winddau功能简介.doc

在线式风力发电机组状态监测数据采集单元（WindDAU）功能简介【版本号V 1.1】北京威锐达测控系统有限公司2012年9月17 北京威锐达测控系统有限公司修改履历版本号变更内容变更人变更日V1.0新建李立川寇立康2012.9.17V1.11， 文档中加入有关WindDAU硬件部分的介绍。李立川寇立康2012.10.17目 录1.WindDAU概述32.系统定位32.1.系统结构42.2.系统工作流程53.WindDAU硬件63.1.硬件结构63.2.主要功能83.3.主要技术参数83.4.其他特色93.4.1.硬件指示灯93.4.2.传感器104.WindDAU软件(WindDAQ)124.1.概述124.2.WindDAQ性能124.2.1.软件可靠性134.2.2.软件可扩展性134.3.WindDAQ功能组件144.4.WindDAQ工作流程144.4.1.采集数据组件144.4.2.数据采集流程151. WindDAU概述WindDAU是在线式振动数据采集单元的简称。WindDAU系列产品由北京威锐达测控系统有限公司独立开发设计并生产。它凝集了公司大批工程技术人员多年来在振动监测领域的经验和智慧的精华。是在原有振动监测产品的基础上，结合风力发电的实际应用特点，推出的一系列专用于风力发电机组实时监测的振动状态数据采集单元。风力发电机组的运行状态根据现场的实际风况会不断调整和变化，而风力发电机组的工作环境也很恶劣。WindDAU系列产品完全能够适应这样的工况和环境，为用户提供满意的解决方案。在风电机组在线振动监测系统中，WindDAU是整个系统的数据源泉。负责向应用系统提供数据采集服务：根据外部系统命令及配置进行数据采集并回传数据、并提供数据缓存及固件升级等功能以保证系统安全可靠。2. 系统定位WindDAU产品是威锐达风电机组在线监测系统(WindCMS)不可或缺的组成部分。它与WindCMS服务器、远程诊断中心(WindRDS)、振动分析客户端(VibAnalyzer)等产品共同组成了风电振动状态监测的一个完整的解决方案。每台风机安装独立的在线监测单元WindDAU，根据系统配置自动或由人工完成振动数据的采集。当机组振动出现异常时，系统会自动保存异常的振动数据及其工况信息，并通过局域网 (Intranet) 或互联网(Internet) 及时通知振动诊断工程师，以便诊断工程师使用振动分析软件VibAnalyzer或自动诊断系统及时快速地完成风机状态评估和故障诊断，为设备维修提供决策依据。2.1. 系统结构图2.1 WindCMS系统拓扑图如图2.1所示，每台风机都会配备一台WindDAU采集设备。WindDAU 完成振动信号采集和预处理，通过风场已有网络将数据上传到数据采集分析服务器DAQServer；DAQServer对来自数据采集单元的数据进行以状态评估为目的的分析并根据状态评估策略得出机组状态。DAQServer将系统认为重要的以及周期性的数据保存于数据库服务器中。在产生报警事件时，系统会及时发出通知，诊断工程师使用振动分析软件 VibAnalyzer 完成风电机组的故障诊断和状态评估，并提出维护建议。WebServer的存在使得接入互联网的远程计算机以网页形式可以实时监测风机的运行状态并作相应的操作。2.2. 系统工作流程图2.2 WindCMS Server与WindDAU交互如图2.2所示为WindCMS服务器系统（上位机系统）与WindDAU（下位机系统WindDAQ）通讯过程的行为描述。交互图清晰地说名了上下层系统之间通过多次握手协议达成行为同步，以准确实时地获取采集数据。主要行为包括：1） WindCMS下发测量定义对WindDAU进行采集配置。2） WindDAU发送确认信息。3） 下发测量定义成功后，WindCMS系统下发启动采集命令，WindDAU开始数据采集工作。4） WindDAU发送确认信息。5） WindCMS下发获取数据大小及ID信息。WindDAU完成相关工作，并返回WindCMS请求信息。6） WindCMS根据获取到的数据大小及ID信息循环从WindDAU中获取所需振动数据与转速数据。7） WindCMS对获取上来的数据进行评估。8） WindCMS存储数据。3. WindDAU硬件数据采集单元（WindDAU）放置于机舱内，机柜防护等级IP65，适用于恶劣的工业环境并且符合CE要求。采集单元具有自检功能，能检测到每个通道、传感器、电缆等的电气故障；当外部网络通讯故障时，采集单元具有本地数据存储功能，当网络恢复正常后，将存储数据再传送到远程服务器；当系统断电后，采集系统具有重启功能。3.1. 硬件结构如图3.1所示为WindDAU硬件的正面示意图，最上端是WindDAU状态显示灯，右端为串口接口，左端为WindDAU电源开关。图3.1 WindDAU正面图图3.2 WindDAU接线图图3.3 WindDAU现场安装图3.2. 主要功能1） 能够对12个通道的振动数据同时进行采集，并通过双核处理器实时的进行运算；2） 使用24bit的高精度ADC，数据采集速度最高可以达到128kHz，方便了对微弱振动和高频振动的分析；3） 模拟电路使用多级电源，大大降低了电源噪声对数据采集的影响；4） 能够高速地对转速信号进行捕捉，获得高精度的转频，使得对时域同步和频谱的分析更加准确；5） 提供独立的转速传感器电源，能够直接接入转速传感器，也能够接入外部其他设备分出的转速信号；6） 振动通道与转速通道使用全差分的接入方式，信号质量更佳；7） 可以同时接入一个备用的转速传感器；8） 拥有两路隔离的RS485通讯接口，可以与两组不同通讯协议的设备进行通讯；9） 使用硬件的以太网TCP/IP协议栈，使得以太网通讯更加的可靠、迅速；10） 以太网的接口可以使用水晶头方便的连接，也可以使用接线端子在现场可靠接入；11） 能够通过以太网方便的对系统进行更新与升级；12） 能够通过RS232接口使用普通的笔记本电脑进行简单的系统配置或系统升级；13） 能够自动诊断本身的健康状况，出现异常及时提示，可以避免错误的状态监测结果；14） 使用三级防雷电路，能够逐级消弱雷电浪涌，消除对系统工作的影响，保护设备的正常工作；3.3. 主要技术参数表3.1 WindDAU性能指标项目规范（指标）系统SDRAM128MBNAND Flash1024MBCPUARM9 + DSP + FPGA信号测量通道数12通道10通道振动或状态量采集+2转速信号采集振动通道输入振动量（ICP电流4mA）、电流环420mA（直流量可测量温度或其他过程参数）、交流直流信号10V（交流量可测量磁通、动态压力传感器、动态基重等信息）转速通道输入2通道光耦隔离，可对外提供DC 12V 0.2A的电流频率范围：0.1700Hz测量类型时域 阶次包络 频谱 gPk(针对轴承及齿轮箱冲击信号)等；FFT频谱分辨率：100 6400线模拟量测量最高采样频率：128K/s24位AD数模转换保证持续数据采集12通道实时信号同时采集（不是多路复用技术）不同通道用不同采样频率同时采集频率范围：DC 40kHz动态范围：120dB信噪比：96dB横向抗干扰：100dB幅值精确度：2%，相位：3%（up to 100Hz）通讯接口RJ45以太网接口10M/100M自适应TCP/IP光纤SC接口多模光纤传输RS485RS232环境湿度95%非冷凝工作温度-40+70防雷最大10kA（8/20us）电源88V264VAC 4763Hz 0.8A外形外形尺寸360 x 360 x 90mm（集成式与机箱式不同）防护等级IP65功耗15W3.4. 产品特点3.4.1. 硬件指示灯图1.4 WindDAU指示灯位于WindDAU机壳正面的指示灯，能够醒目地显示当前WindDAU的运行状态。图中绿色指示灯量或者闪烁表示工作正常，红色指示灯亮或者闪烁表示工作异常，方便了用户对WindDAU的运行状态有直观的了解。表3.2 WindDAU指示灯状态表指示灯名称指示灯状态状态描述电源亮灭电源打开电源关闭仪器运行慢速闪烁灭仪器正常运行仪器未运行网络通讯闪烁灭仪器正在通过以太网收发数据以太网无数据传输串口通讯闪烁灭仪器正在通过RS485口收发数据RS485口无数据传输仪器异常亮灭仪器出现异常状态仪器未出现异常网络断开亮灭以太网断开以太网连接主控失联亮灭与风机主控失去连接与风机主控连接通讯正常注：指示灯名称列字体颜色表示硬件灯的实际颜色。3.4.2. 传感器3.4.2.1. 振动传感器所选用的传感器具有尺寸小、内置侧端出线电缆、全密封结构、电缆双层屏蔽等特点，能在各种恶劣环境中应用。对于主轴承与主框架的振动监测，选用专用的低频加速度振动传感器；对于齿轮箱行星轮、输出轴以及发电机前后轴承的振动监测，选用通用的加速度振动传感器。所选用的传感器的技术参数如下：(1) 性能参数普通型振动传感器低频振动传感器型号CTC AC192型号CTC WT135灵敏度（10%）100mV/g灵敏度（10%）500mV/g带宽（3dB）0.5Hz13kHz带宽（3dB）0.1Hz10kHz带宽（10%）2.0Hz10kHz带宽（10%）0.6Hz1.5kHz动态范围峰值80g动态范围峰值10g温度范围-50121温度范围-50121(2) 环境参数极限负荷（冲击）： 5000 g pk(3) 物理特性尺寸（六角头x长度）： AC192:18 mm x 46 mm WT135: 22 mm x 52 mm重量（没有电缆）： AC192:51 g WT135: 92 g安装： 螺栓安装螺柱： M6 x 11.6安装扭矩(螺栓)： 9.5 10.8 N-m安装扭矩(六角螺母)： 2.7 6.8 N-m灵敏度元件： 陶制灵敏度曲线： 剪切型壳体材料： 不锈钢电气接头： 集成电缆3.4.2.2. 转速传感器在高速轴上安装转速测量传感器，测量高速轴转速。性能参数如下：表3.2 转速传感器性能指标型号BALLUFF BES M18EI-PSC80B-S04G工作频率700Hz工作距离06.4mm重复误差5%温度范围-40+854. WindDAU软件(WindDAQ)硬件是“躯体”，软件是“灵魂”。在计算机系统中，离开软件的硬件，其无异于一堆“废铜烂铁“；没有可依附的硬件，软件也将一无是处。风电机组在线监测系统中的WindDAU与WindDAQ，一个作为系统数据采集站的硬件基础，一个作为数据采集站的软件核心，相辅相成高效地保障着整个系统数据源的完整性，实时性与可扩展性。4.1. 概述WindDAQ是系统嵌入式平台的软件集合的总称，针对风电机组状态监测的实际需求，再加之创新性设计使得WindDAQ完全满足风电领域振动数据采集的需求。WindDAQ定义了如下功能：1） 配置数据采集定义计划。2） 依据数据采集定义计划进行数据采集。3） 可执行系统配置包括：网络参数设置、信息码设置、时间设置等。4） 软件升级。即固件升级，固件包括ARM子系统固件及DSP子系统固件。5） 支持不同通道不同采样率采集，不同通道可按照如下采样率同时采集：100Hz 200Hz 500Hz 1KHz 2KHz 5KHz 10KHz 25KHz 50KHz。6） 支持不同通道不同采集数据类型。不同通道可同时采集不同类型的数据。这些类型包括：时域波形、高频阶次包络波形，FFT等数据类型。7） 支持多种数据采集类型，时域波形、高频阶次包络波形、工况数据等。8） 支持通过ModbusTcp协议访问主控系统以获取工况信息支持ModbusTcp协议中的读输入寄存器命令（或读保持寄存器命令）读取数据。9） 支持数据有效性验证。4.2. WindDAQ性能为了使数据采集软件满足系统实时性要求，WindDAQ满足如下指标：1） 数据采集频率128k SPS（每秒采集点数）。2） 满足12通道按照128K点/秒采样率并行采样对数据处理性能的要求。3） 动态参数需在指定时间内上传给使用本系统的软件系统。4） 波形类数据需在指定时间内上传给使用本系统的软件系统。4.2.1. 软件可靠性可靠性是指系统出现故障时的自恢复能力以及正常系统对于系统中潜在异常的诊断能力。WindDAQ为风电机组状态监测提供数据采集及处理服务，满足风电机组工作的可靠性要求。WindDAQ可靠性包括如下方面：1） 软件死机在5秒内恢复运行。2） 采集失效后重新启动设备。3） 故障期间有效数据保存于系统并等待系统恢复后回传。4） 检测硬件系统故障，这包括电路板温度，各个关键测点的电压，电流及功率。5） 自动检测接入系统的传感器及其电缆故障。6） 软件升级失败能恢复到前一软件版本，保证系统在线。4.2.2. 软件可扩展性针对风电机组状态监测领域的特定情况，WindDAQ满足以下四方面的可扩展性需求：1） 数据算法可扩展性。传统状态监测处理算法在以变工况、低转速部件为主的风电机组上基本上是失效的，同时新兴的算法也在不断被研究验证出来。为了保护用户的投资，WindDAQ充分考虑到此变化需求并采取合理的设计满足数据算法的可扩展需求。2） 测量定义可扩展性。测量定义即面向测量领域的语言。只有设计一个独立的可被替换的测量定义解释执行部件才能支持对测量定义可扩展的要求。WindDAQ完全实现测量定义解释执行部件有效支持测量定义可扩展性。3） 通道数可扩展性。为了支持不同硬件采集系统的可变采集通道数要求，WindDAQ支持采集通道数的动态增加减少。4） 通讯方式可扩展性。风电机组现场环境对于通讯方式存在不同的要求，WindDAQ在通讯方式上具备可扩展性。4.3. WindDAQ功能组件系统硬件载体WindDAU采用ARM9+DSP的双核架构设计，因此软件实体WindDAQ也是基于此种架构进行实现的。根据软件性能及数据采集功能要求WindDAQ被设计为运行于两个独立的中央处理器中的软件系统。软件分别运行于一颗ARM处理器及一颗DSP处理器中，两模块的运行期实例之间采用共享被管理内存的方式进行通讯。因此宏观上WindDAQ被分成ARM处理模块以及DSP处理模块。ARM处理模块负责软件系统的管理工作，DSP模块负责数据采集，算法实现等工作。 WindDAQ的ARM模块主要提供如下服务：1） 配置服务；2） 采集控制服务；3） 状态查询服务；4） 测试服务；5） 固件更新服务；6） 时间同步服务；7） 故障报警服务； WindDAQ的DSP模块主要提供如下服务：1） 数据采集服务；2） 数据处理服务；3） 数据存储服务；4） 采集自检服务；4.4. WindDAQ工作流程4.4.1. 采集数据组件WindDAQ的工作目的就是实时高效地获取连接在自己通道上的传感器采集的数据，然后将数据进行处理，并将处理后数据回传给WindCMS服务系统。WindDAQ主要分为以下主要功能组件：1） 数据采集执行者：发送启动和停止采集命令以及数据到达命