基于Arduino的風(fēng)機轉(zhuǎn)速信號模擬裝置設(shè)計

方建文，賴永林，胡仁濤，李 冰

（1.大唐云南發(fā)電有限公司新能源分公司，云南 昆明 650000；2.華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定 071000）

隨著石油、天然氣及煤炭等可開采量日益衰減，其價格也在不斷攀升，同時傳統(tǒng)能源的使用帶來的氣候變化也逐漸威脅到人類自身的生存與發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機組的大腦，是機組安全可靠運行和實現(xiàn)最佳運行的保證。風(fēng)電機組維護是風(fēng)電企業(yè)的重要組成工作，如何通過風(fēng)機定檢和反事故措施落實確保風(fēng)機的安全運行是每個風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)管理者需要重點思考的問題。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)設(shè)備較多，針對旋轉(zhuǎn)設(shè)備的速度反饋主要采用接近式傳感器和增量式編碼器[1]，如變槳與偏航系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速反饋、轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速反饋、發(fā)電機軸端速度反饋、滑環(huán)處的轉(zhuǎn)速反饋等。在對風(fēng)電機組檢修或故障維修時，需要采集旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速來對風(fēng)機設(shè)備機器控制系統(tǒng)進行測試，但根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電廠運行規(guī)程》[2]、《風(fēng)機檢修維護管理規(guī)定》，“風(fēng)電機組維護檢修時，必須使風(fēng)電機組處于停機狀態(tài)”，因此在對風(fēng)機停機檢修時，所有設(shè)備均處于停止?fàn)顟B(tài)，無法直接讀取旋轉(zhuǎn)部件速度信號。

本文通過對風(fēng)電機組速度反饋傳感器工作原理進行分析，設(shè)計了基于Arduino單片機的風(fēng)機轉(zhuǎn)速模擬裝置，利用單片機定時器設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)生脈沖輸出信號，通過薄板式電感產(chǎn)生渦流信號激勵接近式傳感器工作，通過串口觸摸屏實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)風(fēng)電機組在停機狀態(tài)下輸出風(fēng)機旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速信號的模擬。

1 風(fēng)機風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號采集工作原理

本文以維斯塔斯V80-1800風(fēng)機風(fēng)輪超速保護系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號采集為例。V80-1800風(fēng)機超速保護系統(tǒng)采用一個VOG（Vestas Overspeed Guard，VOG）模塊，通過采集接近式傳感器的輸出信號頻率作為判斷風(fēng)機是否超速的依據(jù)。當(dāng)VOG模塊在單位時間內(nèi)接收到的信號頻率超過設(shè)置的保護值時，串聯(lián)在安全鏈上的繼電器斷開，觸發(fā)風(fēng)機急停保護裝置，避免風(fēng)機因為超速發(fā)生安全事故[3]。維斯塔斯超速保護系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 維斯塔斯超速保護系統(tǒng)原理圖

V80-1800風(fēng)機的VOG傳感器采用的是瑞士Carlo Gavazzi公司生產(chǎn)的型號為EI3010 PP電感式接近開關(guān)，可以在不與目標(biāo)物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標(biāo)物。EI3010 PP電感式接近開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電感式接近開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電感式接近開關(guān)是一種利用電渦流效應(yīng)感知物體的傳感器，當(dāng)金屬物體處于一個交變的磁場中，在金屬內(nèi)部會產(chǎn)生交變的電渦流，該渦流又會反作用于產(chǎn)生它的磁場這樣一種物理效應(yīng)。利用這一原理，以高頻振蕩器中的電感線圈作為檢測元件，當(dāng)被測金屬物體接近電感線圈時產(chǎn)生了渦流效應(yīng)，引起振蕩器振幅或頻率的變化，從而達(dá)到檢測目的。電感式接近開關(guān)采用軸向安裝，風(fēng)機的風(fēng)輪鎖定盤上均勻開有24個孔，當(dāng)風(fēng)機工作時，鎖定盤掃過電感式接近開關(guān)，當(dāng)非開孔位置位于接近開關(guān)前端時，由于金屬材料內(nèi)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)，電感式接近開關(guān)LC振蕩器振蕩減弱，而當(dāng)開孔位置位于接近開關(guān)前端時，LC振蕩器振蕩頻率不變。當(dāng)非開孔位置與開孔位置依次轉(zhuǎn)過接近開關(guān)前端時，接近開關(guān)輸出端輸出經(jīng)過變換處理后的二進制開關(guān)信號，VOG控制器通過計算二進制開關(guān)信號的頻率從而計算出風(fēng)機轉(zhuǎn)速。電感式接近開關(guān)進行風(fēng)機速度檢測時安裝位置如圖3所示。

圖3 電感式接近開關(guān)安裝位置圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)機轉(zhuǎn)速信號模擬裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)機轉(zhuǎn)速信號模擬裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用Arduino UNO作為控制主板，Arduino UNO是基于ATmega328P的Arduino開發(fā)板[4]。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個可用于PWM輸出）、6個模擬輸入引腳，1個16MHz的晶體振蕩器，1個USB接口，ATmega328有32KB Flash存儲空間（其中0.5KB被用于存儲bootloader），2KB的SRAM和1KB的EEPROM，可通過Arduino IDE對Arduino UNO編程，具有良好的拓展性，可實現(xiàn)各種不同應(yīng)用的二次開發(fā)。

EEPROM采用24C02器件用于存放本次所選擇風(fēng)機型號并作為下次開機時的默認(rèn)風(fēng)機型號。由于風(fēng)場大部分風(fēng)機型號相同，因此每次檢測時風(fēng)機型號如與上次檢測相同，則不必每次都重新進行風(fēng)機型號選擇，減少工作人員操作的工作量。

電子開關(guān)采用CD4052差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，其具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。用于接收單片機發(fā)來的脈沖控制信號為薄片型PCB電感提供激勵電流。

由于接近式傳感器與風(fēng)輪轉(zhuǎn)盤之間間隙很小，因此設(shè)計了薄片型PCB電感接收電子開關(guān)控制信號，產(chǎn)生脈沖渦流模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時對轉(zhuǎn)速傳感器的激勵。薄片型PCB電感采用印刷電路板雙面螺旋設(shè)計，中間通過通孔相連。薄片型PCB電感周圍設(shè)置了7個微型柱狀磁鐵，用于進行檢測時吸附在轉(zhuǎn)盤表面。如圖5所示。

圖5 薄片型PCB電感

串口觸摸屏采用廣州大彩光電科技有限公司F系列4.3寸電容觸摸屏，分辨率為800*480，具有65K色、16位RGB，內(nèi)置矢量字體、邊緣抗鋸齒處理，支持JPEG、PNG（半透/全透）壓縮，支持任意大小圖片存儲，通信方式為RS232/TTL電平，擁有按鈕、文本、下拉菜單、進度條、滑塊、儀表、動畫、二維碼、曲線、數(shù)據(jù)記錄等各種組態(tài)控件，內(nèi)置虛擬數(shù)字、字符鍵盤，支持中英文輸入法，易于開發(fā)與應(yīng)用。系統(tǒng)部分界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)界面（部分）

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 脈沖信號產(chǎn)生設(shè)計

通過利用Arduino單片機的定時器中斷，實現(xiàn)控制IO端口輸出不同頻率的脈沖信號。Arduino UNO接收串口觸摸屏送來的不同轉(zhuǎn)速參數(shù)計算中斷時長并對定時器初始值進行設(shè)置，在不同的中斷服務(wù)周期控制IO端口輸出相應(yīng)的電平信號，IO端口控制電子開關(guān)的通斷實現(xiàn)薄片型PCB電感輸出轉(zhuǎn)速渦流信號[3]。

Arduino UNO有三個定時器，本文采用Timer1定時器實現(xiàn)模擬正交脈沖信號頻率的控制，Timer1為16位定時器，最大計數(shù)器值65535。Arduino UNO時鐘以16MHz運行，計數(shù)器的一個刻度值表示1/16，000，000秒（~63ns），當(dāng)計數(shù)器達(dá)到其最大值時產(chǎn)生溢出中斷。通過對時鐘頻率進行分頻處理，控制定時計數(shù)器的增量速度以滿足不同頻率控制需求。

為了方便用戶使用，Arduino提供了Timer1庫函數(shù)TimerOne.zip，用戶使用時直接調(diào)用庫函數(shù)進行對Timer1進行初始化即可，其初始化和啟動中斷服務(wù)部分代碼如下：

Timer1.initialize（init_value）;//初始化Timer1定時器，設(shè)置中斷時長，us

Timer1.attachInterrupt（orthogonal）;//啟動中斷服務(wù)函數(shù)orthogonal（）

3.2 Arduino與串口觸摸屏通信設(shè)計

Arduino UNO有一個全雙工串口，通過引腳0（RX）和1（TX）與串口觸摸屏進行數(shù)據(jù)傳輸，波特率最高可達(dá)115200，接收串口觸摸屏發(fā)來的控制參數(shù)、轉(zhuǎn)速及控制命令等，實現(xiàn)對輸出脈沖信號頻率的控制。

大彩公司串口觸摸屏一條完整的指令幀格式（不帶CRC校驗）為：

?

當(dāng)指令參數(shù)大于一個字節(jié)時，高字節(jié)在前、低字節(jié)在后，指令最大長度為1024字節(jié)（包含幀頭和幀尾）。

Arduino UNO通過串口接收到觸摸屏發(fā)來的參數(shù)及控制信息，并對數(shù)據(jù)進行解析，提取出設(shè)置參數(shù)、轉(zhuǎn)控制命令等信息，實現(xiàn)對定時器初始值設(shè)置、轉(zhuǎn)速脈沖信號輸出的控制。Arduino UNO串口通信過程如圖7所示。

圖7 單片機串口通信過程

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證風(fēng)機轉(zhuǎn)速信號模擬裝置的有效性與實用性，對該裝置在實驗室進行了實驗驗證。通過將薄片式電感放置于接近式傳感器前端，通過控制界面選擇相應(yīng)型號的風(fēng)機進行轉(zhuǎn)速模擬，啟動模擬裝置產(chǎn)生脈沖信號，薄片式電感激勵接近式傳感器，輸出不同方波頻率時的輸出信號如圖8所示。

圖8 不同輸出頻率時接近式開關(guān)輸出波形

由圖8可知，接近式傳感器接收到的渦流信號與風(fēng)機轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時激勵接近式傳感器信號一致，通過觸摸屏改變轉(zhuǎn)速時，接近式傳感器輸出信號頻率與風(fēng)機旋轉(zhuǎn)時接近式傳感器所發(fā)出的信號頻率一致。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的風(fēng)機轉(zhuǎn)速模擬裝置可有效實現(xiàn)在風(fēng)機停機狀態(tài)下模擬風(fēng)機轉(zhuǎn)動時對接近式傳感器的激勵，實現(xiàn)風(fēng)機停機狀態(tài)下產(chǎn)生轉(zhuǎn)速模擬信號。該裝置目前已在大唐集團多個風(fēng)場投入使用，應(yīng)用效果良好，有效提高了風(fēng)機停機檢修時的工作效率。