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1、毕业设计（论文） 题 目 风电机组在线监测系统 硬件设计 专 业 班 级 学 号 学 生 指导教师 2015 年摘 要近年，随着世界对新能源的快速发展，风力发电技术已经成为当前风能利用的主要技术之一。然而，由于风力发电机组常年运行在恶劣的环境中，其内部的轴承、齿轮箱、发电机等经常出现故障，为此我们引进了在线监测技术，以便于监测风电机组的运行状态，及早的发现风电机组的故障，减少经济损失。针对目前的在线监测技术来说，大量的数据信息需要可靠的快速的采集并加以处理，但是目前许多数据采集系统依然不能够达到这些要求，其中往往存在许许多多的问题，如系统过于庞大，可靠性低等等。基于ARM处理器的嵌入式数据采集
2、系统具有低功耗、体积小、采集速度快、价格低廉等特点。本文在对风电机组常见故障的分析基础上，着重研究了以主轴承、齿轮箱、发电机的振动信号为采集对象的基于ARM处理器的嵌入式数据采集系统。该系统包含了五个振动传感器和两个温度传感器、信号调理电路和A/D转换电路。在设计完采集系统后对系统做了调试实验，验证了采集系统的快速性和可靠性。关键词：在线监测；风电机组；齿轮箱；数据采集；ARMHardware Design Of On-line Monitoring System For Wind TurbineABSTRACTIn recent years,with the rapid developmen
3、t of new energy in the world，Wind power generation technology has become one of the main technology of wind energy utilization.However, due to the wind turbine year-round operation in harsh environment, the internal bearing, gear box and generator often fails. For this reason, we introduce the onlin
4、e monitoring technology to monitoring the operation of wind turbine and discovery of wind turbine fault in time, reduce the economic loss.In view of the current on line monitoring technology, a large amount of data requires reliable rapid acquisition and processing, but at present many of the data a
5、cquisition system is still not able to meet these requirements, of which there are many, many problems, such as the system is too large, low reliability, and so on.The embedded data acquisition system based on ARM processor has the features of low power consumption, small size, fast acquisition spee
6、d, low price, etc. The on the base of the analysis on the common faults of wind turbine, focuses on the main bearings, gearbox and generator of vibration signal for the collection of objects based on the arm processor embedded data acquisition system. The system contains five vibration sensors and t
7、wo temperature sensor, signal conditioning circuit and A/D converter circuit. After the design of the system, the debugging experiment is done to verify the rapidity and reliability of the system.KEY WORDS：on-line monitoring; wind turbine; gearbox; data acquisition; ARMIII目 录第一章 绪论11.1选题的目的及意义11.2 状
8、态监测在国内外的发展现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状31.2.3 存在的问题4第二章 风电机组结构及常见故障62.1 风电机组结构及其工作原理62.1.1风电机组分类62.1.2 风电机组结构82.1.3 风电机组工作原理102.2风电机组常见故障112.2.1 主轴承组成及常见故障112.2.2 齿轮箱组成及常见故障122.2.3 联轴器构成及常见故障142.2.4 发电机构成及常见故障152.3 本章小结15第三章 风电机组数据采集系统关键技术与部件173.1 数据采集系统173.1.1 数据采集简介173.1.2 数据采集系统基本组成183.1.3 数据采集原理1
9、93.2 测点的确定与传感器的选取223.2.1 监测点的确定223.2.2 传感器的选取243.3 ARM芯片的选取263.3.1 ARM嵌入式系统特点263.3.2 处理器的选取273.4 A/D转换芯片的选取293.4.1 A/D转换芯片的选型原则293.4.2 A/D芯片的选取303.5 本章小结31第四章 采集系统电路设计334.1 信号调理电路的设计334.1.1 概述334.1.2 信号调理电路344.2 A/D转换电路354.2.1 A/D转换电路的设计354.2.2 AD芯片时序设计374.3 A/D与ARM接口394.5 本章小结39第五章 采集系统的调试405.1 准确性
10、实验405.2 线性度实验415.3 对比分析43第六章 结论与展望44致 谢46参考文献47第1章 绪论1.1选题的目的及意义当前，由于世界经济的快速发展，全球能源供应紧张，环境问题日益突出。有介于此，人类不得不寻找可再生的清洁能源。风能具有储存量大，分布广泛，清洁无污染的特点，非常符合目前形势的需求1。风力发电技术作为利用风能的重要途径之一得到了飞速发展，现在已逐渐趋于成熟化。然而由于风力发电本身条件的限制，风电机组大多安装在人烟稀少等自然环境很恶劣的地方，常年经受极端条件的影响，随着运行时间的延长，这些机组陆续会出现一些故障，比如发电机、齿轮箱、叶片以及控制系统等发生故障，从而导致设备停
11、机，造成严重的经济损失23。可是近年我国新增的风力发电机组装机容量正在不断增加，机械结构也越来越复杂，部件间的相互联系也更加紧密，如果其中某一部件出现故障，可能会导致整个机组停机2。为了避免经济的损失，我们需要提高机组运行的可靠性，预防故障，提前发现机组的异常，时刻了解机组的运行状态，把握它的发展趋势。为此，我们需要利用先进的状态监测手段，来了解风电机组的运行状态与趋势。从而分析形成的或正在形成的故障，以此来避免由于故障而产生的损失4。我国风电产业发展迅速，发电技术越来越趋于成熟化，但是在线监测系统的发展却非常滞后，不能满足我国风电市场的需求，对风电厂的效率产生了严重的影响5。所以，随着我国风
12、电产业的迅速发展，在线监测系统的研究有着重要的现实意义。为了解决上述问题，应该着重研究精确数据采集系统，用于为在线监测系统提供可靠的数据来源。由于风电机组运行环境的要求，数据采系统一定要具有快速性，可靠性，体积小以及低成本的特点，为此本课设便围绕着以ARM为核心的数据采集系统来展开研究。1.2 状态监测在国内外的发展现状 状态监测技术其主要对设备易发生故障区域进行监测，得到监测的数据，然后将数据传输到后台，由后台对所得到的数据进行处理和分析，对数据处理和分析的过程也称为故障诊断技术。故障诊断与状态监测是一个整体。状态监测最初是由于航天、军事工业的需求而发展起来的，它起源于20世纪60年代后期美
13、国是研究在线监测技术最早的国家，欧洲和日本随后也认识到了状态监测技术的重要性，积极投入开发。目前对风电机组监测的主要对象有：风电机组的主轴轴承，齒轮箱轴承，齿轮箱和发电机前后轴承等6。1.2.1 国外发展现状目前，随着世界对信息技术和计算机技术的不断的发展以及风电技术的不断开拓，国外风机监控技术的研究与应用已逐渐趋于成熟，并建立了较为全面的监测分析系统78。如美国的Palomar公司所生产的8000系列的机器监测与保护系统(Palomar Series 8000 Machincry Monitoring System)，它是一种较为典型的状态监测系统。其中，8000系列主要应用在冶金、电力、机
14、械、化工等行业，它是一种可行性很高的多功能仪表，主要由转速、振动、偏心、轴向位移、热膨胀、油箱油位、阀位这些检测仪组成。丹麦B&K公司所开发的3560型产品，它是一个具有PULSE多通道的分析系统，这个系统能够提供几乎所有旋转型机械的全自动综合预测性和综合性监测，也可以基于过程参数和振动参数的组来诊断各种轴系的不平衡以及齿轮箱和轴承的故障9。丹麦Vestas (维斯塔斯)公司是世界上具有代表性的风电公司，该公司开发了名为VestasOnline监控系统，这个监控系统主要功能有：1、对风场进行实时的无功、有功功率控制；2、对气象仪表、风机以及变电站进行控制与监测；3、用图表或文本来提供风电场的性
15、能报告；4、提供生产率报告、综合报告；计算其可利用率；5、浏览风机的实时数据，其中包含风机的运行状态、风力状态、电力状态等；6、平均每隔10分钟会生成一次数据报告，这些数据报告包括标准偏差值、最大值、最小值、平均值等；7、可以提供高级功率的曲线报告，这些报告包括多台风机的离散曲线、参考和风能分布曲线、功率曲线；8、可以实现远程控制一台风机或多台风机10。1.2.2 国内发展现状我国的在线监测技术起步较晚，初期大多引进国外的监测系统，自己开发的监测系统则相对较少。但由于国外监测系统价格高昂，所以自80年代中后期，我国有关的研究院，高校及企业都对监测系统进行了研究。截止目前我国在理论研究、测试技术、仪器研制等方面，都取得了很大成果，并开发出了各种性能可靠的旋转机械状态监测系统11。国内比较著名的状态监测系统有：明阳风电做的EN3600风电机组在线监测系统，其系
