CN201277904Y - 一种水轮发电机组无线振动监测装置 - Google Patents

一种水轮发电机组无线振动监测装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开的一种水轮发电机组无线振动监测装置，包括依次连接的振动传感器模块、信号调理电路和无线数据采集传输模块，无线数据采集传输模块与时钟模块连接，振动传感器模块、信号调理电路、无线数据采集传输模块和时钟模块分别与电源管理模块相连接。本实用新型监测装置，通过ZigBee技术构建具有采集、存储处理及发送功能为一体的无线传感器网络节点，对水轮发电机组进行实时在线同步监测，无需敷设通信电缆，系统安装调试方便，尤其适用于中小型发电厂水轮发电机组的监测。

Description

一种水轮发电机组无线振动监测装置
技术领域
本实用新型属于监测技术领域，涉及一种水轮发电机组的监测装置，具体涉及一种水轮发电机组无线振动监测装置。
背景技术
目前，社会对电力的需求日益增长，电网中承担发电、调频、调峰及事故备用的水电厂，在电力系统中的作用越来越重要。因此，保证水电机组的安全正常运行，对其状态进行监测，及时发现故障征兆，做到“事前维修”十分必要。
现有的水电机组振动监测装置，通过有线采集系统实现对水轮发电机组状态的监测。但存在以下不足：1)对于大多数水轮发电机组，一般配置使用的传感器数量较多，且分布在水轮发电机组各个工作层面，采用有线信号传输，需敷设大量电缆，对于机组大修安装评估等临时应用场合，系统组建困难，安装与拆卸工作量大，使用极为不便；2)对于拥有多台发电机组的中小型水力发电厂，一般只需在机组安装、大修后以及检修时段对机组进行振动检测，无需每台机组配置一套永久性监测系统。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种水轮发电机组无线振动监测装置，不需敷设电缆，用于临时场合或在线监测，使用方便，且适用于有多台发电机组的中小型水力发电厂。
本实用新型所采用的技术方案是，一种水轮发电机组无线振动监测装置，包括依次连接的振动传感器模块、信号调理电路和无线数据采集传输模块，无线数据采集传输模块与时钟模块连接，振动传感器模块、信号调理电路、无线数据采集传输模块和时钟模块分别与电源管理模块相连接。
本实用新型监测装置的有益效果：
1.节点结构紧凑，体积小巧，安装便捷可靠，不受导线限制，突破传统水轮发电机组振摆监测系统永久性结构模式；网络具有容错能力并且扩展性好，安装监测节点的数量可以随时增减，而且不受系统的束缚。
2.网络构建、安装、调试简易方便，允许的节点数量大、密度高，可以有效的提高监测效率；
3.网络监测节点有一定的计算能力和存储能力，装置的整体结构简单，实用性强并且总体造价低。
附图说明
图1是本实用新型监测装置一种实施例的结构示意图；
图2是本实用新型监测装置中振动传感器的电路原理图；
图3是本实用新型监测装置中信号调理电路的原理图；
图4是本实用新型监测装置中时钟模块的原理图；
图5是本实用新型监测装置中电源管理模块的结构示意图。
图中，1.振动传感器模块，2.信号调理电路，3.无线数据采集传输模块，4.电源管理模块，5.时钟模块。
其中，1-1.三轴加速度传感器，2-1.四运放集成电路，4-1.5V单输出电源管理芯片，4-2.3.3V单输出电源管理芯片，4-3.锂电池，5-1.时钟芯片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型监测装置一种实施例的结构，如图1所示。包括依次连接的振动传感器模块1、信号调理电路2和无线数据采集传输模块3，无线数据采集传输模块3与时钟模块5连接，与振动传感器模块1、信号调理电路2、无线数据采集传输模块3和时钟模块5分别与电源管理模块4相连接。
无线数据采集传输模块3包括I/O接口、微处理器和ZigBee射频前端等。
本实用新型监测装置中振动传感器模块的电路原理图，如图2所示。包括三轴加速度传感器1-1，三轴加速度传感器1-1的第1引脚至第5引脚及第19引脚至第24引脚都为未使用引脚；第6引脚GND直接接地；第7引脚VDD与电源VDD相连，旁路分别与电容C1和电容C2的一端相连接，电容C1和电容C2的另一端接地；第8引脚VoutY为Y向电压输出，旁路通过电容C3接地；第9引脚ST为内部自我测试引脚，直接接地；第10引脚VoutX为X向电压输出，旁路通过电容C4接地；第11引脚PD为电源模式选择，直接与接地；第12引脚VoutZ为Z向电压输出，旁路通过电容C5接地；第13引脚FS为满量程选择，直接接地；第14到17引脚RESERVED都为自由连接引脚，并且都直接与电源VDD相接；第18引脚RESERVED直接与大地相接。
本实用新型监测装置中信号调理电路的原理图，如图3所示。包括电阻R1，电阻R1的一端接X电压，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与四运放集成电路2-1的正相输入端连接，电阻R2与四运放集成电路2-1正相输入端的旁路通过电容C6接地，电阻R1与电阻R2的旁路与电容C7连接，电容C7还与四运放集成电路2-1的输出端相连接，四运放集成电路2-1的输出端直接与四运放集成电路2-1的反相输入端连接，四运放集成电路2-1的输出端还与无线数据采集传输模块3连接。
本实用新型监测装置中时钟模块的原理图，如图4所示。包括时钟芯片5-1，时钟芯片5-1的第1引脚为备用电源引脚，直接与大地相接；时钟芯片5-1的第2、3引脚为未用引脚；第4引脚VSS为负电源引脚，直接与大地相接；时钟芯片5-1的第5引脚SDA为I2C总线接口的数据线，直接与无线数据采集传输模块3的I/O接口P1.5相连，；时钟芯片5-1第5引脚SDA和无线数据采集传输模块3的I/O接口P1.5之间的旁路与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与正电源VDD相连接；时钟芯片5-1的第6引脚SCL为I2C总线接口的时钟线，直接与无线数据采集传输模块3的I/O接口P1.6相连，时钟芯片5-1第6引脚SCL和无线数据采集传输模块3的I/O接口P1.6之间的旁路与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与正电源VDD相接；时钟芯片5-1的第7引脚INT为时钟芯片的中断输出线，直接与无线数据采集传输模块3的I/O口P1.7相连，时钟芯片5-1第7引脚INT和无线数据采集传输模块3的I/O口P1.7之间的旁路与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与正电源VDD相接；时钟芯片5-1的第8引脚VDD与正电源VDD相接。
本实用新型监测装置中电源管理模块的结构，如图5所示。包括可充高容量锂电池4-3，锂电池4-3的正极分别与5V单输出电源管理芯片4-1的输入端、电容C8和电容C9相接，锂电池4-3的负极、电容C8、电容C9和5V单输出电源管理芯片4-1的GND引脚分别接地，5V单输出电源管理芯片4-1的输出端与3.3V单输出电源管理芯片4-2的输入端相接，5V单输出电源管理芯片4-1输出端与3.3V单输出电源管理芯片4-2输入端之间的旁路分别与电容C10和电容C11相接，电容C10和电容C11还接地；3.3V单输出电源管理芯片4-2输出端输出正电源VDD，3.3V单输出电源管理芯片4-2输出端与正电源1VDD的旁路与电容C12连接，电容C12还接地；3.3V单输出电源管理芯片4-2的GND引脚直接接地。
振动传感器模块1将水轮发电机组上机架、定子机架、下机架和顶盖产生的X、Y、Z三向振动信号转变成电压信号。采样频率范围为0～1KHZ，振动测试点可以用于水电机组上机架、下机架、定子机架、顶盖以及涡壳水压脉动。
信号调理电路2用于滤去振动传感器模块1输出的X、Y、Z三向电压信号中的100HZ以上相对高频干扰信号，并对该电压信号和无线数据采集传输模块3之间起到电阻匹配隔离作用。
无线数据采集传输模块3延用传统的CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。具有一个高性能和低功耗的8051微控制器核，128KB可编程闪存和8KB的RAM，包含14位模拟数字转换器(ADC)、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和20个可编程I/O引脚。
电源管理模块4为整个装置提供可靠的电源，为装置中各个不同工作电压的芯片提供合适的工作电源。
时钟模块5在组装前设置好实时时间和周期采样中断开始时间，通过备用电池保持所设值，通过对每个节点的周期采样中断开始时间设置一致，实现了ZigBee无线传感器网络中的各个无线振动监测装置的信号同步采集。
本实用新型监测装置的工作过程：
本实用新型监测装置所构成的ZigBee(IEEE 802.15.4协议)无线传感器网络的网路拓扑结构为星状连接结构或串状连接结构。
打开水轮发电机无线振动装置节点的底座磁力开关，使其强力粘贴在水轮发电机组的被测点上，打开电源开关，装置节点上电后由时钟模块5产生周期中断，控制无线数据采集传输模块3进入信号采集阶段，并在此时无线数据采集传输模块3读取时钟模块5的当前时间值，以此实现各个节点采样信号的同步；通过振动传感器模块1，将水轮发电机被测点的振动信号转变为电压信号，该电压信号输入信号调理电路2，信号调理电路2滤除100HZ以上相对高频干扰信号，并将其幅值调理到无线数据采集传输模块3的数字转换器ADC的采集电压范围内，经过A/D转换，转变为数字信号，并存入无线数据采集传输模块3中的8K存储器中，等待组网发送；ZigBee无线传感器网络的另一端通过由无线数据采集传输模块3组建成的网关，搭建起ZigBee无线传感器网络，接受来自各个节点的采样值及实时时钟值，并通过串口传输到PC机中，PC机对各个节点的数据根据实时时钟值进行整理存储，对相同时刻的各个节点数据先进行两次积分还原为位移信号，然后进行傅里叶变换及频谱分析，并进行相应分级报警，最后做出故障诊断，从而实现对水轮发电机组振动的无线在线监测。
本实用新型监测装置，将振动传感器模块1、信号调理电路2、无线数据采集传输模块3、电源管理模块4和时钟模块5，有机地结合起来，通过ZigBee技术构建具有采集、存储处理及发送功能为一整体的无线传感器网络节点，对水轮发电机组进行实时在线同步监测，无需敷设通信电缆，系统安装调试方便，尤其适用于中小型发电厂水轮发电机组的监测。

Claims (6)

1.一种水轮发电机组无线振动监测装置，其特征在于，包括依次连接的振动传感器模块(1)、信号调理电路(2)和无线数据采集传输模块(3)，无线数据采集传输模块(3)与时钟模块(5)连接，振动传感器模块(1)、信号调理电路(2)、无线数据采集传输模块(3)和时钟模块(5)分别与电源管理模块(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的无线数据采集传输模块(3)包括I/O接口、微处理器和ZigBee射频前端。
3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的振动传感器模块(1)，包括三轴加速度传感器(1-1)，三轴加速度传感器(1-1)的第1引脚至第5引脚及第19引脚至第24引脚为未使用引脚，第6引脚GND接地，第7引脚VDD与电源VDD相连，旁路分别与电容C1和电容C2的相连接，电容C1和电容C2还接地，第8引脚VoutY为Y向电压输出，旁路通过电容C3接地，第10引脚VoutX为X向电压输出，旁路通过电容C4接地，第12引脚VoutZ为Z向电压输出，旁路通过电容C5接地，第9引脚ST、第11引脚PD和第13引脚FS接地，第14到17引脚RESERVED都为自由连接引脚，并且都直接与电源VDD相接；第18引脚RESERVED为自由连接引脚直接与大地相接。
4.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的信号调理电路(2)，包括电阻R1，电阻R1的一端接X向电压，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与四运放集成电路2-1的正相输入端连接，电阻R2与四运放集成电路(2-1)正相输入端的旁路通过电容C6接地，电阻R1与电阻R2的旁路与电容C7连接，电容C7还与四运放集成电路(2-1)的输出端相连接，四运放集成电路(2-1)的输出端与反相输入端连接，四运放集成电路(2-1)的输出端还与无线数据采集传输模块(3)连接。
5.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的电源管理模块(4)，包括可充高容量锂电池(4-3)，可充高容量锂电池(4-3)的正极分别与5V单输出电源管理芯片(4-1)的输入端、电容C8和电容C9的相接，可充高容量锂电池(4-3)的负极、电容C8、电容C9和5V单输出电源管理芯片(4-1)的GND引脚分别接地，5V单输出电源管理芯片(4-1)的输出端与3.3V单输出电源管理芯片(4-2)的输入端相接，5V单输出电源管理芯片(4-1)输出端与3.3V单输出电源管理芯片(4-2)输入端之间的旁路分别与电容C10和电容C11相接，电容C10和电容C11还接地，3.3V单输出电源管理芯片(4-2)输出端输出正电源VDD，3.3V单输出电源管理芯片(4-2)输出端与正电源VDD的旁路与电容C12连接，电容C12还接地，3.3V单输出电源管理芯片(4-2)的GND引脚接地。
6.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的时钟模块(5)，包括时钟芯片(5-1)，时钟芯片(5-1)的第1、第4引脚VSS引脚分别接地，时钟芯片(5-1)的第5引脚SDA与CC2430模块(3)的I/O接口P1.5相连，时钟芯片(5-1)的第5引脚SDA和无线数据采集传输模块3的I/O接口P1.5之间的旁路与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与正电源VDD相连接，时钟芯片(5-1)的第6引脚SCL与无线数据采集传输模块(3)的I/O接口P1.6相连，时钟芯片(5-1)第6引脚SCL和无线数据采集传输模块3的I/O接口P1.6之间的旁路与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与正电源VDD相接，时钟芯片(5-1)的第7引脚INT与无线数据采集传输模块(3)的I/O口P1.7相连，时钟芯片(5-1)第7引脚INT和无线数据采集传输模块(3)的I/O口P1.7之间的旁路与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与正电源VDD相接；时钟芯片(5-1)的第8引脚VDD与正电源VDD相接。
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