基于Arduino的风机转速信号模拟装置设计

基于 Arduino的风机转速信号模拟装置设计

刘士银

东营市齐鲁物贸有限公司 山东东营 257000

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，同时传统能源的使用带来的气候变化也逐渐威胁到人类自身的生存与发展。风力发电机组控制系统是整个风力发电机组的大脑，是机组安全可靠运行和实现最佳运行的保证。风电机组维护是风电企业的重要组成工作，如何通过风机定检和反事故措施落实确保风机的安全运行是每个风电企业生产管理者需要重点思考的问题。在风力发电系统中旋转设备较多，针对旋转设备的速度反馈主要采用接近式传感器和增量式编码器，如变桨与偏航系统的电机转速反馈、转子轴的转速反馈、发电机轴端速度反馈、滑环处的转速反馈等。在对风电机组检修或故障维修时，需要采集旋转部件的转速来对风机设备机器控制系统进行测试，但根据《风力发电厂运行规程》、《风机检修维护管理规定》，“风电机组维护检修时，必须使风电机组处于停机状态”，因此在对风机停机检修时，所有设备均处于停止状态，无法直接读取旋转部件速度信号。

关键词：ArduinoUNO；风机转速；薄片式电感；信号模拟

引言

随着经济和科技水平的快速发展，对于目前煤矿企业普遍采用的煤矿地面用防爆抽出式（对旋）轴流式通风机（FBCDZ系列风机）的转速时就显得无所适从。目前在我国汽车行业已经出现通过振动信号和虚拟仪器对发动机瞬时转速进行测量的研究理论，通过分析、比较发动机和风机的运转原理，将这个理论推广到煤矿主要通风机上。

1风机风轮转速信号采集工作原理

通过采集接近式传感器的输出信号频率作为判断风机是否超速的依据。当VOG模块在单位时间内接收到的信号频率超过设置的保护值时，串联在安全链上的继电器断开，触发风机急停保护装置，避免风机因为超速发生安全事故。电感式接近开关是一种利用电涡流效应感知物体的传感器，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。利用这一原理，以高频振荡器中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，从而达到检测目的。电感式接近开关采用轴向安装，风机的风轮锁定盘上均匀开有24个孔，当风机工作时，锁定盘扫过电感式接近开关，当非开孔位置位于接近开关前端时，由于金属材料内产生的涡流效应，电感式接近开关LC振荡器振荡减弱，而当开孔位置位于接近开关前端时，LC振荡器振荡频率不变。当非开孔位置与开孔位置依次转过接近开关前端时，接近开关输出端输出经过变换处理后的二进制开关信号，VOG控制器通过计算二进制开关信号的频率从而计算出风机转速。

2风机转速信号模拟装置设计对策

2.1利用振动信号和虚拟仪器测试煤矿主通风机

利用振动测试的方法只需要在风机上安装1个振动传感器，就可以获得风机的振动信号，振动信号反映了风机风叶周期性运转产生的振动。因此采集到的信号通过频谱分析计算得出转速，此方法适用于工况转速测试，能够完美解决由于风机电机和传动轴内置而测量不到转速的问题。

2.2原因排查

(1)通过对几次故障进行历史数据分析，没有出现突然大幅下降的趋势和现象；从2003年底检修时对调节模块的各项检查和测试结果来看，模块件工作正常、运行稳定。因此，可以排除调节功能模块故障。(2)如果在执行机构工作中出现调节指令信号值大于引风机耦合器行程位置反馈信号值，伺服比较单元则会驱使执行器电机带动引风机耦合器向行程位置变大的方向动作；反之，当出现调节指令信号值小于位置反馈信号值，伺服比较单元则会驱使执行器电机带动引风机耦合器向行程位置减小的方向动作。所以，如果出现引风机耦合器行程位置反馈信号变化异常至最大，或一直保持当前值不变且大于TXP-FUM280送来的调节指令信号值时，也会出现电动执行机构驱动引风机耦合器行程突降的故障现象。而通过对几次故障发生时DCS系统的历史数据分析看出，引风机耦合器行程位置反馈信号值相对稳定，且随着调节指令的变化而正常动作，无上述情况发生。

2.3软件结构和功能

该试验系统的软件基于Windows环境，采用LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台。LabWindows/CVI是美国国家仪器公司所提供的一套卓越的开发平台，它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来，它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了C语言的功能，并且其独有的人机交互界面编程器，运用“所见即所得”的可视化交互技术，使人机界面的实现直观简便。本系统软件采用结构化程序设计方法，其主要功能模块包括风机基本参数设置、采集与控制设置、主控台、数据处理、试验报告、历史查询、试验现场、帮助等。各模块功能简介如下：①风机基本参数设置：此模块供用户输入试验风机的型号及环境参数。②采集与控制设置：此模块主要包括采集与控制信号的通道、速率、上下限及采集方式的设置。③主控台：以形象化的控件形式向试验人员提供试验操作面板。主要包括电源开关、试验开关、试验工况的选择、风机转速的选择及压差信号、静压信号、转速信号、扭矩信号的实时数字显示和波形显示。④数据处理：此模块包括各采集信号的查看、及性能参数如流量、效率、功率、全压的图形及数字显示，另外包括应用最小二乘法拟合风机性能曲线，其拟合阶数可自由选择。⑤试验报告：包括表格式风机试验报告及图形式风机性能曲线的显示、保存、打印等。

2.4振动信号的分析与处理

ＤＳＰ接收来自前端信号采集模块的振动加速度信号、转速信号，经过计算得到振动信号的幅值、频率及频域特性．振动信号从通过采集模块进入ＤＳＰ开始，将按以下步骤进行分析和计算：（１）数据类型转换：将由采样模块得到的２４位定点数描述的振动信号转换为３２位浮点数格式以备进一步处理；（２）数字滤波：根据可选的截止频率对所采集的振动信号进行低通或高通滤波，也可选择根据振动频率进行带通滤波，滤波器采用１０阶巴特沃斯数字滤波器；（３）同步重采样：根据转速信号对振动信号进行同步重采样，使每个振动周期的采样点数相同，经过同步重采样后进行快速Ｆｏｕｒｉｅｒ变换得到的振动信号的频谱清晰，不会产生频谱泄露问题；（４）快速Ｆｏｕｒｉｅｒ变换：对经过以上预处理过程后的振动信号进行ＦＦＴ，得到其频谱图，用于观察基频及各次谐波振动分量。（５）在对信号分析计算之后，相应的分析结果和原始信号将被发送到系统后端。

结语

风机故障诊断系统的信号分析模块。通过触摸屏改变转速时，接近式传感器输出信号频率与风机旋转时接近式传感器所发出的信号频率一致。测试结果表明，所设计的风机转速模拟装置可有效实现在风机停机状态下模拟风机转动时对接近式传感器的激励，实现风机停机状态下产生转速模拟信号。该装置目前已在大唐集团多个风场投入使用，应用效果良好，有效提高了风机停机检修时的工作效率。

参考文献：

[1]丛智慧，李冰.基于STM32的风机超速保护系统检测装置[J].工业控制计算机，2017，30（1）：37-39.

[2]国家能源局.风力发电场运行规程[S].合肥工业大学电子科学与应用物理学院：能源行业风电标准化技术委员会，2020.

[3]林勇.风力发电机组超速保护的探讨[J].电子制作，2018（22）：214+200.