲击信号处理模块框图。
具体实施例方式现在将对本发明的典型实施例进行详细地说明。参见图2是监测装置信号处理框图，本装置的组成为直流选择模块3的输入和交 流保护/调理模块1的直流输出与直流保护/调理模块2的输出相连，交流选择模块5的 输入和交流保护/调理模块1的交流输出相连，量程控制模块10的输入和交流选择模块5 的输出相连，滤波模块6的输入和量程控制模块10输出相连，冲击信号处理模块8的输入 和量程控制模块10的输出相连，低频AD采集模块9的输入由程序控制可以和直流选择模 块3或冲击信号处理模块8的输出相连，高频AD采集模块7的输入由程序控制和滤波模块6的输出或冲击信号处理模块8的输出相连，FPGA模块12控制低频AD采集模块9和高频 AD采集模块7以及其他需要控制的模块；CPU模块13和FPGA模块12相连，硬件“看门狗” 模块11和CPU模块13相连。交流保护/调理模块1，电路原理图参见图3，加速度传感器信号、速度传感器 信号、脉冲信号的每一路输入连接一个该模块，它具有三重保护功能，分别由气体放电管 EPSIN-75、压敏电阻39ZR-10D、瞬态抑制二极管P6KE30A及相应电阻组成，由电阻/电容 组成交直流分离电路，由TL064I组成放大电路，它的输出分为交流输出部分和直流输出部 分。直流保护/调理模块2，参见图15，直流电压/电流信号的每一路输入连接一个该 模块，分别由气体放电管EPSIN-75、压敏电阻39ZR-10D、瞬态抑制二极管P6KE30A及相应电 阻组成。直流选择模块3，由FPGA模块控制选择，它由1片ADG426BRS组成一个16选1的
多路复用器；交流选择模块5由FPGA模块控制选择，它由1片ADG426BRS组成一个16选1的
多路复用器。量程控制模块10如图4所示，由FPGA模块连接ADG426BRS的第1、2、17脚，控制 选择可将量程变换为4倍、1倍、1/4倍、1/16倍。滤波模块6如图5所示，FPGA模块连接TLC04的第2脚及ADG428BR的第1、2、17 脚，滤波具有不滤波、lKHz低通、跟踪低通滤波三个程序控制的选项；冲击信号处理模块8框图如16所示，它采用脉冲冲击的包络解调法实现对一 种冲击振动的监测，它利用加速度传感器的共振区对特殊信号的放大效应，利用6阶 6KHz-60KHz带通滤波模块A如图6所示，提取加速度传感器的共振区振动信号作为冲击信 号，绝对值模块B如图7所示，其输入和带通滤波模块A的输出相连，低通滤波模块C如图8 所示，其输入和绝对值模块B的输出相连，低通模块C的输出连接到低频AD采集模块9和 高频AD采集模块7，作为它们的一个输入。峰值保持模块D如图9所示，其输入和绝对值模 块B的输相连，峰值保持模块D的输出连接到低频AD采集模块9和高频AD采集模块7，作 为它们的一个输入。有效值计算模块E使用AD536，它的输入和带通滤波模块A的输相连， 有效值计算模块E如图10所示，采用AD635ASD芯片进行有效值转换，其输出连接到低频AD 采集模块9和高频AD采集模块7，作为它们的一个输入。低频AD采集模块9采用LTC1416IWG芯片，如图11所示，输入可以和直流选择模 块3或冲击信号处理模块8的输出相连。高频AD采集模块7也采用LTC1416IWG芯片，原理图如图11所示，其原理图和低 频AD采集模块相同，其输入和滤波模块6的输出或冲击信号处理模块8的输出相连。CPU模块13，CPU采用低功耗ARM9系列EP9302，两片FLASH作为程序存储器，型号 为JS28F128 ；两片SDRAM作为数据存储器，型号为HY57V561620CLT。一片CPLD作为外围控 制，型号为EPM3032A ；网络控制芯片为KS8721BI ；FPGA模块12采用ALTERA的EP2C20F484I芯片，如前面所述，和多个模块相连；硬件“看门狗”模块11，它由⑶4060为核心组成，通过RC时间常数为2秒，使用 ⑶4060的第3脚作为“看门狗”输出连接到CPU模块，如图12所示。
加速度信号输入连接如图13所示，通过3K欧姆/0. 5W电阻向传感器供电。速度传感器信号接口特殊处理如图14所示，通过一电阻向速度传感器供电，图14 所示为向传感器供电约0. 2mA。上述内容已经说明了本监测装置实施方法，但本领域的普通技术人员对装置输入 信号类型、输入信号数量及其组合做出变化，以及在此基础上做出各种形式和细节上的变 更都将被包含在本发明中。
权利要求
1.一种风力发电机运行状态在线监测装置，其特征在于包括直流选择模块(3)、交流 保护/调理模块(1)、直流保护/调理模块(2)、交流选择模块(5)、量程控制模块(10)、滤 波模块(6)、冲击信号处理模块(8)、低频AD采集模块(9)、高频AD采集模块(7)、FPGA模块 (12)、CPU模块(13)、硬件“看门狗”模块(11)，其中所述直流选择模块(3)的输入和所述交 流保护/调理模块(1)的直流输出与所述直流保护/调理模块(2)的输出相连，所述交流 选择模块(5)的输入和所述交流保护/调理模块(1)的交流输出相连，所述量程控制模块 (10)的输入和所述交流选择模块(5)的输出相连，所述滤波模块(6)的输入和所述量程控 制模块(10)输出相连，所述冲击信号处理模块(8)的输入和所述量程控制模块(10)的输 出相连，所述低频AD采集模块(9)的输入由程序控制和所述直流选择模块(3)或所述冲击 信号处理模块(8)的输出相连，所述高频AD采集模块(7)的输入由程序控制和所述滤波模 块(6)或所述冲击信号处理模块⑶的输出相连，所述FPGA模块(12)控制所述低频AD采 集模块(9)和所述高频AD采集模块(7)，所述CPU模块(13)和所述FPGA模块(12)相连， 所述硬件“看门狗”模块(11)和所述CPU模块(13)相连；所述交流保护/调理模块(1)接收的参数是加速度传感器信号、速度传感器信号、脉冲 信号，信号输入数量可以是一个或多个，或其任意组合；所述直流保护/调理模块(2)接收的参数是直流电压/电流信号，信号输入数量可以 是一个或多个，或其任意组合。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于每台监测装置均有唯一的身份识别序 列号，该序列号可被监测装置软件读出。
3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述的交流保护/调理模块(1)和直 流保护/调理模块(2)的保护部分由气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管及电阻组成。
4.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述滤波模块(6)具有不滤波、IKHz 低通滤波、跟踪低通滤波三个FPGA控制的选项。
5.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述冲击信号处理模块(8)具有三个 输出，该模块利用加速度传感器的共振区对特殊信号的放大效应，利用6阶6KHz-60KHz带 通滤波模块(A)，提取加速度传感器的共振区振动信号作为冲击信号，绝对值模块(B)的输 入和带通滤波模块(A)的输出相连，低通滤波模块(C)的输入和通过绝对值模块(B)的输 出相连，低通模块(C)的输出做为冲击信号处理模块⑶的一个输出，峰值保持模块⑶的 输入和通过绝对值模块(B)的输相连，峰值保持模块(D)的输出做为冲击信号处理模块(8) 的一个输出，有效值计算模块(E)的输入和带通滤波模块(A)的输相连，有效值计算模块 (E)的输出做为冲击信号处理模块(8)的一个输出。
6.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述FPGA模块(12)，采用ALTERA的 EP2C20F484I芯片，FPGA的配置方式由CPU板配置FPGA的运行程序。
7.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所述CPU模块(13)中的CPU采用 ARM9系列EP9302，两片FLASH作为程序存储器，型号为JS28F128 ；两片SDRAM作为数据存 储器，型号为HY57V561620VLT，一片CPLD作为外围控制，型号为EPM3032A ；网络控制芯片为 KS8721BI ；CPU板是一个单独模块通过连接器和FPGA所在电路板连接，也可以和其他电路 同在一块电路板上。
8.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于信号输入模块连接速度传感器时，装置内部向外供电0. ImA-O. 5mA电流，用于监测传感器是否工作正常。
9.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于所处通讯接口包括光纤通讯接口、以 太网通讯接口、RS485通讯接口、RS232通讯接口，接口类型是一个或多个，通讯接口将数据 传向数据中心，也和控制系统进行数据交换。
全文摘要
本发明公开了一种风力发电机运行状态在线监测装置，它可以接入风速、转速、功率、效率、振动、温度等信号，对这些信号进行调理和数据采集，然后对信号进行分析与处理，最后将有用的数据上传给中心服务器。该监测装置可对风力发电机的叶片、输入轴、齿轮箱、发电机运行健康状态及运行效率进行实时的在线监测。可为风力发电机的效率分析提供完整有效的数据，为风力发电机机械寿命预测和故障诊断提供准确及时的信息。
文档编号G01M15/00GK101995336SQ200910162730
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者孟照辉 申请人:孟照辉