CN104581058B

CN104581058B - 一种风机信号采集器

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Publication number: CN104581058B
Application number: CN201410817831.8A
Authority: CN
Inventors: 齐咏生; 王玥; 陈爱国; 李永亭; 王林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: CN104581058A

Abstract

本发明公开了一种风机信号采集器，它包括传感器信号调理模块、信号采集处理模块和数据通信传输模块；传感器信号调理模块送出的模拟信号与音频、视频信号，送到信号采集处理模块，被转换为数字信息，并做预处理，然后经由数据通信传输模块传输到控制中心供进一步分析处理和故障处理。本信号采集器将风机传动链部分的振动信号、转速信号、温度信号以16位ADC多通道进行同步采集，并通过以太网和GPRS进行传输，提高了采集精度的同时提升了数据传输的实时性，还增加音频采集、视频监控功能，为上位机进行数据分析、噪声分析、状态监测与故障诊断提供了坚实的基础。

Description

一种风机信号采集器

技术领域：

本发明涉及的是一种风机信号采集器。

背景技术：

近年来，风电产业发展迅猛，伴随风机单机容量和机舱体积逐渐增大，轮毂也随之增高，风机面临的挑战也日益增加，很容易发生多种机械故障或电气故障，需经常性维修。

风力发电机组长期以来一直采用计划维修的方式，即一般风力机运行2500h或5000h后进行例行维护。这种维修方式不仅对风电场检测人员的劳动量消耗比较大，效率较低，危险性高，对检测人员的职业技术有比较高的要求，而且无法全面及时的了解设备的运行状况；对出现的故障不能及时发现故障并进行维修，这样造成检修的成本升高。而事后维修会造成巨大的直接和间接经济损失。因此，预知性维修被提上日程。

目前应用的风场监测系统主要是综合利用对风电设备振动、温度、转速等状态信号进行检测分析。但风力发电机的故障种类和类型多种多样，仅凭振动、温度、转速等信号并不能对风电设备健康状态进行有效地检测和准确地识别，并且现有风力发电机故障监测系统的检测指标和检测精度反映状态能力有限，不能满足故障监测的要求，很难做到故障预测，远没有达到客户要求。

本发明主要应用于风力发电机组的状态监测和故障诊断系统。风力发电机组的状态监测和故障诊断系统主要是针对兆瓦级的风电机组的，由于风力发电机的状态监测和故障诊断系统开发较晚，从总体上来说，无论从理论上还是实际工程应用上，风力发电机组状态监测和故障诊断系统还处于初级阶段，效率不高。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风机信号采集器。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种风机信号采集器，它包括传感器信号调理模块、信号采集处理模块和数据通信传输模块；

传感器信号调理模块：作用是将振动、温度、转速传感器信号通过隔离、滤波、放大步骤转换成适合ADC采集的合适信号；

信号采集处理模块：包括以STM32F407IG16为CPU的最小系统电路、16位ADC转换电路、音频采集电路、视频采集电路；信号采集处理模块的作用是将振动、温度、转速、音频、视频模拟信号采集并转换为数字信号，供CPU选择存储或传输之用；

数据通信传输模块：包括以太网传输电路，GPRS通讯电路；数据通信传输模块是振动、温度、转速、音频、视频经信号采集处理模块采集回来的数字信号与控制中心或维护人员的通信渠道，选择以太网通信或GPRS通信方式。

工作时，传感器信号调理模块送出的模拟信号与音频、视频信号，送到信号采集处理模块，被转换为数字信息，并做预处理，然后经由数据通信传输模块传输到控制中心供进一步分析处理和故障处理。

进一步的，所述传感器信号调理模块主要包含：振动信号调理电路、温度信号调理电路、转速信号调理电路；

振动信号调理电路中，振动信号采集传感器选用内装IC的压电加速度传感器，接口为BNC插座；采用正电压稳压器为核心的4mA恒流源对内装IC的压电加速度传感器供电，电源线与信号线复用，即电源线就是信号传输线；采用运算放大器做电压跟随器，对内装IC的压电加速度传感器的输出信号起到隔离与稳定的作用；内装IC的压电加速度传感器的输出电压要大于ADC的输入电压上限，选用仪用放大器对振动传感器的输出电压做缩放处理；用低通滤波器对1KHz特定频率段内的振动信号选取；

转速信号调理电路中，采用接近开关做转速信号采集的目标传感器，采用一只三极管，将接近开关的输出线与三极管基极连接，将ADC输入端和+3.3V与三极管集电极并联，对接近开关的输出电压幅值调节以使其适合CPU的输入电压上限；

温度信号调理电路中，温度信号采集传感器选用四线制热电阻传感器，采用恒流源式测温电路；用正电压稳压器产生1mA恒流源，电流流过热电阻时产生压降，通过运算放大器将此微弱压降信号放大10倍，输出适合ADC采集的电压信号。

进一步的，所述信号采集处理模块包含：以STM32F407IG16为CPU的最小系统电路，振动、温度、转速信号的16位ADC转换处理电路，音频、视频采集电路；

(1)CPU最小系统电路

CPU选择STM32F407IG16芯片，采用7重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器，支持程序执行和数据传输并行处理，最高1MB片上闪存，192KBSRAM，复位电路，内部RC振荡器、PLL锁相环、误差低于1秒低于1μA的实时时钟；在待机或电池备用模式下，4KB备份SRAM数据被保存；

外设：相机接口、加密/哈希硬件处理器、支持IEEE 1588v2协议，10/100M以太网接口、2个USB OTG，其中1个支持高速模式)；

音频：音频专用锁相环和2个全双工I2S；

最多15个通信接口(包括6个10.5Mbit/s的USART、3个42Mbit/s的SPI、3个I2C、2个CAN、1个SDIO)；

(2)ADC转换处理电路

采用采样精度为16位或16位以上，采样速率为100KSPS以上的多通道ADC；

(3)音频、视频采集电路

选用音频处理芯片采集处理声音信号；音频处理芯片集成了立体声麦克风差分前置放大器、扬声器和耳机驱动器、差分或者立体声线路输出驱动器；音频处理芯片与STM42F407IG16的I²S接口连接，风机信号采集器可同时进行录音、放音处理；

选用CMOS图像传感器作为视频采集设备，通过SCCB总线控制；所有图像处理功能通过SCCB接口编程；CMOS图像传感器与STM32F407IG16的I²C接口连接进行对CMOS的功能配置，CMOS图像传感器与STM32F407IG16的DCMI接口连接进行视频数据流的传送。

进一步的，所述数据通信传输模块包含：以太网传输电路和GPRS通讯电路；采用集成网络变压器HR911105A的RJ45网络接口，带2个LED指示灯。DM9161AEP芯片与STM32F407IG16的以太网接口连接进行收发数据；GPRS通讯电路选用MG323模块。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本信号采集器将风机传动链部分的振动信号、转速信号、温度信号以16位ADC多通道进行同步采集，并通过以太网和GPRS进行传输，提高了采集精度的同时提升了数据传输的实时性，还增加音频采集、视频监控功能，为上位机进行数据分析、噪声分析、状态监测与故障诊断提供了坚实的基础。

附图说明：

图1为本发明组成结构示意图。

图2为风机信号采集器工作原理图。

图3为振动信号调理电路工作原理图。

图4为主轴转速测量电路工作原理图。

图5为温度测量电路工作原理。

图6为音频信号采集原理图。

图7为视频信号采集原理图。

具体实施方式：

图1为本发明组成结构示意图。本发明的一种风机信号采集器，分为三部分：传感器信号调理模块、信号采集处理模块、数据通信传输模块。在传感器信号调理模块中进行传感器信号的预处理，在信号采集处理模块中进行传感器信号的采集和音频、视频信号的采集，通过数据通信传输模块对风机信号采集器中的数字信号与监控中心进行数据通信。

进一步的，所述传感器信号调理模块：主要包含振动信号调理电路、温度信号调理电路、转速信号调理电路。

振动信号调理电路中，振动信号采集传感器选用内装IC的压电加速度传感器，接口为BNC插座；采用正电压稳压器为核心的4mA恒流源对内装IC的压电加速度传感器供电，电源线与信号线复用，即电源线就是信号传输线；采用运算放大器做电压跟随器，对内装IC的压电加速度传感器的输出信号起到隔离与稳定的作用；；内装IC的压电加速度传感器的输出电压要大于ADC的输入电压上限，选用仪用放大器对振动传感器的输出电压做缩放处理；用低通滤波器对1KHz特定频率段内的振动信号选取；

进一步的，所述信号采集处理模块包含：以STM32F407IG16为CPU的最小系统电路；振动、温度、转速信号的16位ADC转换处理电路；音频、视频采集电路；

(2)CPU最小系统电路

CPU选择意法半导体公司生产的STM32F407IG16芯片，采用7重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器，支持程序执行和数据传输并行处理，最高1MB片上闪存，192KBSRAM，复位电路，内部RC振荡器、PLL锁相环、误差低于1秒低于1μA的实时时钟；在待机或电池备用模式下，4KB备份SRAM数据被保存。

外设：相机接口、加密/哈希硬件处理器、支持IEEE1588v2协议，10/100M以太网接口、2个USB OTG，其中1个支持高速模式)；

音频：音频专用锁相环和2个全双工I2S；

(2)ADC转换处理电路

采用采样精度为16位或16位以上，采样速率为100KSPS以上的多通道ADC。

(3)音频、视频采集电路

选用音频处理芯片采集处理声音信号。音频处理芯片集成了立体声麦克风差分前置放大器、扬声器和耳机驱动器、差分或者立体声线路输出驱动器。音频处理芯片与STM42F407IG16的I²S接口连接，风机信号采集器可同时进行录音、放音处理；

选用CMOS图像传感器作为视频采集设备，通过SCCB总线控制。所有图像处理功能都可以通过SCCB接口编程。CMOS图像传感器与STM32F407IG16的I²C接口连接进行对CMOS的功能配置，CMOS图像传感器与STM32F407IG16的DCMI接口连接进行视频数据流的传送。

图2为风机信号采集器工作原理图。本风机信号采集器可以采集振动、温度、转速、音频、视频信号。传感器信号调电路将振动、温度、转速的模拟信号经过信号调理转换为适合ADC采集的信号，之后ADC将这些模拟信号转换为数字信号。STM32控制板可以将振动、温度、转速经ADC转换后的数字信号同音频、视频信号在STM32控制板存储和与监控中心通信。传输方式可以选择以太网和GPRS两种通信方式，以满足复杂多变的现场环境需求。

图3为振动信号调理电路工作原理图。振动信号的采集通过内装IC的压电加速度传感器采集，而传感器正常工作需要4mA恒流源供电，采用正电压稳压器U6做恒流源部分的设计。为了减小振动信号的损耗和隔离后级放大电路对振动信号的干扰，需要利用运算放大器U3进行电压跟随器的设计。因使用恒流源的缘故，内装IC压电加速度传感器的输出电压叠加10V左右的直流偏置电压，此输出信号并不能直接被A/D采集，用仪用放大器U1对输出电压做缩放和调零的调节处理，并且用低通滤波器U4对电压调节之后的振动信号做低通滤波处理，以滤除其包含的干扰和噪声。振动信号调理电路输出信号进入16位ADC转换电路八个采集通道之一。

图4为主轴转速测量电路工作原理图。主轴转速测量的方法有很多，如使用光电转速传感器、数字测速的测频法、数字测速的测周法，由于主轴转速较慢，经比较使用数字测速的测周法效果最好。选用转速传感器(接近开关)获取转速信号，但是接近开关转速传感器输出的开关量高低电平分别是是+24V和0V不能直接作为STM32的输入信号源，需用三极管Q1将电压调节为+3.3V和0V。STM32控制板以GPIO口(ZS)与转速传感器的电压调节电路连接，通过统计高电平或低电平达到统计转速的效果。

图5为温度测量电路工作原理。本发明选用热电阻温度传感器作为温度采集的目标传感器，通过测量热电阻产生的压降来测量温度的变化。并且考虑到减少测量误差的因素，采用四线制恒流源测量法，此时，热电阻上的压降仅和自身的电阻值变化有关，这里选用运算放大器U40作为1mA恒流源对热电阻温度传感器供电。风机系统所需测量温度的测量范围为-50℃至200℃，热电阻的电阻变化范围为80.4Ω至175.86Ω，经计算得出热电阻输出电压为80.4mV-175.86mV，输出电压信号很小，用运算放大器U43对输出电压放大处理。为了提高采样值的精度，需要对放大后的电压信号经过一阶RC低通滤波处理其包含的高次谐波或其他干扰、噪声。并用稳压二极管D2做稳压处理。STM32控制板以CPU片内ADC引脚(WD1)与温度测量电路输出信号相连接。

图6为音频信号采集原理图。音频处理芯片，具有立体声耳机驱动输出和扬声器驱动输出。CPU和音频处理芯片之间通过SPI和I²S接口连接。

SPI接口用于配置音频处理芯片的工作状态(音量、外放和耳机切换、均衡控制等)。

I²S接口用于传输音频数据流。

图7视频信号采集原理图。CMOS图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。

I²C接口用于配置CMOS工作状态(图像格式、输出尺寸、图像质量等)。

DCIM接口用于传输视频数据流。

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

1.一种风机信号采集器，其特征在于，包括：传感器信号调理模块、信号采集处理模块和数据通信传输模块、传感器信号调理模块：将信号采集模块得到的振动、温度、转速、音频、视频传感器信号依次经过隔离、滤波、放大模块，将上述采集信号进行同步转换的并行ADC采集模块；

信号采集处理模块：包括以STM32F407IG16为CPU的最小系统电路、16位ADC转换电路、音频采集电路、视频采集电路，信号采集处理模块用于将振动、温度、转速、音频、视频的模拟信号采集并转换为数字信号，供CPU选择存储或传输之用；

数据通信传输模块：包括以太网传输电路，GPRS通讯电路，传输过程中可以选择以太网和GPRS两种通信方式，以满足复杂多变的现场环境需求，数据通信传输模块是振动、温度、转速、音频、视频信号采集处理模块采集回来的数字信号与控制中心或维护人员的通信渠道，可以选择上述以太网通信或GPRS两种通信方式；

工作时，传感器信号调理模块送出的模拟信号与音频、视频信号送到信号采集处理模块，将其被转换为数字信息，并做预处理，然后经由数据通信传输模块传输到控制中心供进一步分析处理和故障处理；

该风机信号采集器依托以下电路设计实现，电路中包含：以STM32F407IG16为CPU的最小系统电路，其中只包含一个处理器；振动、温度、转速信号的16位并行ADC转换处理电路，音频、视频采集电路；振动信号调理电路、温度信号调理电路、转速信号调理电路、温度测量电路、振动信号测量电路、主轴转速信号测量电路、以及以太网传输电路和GPRS通讯电路；

其中，振动信号调理电路中，振动信号采集传感器选用内装IC的压电加速度传感器，接口为BNC插座；采用正电压稳压器为核心的4mA恒流源对内装IC的压电加速度传感器供电，电源线与信号线复用，即电源线就是信号传输线；采用运算放大器做电压跟随器，对内装IC的压电加速度传感器的输出信号起到隔离与稳定的作用；内装IC的压电加速度传感器的输出电压要大于ADC的输入电压上限，选用仪用放大器对振动传感器的输出电压做缩放处理；用低通滤波器对1KHz特定频率段内的振动信号选取；

温度信号调理电路中，温度信号采集传感器选用四线制热电阻传感器，采用恒流源式测温电路；用正电压稳压器产生1mA恒流源，电流流过热电阻时产生压降，通过运算放大器将此微弱压降信号放大10倍，输出适合ADC采集的电压信号；

主轴转速测量电路中，用转速传感器获取转速信号，用三极管Q1进行电压调节，通过统计高电平或低电平达到统计转速的效果；

温度测量电路中，用热电阻温度传感器作为温度采集的目标传感器，采用四线制恒流源测量法，用运算放大器U40作为1mA恒流源对热电阻温度传感器供电，通过运算放大器U43对输出电压放大处理，并对放大后的电压信号经过一阶RC低通滤波处理其包含的高次谐波或其他干扰、噪声，并用稳压二极管D2做稳压处理。

2.如权利要求1所述的一种风机信号采集器，其特征在于，所述所述信号采集处理模块包含：以STM32F407IG16为CPU的最小系统电路，振动、温度、转速信号的16位ADC转换处理电路，音频、视频采集电路；

1)CPU最小系统电路，CPU选择STM32F407IG16芯片，采用7重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器，支持程序执行和数据传输并行处理，最高1MB片上闪存，192KBSRAM，复位电路，内部RC振荡器、PLL锁相环、误差低于1秒低于1μA的实时时钟；在待机或电池备用模式下，4KB备份SRAM数据被保存；外设：相机接口、加密/哈希硬件处理器、支持IEEE 1588v2协议，10/100M以太网接口、2个USB OTG，其中1个支持高速模式；音频：音频专用锁相环和2个全双工I2S；最多15个通信接口，包括6个10.5Mbit/s的USART、3个42Mbit/s的SPI、3个I2C、2个CAN、1个SDIO；

2)ADC转换处理电路，采用采样精度为16位或16位以上，采样速率为100KSPS以上的多通道ADC；

3)音频、视频采集电路，选用音频处理芯片采集处理声音信号；音频处理芯片集成了立体声麦克风差分前置放大器、扬声器和耳机驱动器、差分或者立体声线路输出驱动器；音频处理芯片与STM42F407IG16的I²S接口连接，风机信号采集器可同时进行录音、放音处理；选用CMOS图像传感器作为视频采集设备，通过SCCB总线控制；所有图像处理功能都可以通过SCCB接口编程；CMOS图像传感器与STM32F407IG16的I²C接口连接进行对CMOS的功能配置，CMOS图像传感器与STM32F407IG16的DCMI接口连接进行视频数据流的传送。

3.如权利要求1所述的一种风机信号采集器，其特征在于，所述数据通信传输模块包含：以太网传输电路和GPRS通讯电路；采用集成网络变压器HR911105A的RJ45网络接口，带2个LED指示灯；DM9161AEP芯片与STM32F407IG16的以太网接口连接进行收发数据；GPRS通讯电路选用MG323模块。