CN104019917A - 一种风电机组齿轮箱远程监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组齿轮箱远程监测装置，包括有无线多类传感器终端、嵌入式路由器及GPRS数据收发终端；其中，所述无线多类传感器终端包括有集成的声发、振动和温度的多类传感器模块、放大模块、数据采集和处理模块、以及无线数据收发模块；监测时，多个无线多类传感器终端分布在的风电机组齿轮箱的监测点上，无线多类传感器终端实时检测监测点的温度、振动和声发射数据，经无线嵌入式路由器传送给GPRS数据收发终端，并远程传送给总站的数据分析处理计算机。本发明采用数字化、模块化和无线传输技术，解决了传统的有线式监测装置的接线过长、安装复杂和维修困难等问题，克服了传统监测装置使用振动传感器单一类测量的不足。

Description

一种风电机组齿轮箱远程监测装置

技术领域

本发明属于风电机组齿轮箱监测技术领域，涉及一种风电机组齿轮箱远程监测装置。

背景技术

风力发电机组中的齿轮箱是一个非常重要的也是最昂贵的部件之一，它的主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机使其得到相应的转速。由于齿轮箱本身工作环境恶劣，故容易受到损害和出现故障；而其中的零部件如齿轮、轴、轴承等加工工艺复杂，装配精度要求高，又常常在高速度、变载荷下连续工作，故障率较高，是诱发机器故障的重要原因。据统计，齿轮箱故障占风力发电机半数以上。在线状态监测和故障诊断技术可以帮助发现风力发电机齿轮箱的初始故障，遏制重大事故，防止连带故障的发生；状态监测还有利于发现一些极端外部环境，如结冰、颤振导致的塔架共振等，从而及早采取措施，避免大故障的发生，最终极大地降低维护费用，减少停机时间。

但传统的风力发电机组齿轮箱在线状态监测装置多为有线方式，接线过长而且安装复杂，维修困难，不适合长期的风力发电现场在线监测，并且风力发电机组中的齿轮箱均在几十米高处，不适合远距离数据传输和无人值守需求，而且传统监测装置使用的传感器多为单一类的振动测量，不能完全反映出齿轮箱故障程度，并对早期故障预报无能为力。

故，为解决上述现有技术存在的缺陷，实有必要进行开发研究，以提供一种方案，以解决传统的有线式监测装置的接线过长、安装复杂和维修困难等问题，克服传统监测装置使用振动传感器单一类测量的不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种风电机组齿轮箱远程监测装置，以解决传统的有线式监测装置的接线过长、安装复杂和维修困难等问题，克服了传统监测装置使用振动传感器单一类测量的不足。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种风电机组齿轮箱远程监测装置，包括有无线多类传感器终端、嵌入式路由器及GPRS数据收发终端；其中，所述无线多类传感器终端包括有集成的声发、振动和温度的多类传感器模块、放大模块、数据采集和处理模块、以及无线数据收发模块；监测时，多个无线多类传感器终端分布在的风电机组齿轮箱的监测点上，无线多类传感器终端实时检测监测点的温度、振动和声发射数据，经无线嵌入式路由器传送给GPRS数据收发终端，并远程传送给总站的数据分析处理计算机。

进一步地，所述多类传感器模块包括有声发射传感器、温度传感器、以及振动传感器；所述放大模块包括对声发射传感器输出信号放大的第一放大器以及对温度传感器输出信号放大的第二放大器。

进一步地，所述数据采集和处理模块包括高速AD数据模块和ARM控制模块。

进一步地，所述嵌入式路由器及GPRS数据收发终端包括无线数据收发模块、ARM控制模块、数据存储模块、以及GPRS数据收发模块。

进一步地，所述声发射传感器采用微尺寸瓦楞结构的PVDF声发射传感器。

进一步地，所述温度传感器采用B型热电偶，热电偶的输出信号端接一运算放大器，直流电压信号经运算放大器放大后输出给数据采集和处理模块。

进一步地，所述数据采集和处理模块对放大后的模拟信号进行数字转换并进行数据处理，再经无线数据收发模块将处理后将数据发送出去。

进一步地，所述无线数据收发模块将各点传送的数据接收到并给ARM控制模块，ARM控制模块按照编号区别各点无线多类传感器发送来的数据，将数据保存在数据存储模块，同时将数据实时通过GPRS数据收发模块远程传送给总站的数据分析处理计算机。

相较于现有技术，本发明一种风电机组齿轮箱远程监测装置采用数字化、模块化和无线传输技术，解决了传统的有线式监测装置的接线过长、安装复杂和维修困难等问题，克服了传统监测装置使用振动传感器单一类测量的不足，具有功能齐全、监控准确、抗干扰能力强、还利用网络，便于扩展，移植性好。本发明可以应用到环境复杂的风力发电和其他工业领域中。

附图说明

图1是本发明的无线多类传感器网络总体结构示意图。

图2是本发明的单个无线多类传感器终端结构示意图。

图3是本发明的多类传感器电路原理图。

图4是本发明的无线嵌入式路由及GPRS数据收发终端结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一种风电机组齿轮箱远程监测装置包括有无线多类传感器终端、嵌入式路由器及GPRS数据收发终端；其中，无线多类传感器终端包括多类传感器模块1，放大模块2，数据采集和处理模块3和无线数据收发模块4。所述多类传感器模块1包括声发射传感器11、温度传感器12和振动传感器13；放大模块2包括给声发射传感器输出信号放大的第一放大器21和给温度传感器输出信号放大的第二放大器22，它将传感器检测到微弱信号进行放大；数据采集和处理模块3包括高速AD数据模块31和ARM控制模块32，嵌入式路由器及GPRS数据收发终端包括无线数据收发模块10，ARM控制模块20，数据存储模块30和GPRS数据收发模块40。

无线网络拓扑采用树簇形拓扑结构，提出基于果蝇优化算法最小能耗的单径路由协议的算法。本发明创作的原理如下：网络中任意节点u_i期望将单位比特的数据传送到目的节点s，中间需要经过中间需要经过v₁,v₂,…,v_m-1多个节点转发，形成路径path＝(u_i＝v₀,v₁,…,v_m-1，s＝v_m)那么数据从源节点u_i传送到目的节点s所需要消耗的能量为

$P\left(u_i\right)=P(u_i,v_i)+P(v_1,v_2)+....+P(v_{m-1},s)=\underset{j=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}P(v_j,v_{j+1})---\left(1\right)$

这样，无线传感器网络拓扑构建问题就转化成为在保证全网络连通性的前提下，尽可能去除多余的大开销链路从而最小化网络总能耗的问题，即求取P_total的最小值。为了使数据能够按照最节省能量的方式进行传输，引入果蝇优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)。从基站先应式发起广播，进而扩散到全网的方式分布式构建最小能耗的树状拓扑结构，从而能够最小化路由过程中数据传输所消耗的能量，实现了数据传输型大规模传感器网络的性能优化。

参照图1所示，风电机组齿轮箱监测装置在工作时，多个无线多类传感器终端分布在的风电机组齿轮箱重要的监测点上，无线网络的拓扑采用对等拓扑结构；无线多类传感器终端实时检测监测点的温度，振动和声发射数据，经无线嵌入式路由器传送给GPRS数据收发终端，远程传送给总站的数据分析处理计算机。

本发明实施例中，如图3所示，声发射传感器采用微尺寸瓦楞结构的PVDF声发射传感器，C2301为旁路电容，Cc为任选交流耦合电容，R2301输入电阻，声发射传感器信号输出端与AD745的管脚2相接，R2302反馈增益电阻，微弱电压信号经放大器AD745放大到0～3V电压通过管脚6输出给数据采集和处理模块3。温度传感器采用B型热电偶，热电偶的输出信号端接运算放大器AD707管脚3，直流电压信号经放大器AD707放大后通过管脚6输出给数据采集和处理模块3，R2203和C2201为低通滤波器，并采用集成LM35D对热电偶的基准节点进行补偿，此电路将0～1600℃温度变成相应的0～3V电压。振动检测采用ADXL50型带有信号调节的单片加速度传感器，改变电路中R1a，R1b等参数来设置0g频率，输出信号接ARM控制模块3-2。

数据采集和处理模块3对放大后的模拟信号进行数字转换并进行数据处理，再经无线数据收发模块4将处理后将数据发送出去。高速AD数据模块3-1采用是一种高位快速AD转换芯片ADS7890，ARM控制模块3-2采用具有高性能的内核为Cortex-M3的STM32F103芯片，由STM32F103控制AD启动和数据转换，ADS7890将转换后的数字数据传送给STM32F103，STM32F103对传输的数据进行中值数字滤波处理,然后将数据按照约定的收发协议帧格式，通过无线数据收发模块4发送出去。无线数据收发电路，无线数据收发芯片选择CC2530，无线发射频率为2.4GHz,将传送来的数据发送出去。

参照图4所示，嵌入式路由器及GPRS数据收发终端包括无线数据收发模块1，ARM控制模块2，数据存储模块3和GPRS数据收发模块4。无线数据收发模块1将各点传送的数据接收到并给ARM控制模块2，ARM控制模块2按照编号区别各点无线多类传感器发送来的数据，将数据保存在数据存储模块3，同时还将数据实时通过GPRS数据收发模块4远程传送给总站的数据分析处理计算机。数据存储模块3采用外接500G移动硬盘，便于数据移植；GPRS数据收发模块采用西门子的MC55，MC55模块TXD0口接收从STM32F103传来的数据，STM32F103的RXD口是用于接收从GPRS模块传输来的数据，在MC55的基带处理器上有一个综合SIM接口，用于连接到外部的SIM卡座。在工作时可将数据传送给远程计算机，便于对数据的处理和分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：包括有无线多类传感器终端、嵌入式路由器及GPRS数据收发终端；其中，所述无线多类传感器终端包括有集成的声发、振动和温度的多类传感器模块、放大模块、数据采集和处理模块、以及无线数据收发模块；监测时，多个无线多类传感器终端分布在的风电机组齿轮箱的监测点上，无线多类传感器终端实时检测监测点的温度、振动和声发射数据，经无线嵌入式路由器传送给GPRS数据收发终端，并远程传送给总站的数据分析处理计算机。

2.如权利要求1所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述多类传感器模块包括有声发射传感器、温度传感器、以及振动传感器；所述放大模块包括对声发射传感器输出信号放大的第一放大器以及对温度传感器输出信号放大的第二放大器。

3.如权利要求2所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述数据采集和处理模块包括高速AD数据模块和ARM控制模块。

4.如权利要求3所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述嵌入式路由器及GPRS数据收发终端包括无线数据收发模块、ARM控制模块、数据存储模块、以及GPRS数据收发模块。

5.如权利要求4所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述声发射传感器采用微尺寸瓦楞结构的PVDF声发射传感器。

6.如权利要求5所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述温度传感器采用B型热电偶，热电偶的输出信号端接一运算放大器，直流电压信号经运算放大器放大后输出给数据采集和处理模块。

7.如权利要求6所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述数据采集和处理模块对放大后的模拟信号进行数字转换并进行数据处理，再经无线数据收发模块将处理后将数据发送出去。

8.如权利要求7所述风电机组齿轮箱远程监测装置，其特征在于：所述无线数据收发模块将各点传送的数据接收到并给ARM控制模块，ARM控制模块按照编号区别各点无线多类传感器发送来的数据，将数据保存在数据存储模块，同时将数据实时通过GPRS数据收发模块远程传送给总站的数据分析处理计算机。