一種基于GSM的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

韓婧 胡蘭馨 楊靜遠(yuǎn)

【摘要】 隨著新能源的不斷發(fā)展，其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能源成為日后能源的主要來源將指日可待。風(fēng)能作為一種新型的可再生能源，已經(jīng)成為一種現(xiàn)代發(fā)電的重要形式。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組往往建設(shè)于沙漠、戈壁、草原、沿海等風(fēng)能資源豐富卻交通不便的地方，加大了維護(hù)的困難和成本。本文通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)一種基于GSM的檢測系統(tǒng)，旨在監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】 風(fēng)力發(fā)電 監(jiān)測 GSM 無線傳輸 傳感器

一、引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的入網(wǎng)率不斷提高，越來越多的風(fēng)能資源運(yùn)用到現(xiàn)在的新能源發(fā)電當(dāng)中，但因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組修建的環(huán)境惡劣、交通不便等因素，長期以來風(fēng)力發(fā)電機(jī)一直采用計(jì)劃維修與事后維修的方式。這樣的方式不能及時(shí)了解到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)的故障，因而不能使其得到及時(shí)的維修，造成重大的不必要的損失。因此設(shè)計(jì)研究一種可以及時(shí)反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)變得尤為重要。

二、設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 檢測系統(tǒng)的基本原理及組成

如下圖1所示為該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖，該系統(tǒng)的組成主要分為發(fā)送和接收兩大部分。發(fā)送的信息內(nèi)容由振動(dòng)傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、濕度傳感器等組成，利用單片機(jī)整合信息，將信息通過GSM模塊發(fā)送到接收端。接收端接收到信息后，將信息傳送到計(jì)算機(jī)，利用軟件把所得的數(shù)據(jù)保存并顯示。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障分析及檢測方法

如下圖2所示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最主要的為以下的幾個(gè)部分，葉片、輪轂、機(jī)箱、塔身。而這幾個(gè)部分都極易產(chǎn)生故障，需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

葉片是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的主要介質(zhì)，它能否正常運(yùn)行直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否正常工作，葉片在環(huán)境的影響下出現(xiàn)故障的可能性是最高的，因其尺寸較長，鑒別其是否出現(xiàn)裂痕、掉漆、斷裂等的現(xiàn)象比較困難，所以要使用設(shè)備自身的機(jī)械性能對(duì)其進(jìn)行檢測。該機(jī)械性能為物體固有頻率，固有頻率是物體做自由振動(dòng)時(shí)位移與時(shí)間按正弦規(guī)律變化的簡諧振動(dòng)，它只與物體的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量等系統(tǒng)固有特性有關(guān)，這些固有特性一旦發(fā)生變化其固有頻率也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。

輪轂連接著葉片和機(jī)艙內(nèi)的齒輪箱，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)影響葉片轉(zhuǎn)動(dòng)向齒輪箱的傳動(dòng)，繼而導(dǎo)致葉片的突然停轉(zhuǎn)或齒輪打死等現(xiàn)象，因而需要在輪轂上加載轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器對(duì)輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行檢測。

機(jī)艙中的齒輪箱同樣需要監(jiān)控，齒輪在工作中的磨損影響著發(fā)電的效率，雖然小的磨損不會(huì)及時(shí)的影響到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，但是長久以往磨損越來越嚴(yán)重就會(huì)使齒輪咬合出現(xiàn)錯(cuò)誤，同樣要想檢測到這些微小的變化要運(yùn)用其自身的特性，需檢測其自身的固有頻率。

塔身的細(xì)小裂紋和因環(huán)境造成的損傷也影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身的運(yùn)行，裂紋不斷變大、損傷不斷加強(qiáng)，加上葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組面臨倒塌的危險(xiǎn)。同樣需要檢測其自身的固有頻率，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題。

因?yàn)轱L(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等環(huán)境因素也會(huì)影響測量結(jié)果，所以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上也需要安裝相應(yīng)的傳感器以最終確定故障點(diǎn)的綜合考慮。

2.3 GSM無線傳輸技術(shù)

全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobilecommunications，GSM）是一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)之一。具有網(wǎng)絡(luò)容量大、穩(wěn)定性強(qiáng)不易受干擾、信息靈敏等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了GSM的短信功能進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)及串口通訊將各個(gè)傳感器測量的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)上保存并顯示。

本系統(tǒng)采用的GSM模塊為TC35，TC35是西門子公司的一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊，它秉承了西門子一貫的優(yōu)秀品質(zhì)，易于集成，在遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線公話以及無線POS終端等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，對(duì)該模塊具有的特點(diǎn)做如下說明：

信息傳送內(nèi)容：語音和數(shù)據(jù)

頻段：雙頻GSM900MHz和DCS1800 MHz（Phase 2+）

SIM卡連接方式：外接

天線：由天線連接器連接外部天線

工作溫度：-20℃ to +55℃

短信息：MT，MO，CB和PDU模式

模塊復(fù)位：采用AT指令或掉電復(fù)位

2.4 單片機(jī)

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)為STC系列芯片STC89C52，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。

三、實(shí)施與實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器選擇

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不同位置的監(jiān)控需要對(duì)上述的傳感器選擇如下：

振動(dòng)傳感器

型號(hào)：801S振動(dòng)傳感器

工作電壓：直流3-5V

特點(diǎn)：靈敏度可調(diào)（精調(diào)）、振動(dòng)偵測范圍寬，無方向性、體積小安裝方便。

轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器

型號(hào)：HAL3144霍爾傳感器

工作電壓：4.5-24V

利用霍爾開關(guān)電路，當(dāng)N極靠近它的印章面時(shí)，輸出低電平，當(dāng)N極撤離后輸出高電平。這樣只要旋轉(zhuǎn)到N極時(shí)就表示轉(zhuǎn)動(dòng)正常進(jìn)行。

特點(diǎn)：小巧靈活、安裝便利、價(jià)格低廉。

溫度濕度傳感器

型號(hào)：AOSONG-AM2320-數(shù)字型溫濕度傳感器

傳感器包括一個(gè)電容式的感濕元件和_個(gè)高精度測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。

特點(diǎn)：品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高

風(fēng)速傳感器

型號(hào)：WFS-1-4風(fēng)速傳感器

測量范圍：1.0～60m/s

特點(diǎn)：RS485數(shù)字輸出、安裝方便、高耐候性、高強(qiáng)度、具有很好的耐惡劣環(huán)境的適應(yīng)性

風(fēng)向傳感器

型號(hào)：TX系列風(fēng)向傳感器

測量范圍：8個(gè)方向/360度角

特點(diǎn)：外型小巧輕便，便于攜帶和組裝、殼體采用優(yōu)質(zhì)鋁合金型材，外部進(jìn)行電鍍噴塑處理，具有良好的防腐、防侵蝕等特點(diǎn)，能夠保證儀器長期使用確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 傳感器的安裝及調(diào)試

振動(dòng)傳感器需要安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每一個(gè)葉片內(nèi)部的空腔、齒輪箱、塔身中，為了達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)安裝的位置要有統(tǒng)一的規(guī)定。考慮到配重以及線路問題，測量葉片振動(dòng)的傳感器需安裝到距輪轂10-15厘米的葉片內(nèi)部；齒輪箱的振動(dòng)傳感器需要將其安裝到齒輪箱底部；塔身的振動(dòng)傳感器需要安裝到塔身的上、中、下三個(gè)位置；轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器需要套裝在輪轂上，保證對(duì)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)的監(jiān)測；風(fēng)速傳感器與風(fēng)向傳感器要加裝在機(jī)艙尾部；溫度傳感器與濕度傳感器要加裝在塔身中間。為保證信號(hào)發(fā)送的質(zhì)量減少干擾，單片機(jī)與CSM模塊需要加裝在距地面2米高的塔身內(nèi)部。

通過GSM模塊將信號(hào)發(fā)送到監(jiān)測站，由監(jiān)測站的GSM模塊將信號(hào)接收，并利用GSM與計(jì)算機(jī)的連接，將獲取到的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行保存并顯示到軟件的界面當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)各機(jī)組各部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集。與正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)出現(xiàn)超過正常偏差的機(jī)組和出現(xiàn)超正常偏差的部分進(jìn)行標(biāo)注并報(bào)警。該系統(tǒng)設(shè)定每10分鐘對(duì)各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次傳輸。

3.3 系統(tǒng)解面

如下圖3所示為該系統(tǒng)的整個(gè)界面，該界面顯示在一定的測量日期、測量時(shí)間下的機(jī)組信息。同時(shí)包含查詢、刪除、顯示當(dāng)前、顯示今天所有信息的菜單，可以對(duì)出現(xiàn)問題的機(jī)組進(jìn)行報(bào)警，并提供手動(dòng)解除報(bào)警和手動(dòng)關(guān)閉機(jī)組的選項(xiàng)。（下圖3中的數(shù)據(jù)僅代表測試系統(tǒng)正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)，不能用來作為實(shí)際數(shù)值進(jìn)行參考。）

四、效果評(píng)價(jià)

本文主要涉及領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)采集、遠(yuǎn)距離無線通信、信號(hào)監(jiān)測等領(lǐng)域。整套裝置有著方便、快捷、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障所在并報(bào)警，通過判斷故障原因進(jìn)而遠(yuǎn)程停車，這樣就能夠大大節(jié)約人力和物力資源。同時(shí)該系統(tǒng)能夠記錄所有數(shù)據(jù)從而能對(duì)每一臺(tái)機(jī)器的使用情況加以綜合判斷，由此確定每一臺(tái)機(jī)組的維護(hù)時(shí)間。

本文提到的各類傳感器的安裝位置及安裝種類對(duì)綜合判斷故障起到重要作用，能夠客觀的反應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的機(jī)械性能，以及周圍環(huán)境對(duì)它的影響，這些數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組材料、線路、朝向等有著重要意義。

五、結(jié)語

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)量的不斷增加，安裝環(huán)境的不斷多樣化，僅靠人力逐一排查故障已變得不再現(xiàn)實(shí)，不但花銷巨大而且不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置。考慮到環(huán)境的多樣性、線路安裝的復(fù)雜性、線路檢修的困難性，提出依靠無線傳輸來傳遞信號(hào)，因此依靠這種遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)變得尤為重要。

該監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單、安裝方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控，也可以根據(jù)測量的實(shí)際情況改變測量間隔，達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)有效的監(jiān)控。同時(shí)該監(jiān)測站的設(shè)立位置比較靈活，只要能夠滿足信息的正常傳輸即可。