第11卷第4期 2008年12月
上海电机学院学报
JO U RN A L O F SH A NG H AI DI AN JI U N IV ERSIT Y
Vol . 11No . 4 Dec . 2008
文章编号 1671-2730(2008) 04-0256-04
风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统
郑 翔, 徐余法, 王致杰
(上海电机学院电气学院, 上海200240)
摘 要:提出在风力发电机组齿轮箱润滑系统中, 应用M CS -51单片机及其控制电路, 结合复合
PID 算法、GSM -M odem 通信技术, 控制风扇或加热器进行冷却或加热以实现对润滑油温度的精确控制的方法。实验结果表明, 该系统具有过渡时间短、超调量小(2℃) 和稳定误差小(0. 4℃) 等特点。 关键词:温度控制; 齿轮箱润滑; MCS -51单片机; 全球移动通讯系统调制谐调器; 风力发电 中图分类号:TM 315; TP 315. 35 文献标识码:A
The G ear Oil T emperature Supervision and C ontrol System of Windmill
Z H E NG X iang , X U Yu f a , WA NG Zhijie
(Scho ol of Electric , Shanghai Dianji University , Shanghai 200240, China )
Abstract :As the perform ance of gear oil is influenced by tem perature , the method of rem ote tem -perature supervision and control is develo ped here . Fan or heater is controlled to cool o r heat up the lubricatio n oil in the windmill gear -box with MCS -51and its co ntrol circuit , com bined with hy brid PID algo rithm and GSM -M odem comm unicatio n technology . The experiment show s that the temperature is precisio nly controlled , the sy sterm has the features of shor t se ttling tim e , small o vershoo ting (2℃) and o nly a little steady state erro r (0. 4℃) .
Key words :temperature -contro l ; g ear -lubrication ; M CS -51micro -co ntroller ; g lobal sy stem for m obile com munication mo derm (GSM -Modem ) ; wind energy pow er
风能作为一种清洁的可再生能源, 越来越受到世界各国的重视[1]。风力发电机组齿轮箱在传动系统中的作用是等功率地将风轮获得的低转速的机械能转变成高转速的机械能。齿轮箱的润滑系统采用了主动润滑方式, 对于齿轮来说, 属于飞溅润滑和喷淋润滑相结合的混合润滑, 对于轴承来说则是强制性润滑。风力发电机组齿轮箱受润滑不充分、气温
收稿日期:2008-08-10
低、润滑剂过热提前失效等因素影响, 故障率非常高。目前, 风力发电机组传动系统中的齿轮箱一般都设计有相应的监控设施, 齿轮箱润滑油监控装置大都采用开关控制, 系统响应时间长, 精度差且监控系统采用有线监控的方式, 成本高、可靠性低, 不利于扩展, 难于建设与维护。基于全球移动通讯系统(GSM ) 的无线数据传输方式适合于分散式风电机
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60772006) ; 上海市高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目(sdj -07002) 作者简介:郑 翔(1979-) , 男, 助教, 专业方向为电力电子与电力传动, E -mail :zheng xiang @sdju . edu . cn
2008年第4期
郑 翔, 等:风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统
257
组的无线集中控制。它通过GSM 的短信服务
(Sho rt M essage Service , SM S ) 本身的数据传送功能实现对齿轮箱润滑油温度无线控制。
③系统使用具有串行外设接口(Serial Peripheral
Interface , SPI ) 串行接口的A /D 转换芯片T LC2543进行A /D 转换。TLC2543是TI 公司的12位逐次逼近串行模数转换器。如图2所示。该方案的特点是采用光电隔离, 即通过光电耦合器将数字部分和模拟部分隔离, 光耦前采用DS75451作为总线驱动。数字部分和模拟部分均为独立开关电源供电, 防止了数字部分的噪声电流对模拟信号的干扰, 进而提高测量的精度。在电路板布线时, 注意不能在TLC2543芯片下面布数字信号线。控制信号输出采用三极管驱动固态继电器。④通讯部分采用标准RS232接口与GSM -M odem 通信, 它通过GSM 的SMS 本身的数据传送功能对齿轮箱润滑油温度控制, 解决了传统有线监控方式成本高、可靠性低、不利于扩展、难于建设与维护的问题。GSM -M o -dem 的串行通信协议对用户透明, 由厂商提供, 受篇幅所限这里不做详细介绍。
1 监控系统工作原理
本系统以国产某1. 25M W 风电机组为对象, 通过实时检测风电机组齿轮箱润滑油的温度, 判断是否需要启动对润滑油加热或冷却。齿轮箱润滑油
温度监控系统正常运行时, 控制润滑油最低温度15℃,当齿轮箱润滑油温度小于10℃时, 系统发出报警信号, 系统的最大复位延迟时间为2s 。润滑油温度高于25℃时, 启动散热装置; 当齿轮箱润滑油温度超过75℃时, 系统发出报警信号, 系统的最大复位延迟时间为10s 。
风力发电机组齿轮箱润滑油监控系统的原理图如图1所示
。
3 监控系统软件设计
针对润滑油非线性、大惯性的特点, 系统采用复合比例-积分-微分(Pro po rtional , Integral , Deriva -tive , PID ) 作为系统的控制器算法[4]。复合PID 控制器结合了变速积分PID 算法、带死区的PID 控制、防参数突变带来的微分饱和、专家PID 等算法。为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最优的动态过程, 采用最优化控制模型是实现高精
图1 齿轮箱润滑油温度监控系统原理图
Fig . 1 A schem atic diagram of the temperature supervision
and control system for lubrication oil in g ear -box
[5, 6]
度控制的关键。系统采用分段控制方法, 当温差大时利用开关控制迅速减小温差, 以缩小调节时间; 当温差进入精控区后采用PID 控制, 以使系统快速结
束过渡过程。为适应不同的对象环境, 系统可通过手机短信在线整定比例P 、积分I 、微分D 参数, 提高控制精度。软件模块包括:数据采集处理模块、显示模块、按键与系统参数设置模块、加热控制模块、冷却控制模块、PID 控制模块、脉宽调制模块、GSM 通讯模块、主程序模块。齿轮箱润滑油加热部分子程序如图3所示。
系统采用增量式数字PID 控制算法:
Δu (k )=K p [e (k )-e (k -1) ]+K I e (k ) +K D [e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) ](1) 式中, Δu (k ) 为控制器输出信号变化量; e (k ) 为控制器输入信号; K p 为控制器比例增益; K I 为控制器积益; K 制器微分增。复合PID 部分
2 硬件电路设计
风力发电机齿轮箱润滑油监控系统的硬件部分
包括温度传感器、信号放大、A /D 转换、单片机最小
[2]
系统、固态继电器及其驱动、串行通信等部分。系统特色在于:①温度传感器采用LM 35, 其测温范围在-55～+150℃,比常用的DS18B20宽, 更适合风力发电机的野外工作环境。②信号放大部分采用ICL7650作为温度信号的线性放大器件[3]。IC L7650是第4代自稳零载波运算放大器, 它具有极低的温度漂移(0. 02μV /℃) 等特点, 用其构建成同相比例放大器, 将温度(电压) 信号放大5倍左右、
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上 海 电 机 学 院 学 报
2008年第4期
VCC —数字系统的电源; GND —数字地; CLK —时钟信号; DIN —数据输入信号; 43-CS —片选信号; DO UT —数据输出信号
图2 A /D 转换接口电路Fig . 2 A /D conversion interface
circuit
E 2PROM —电可擦可编程只读存储器
图3 齿轮箱润滑油加热部分子程序
Fig . 3 The flo wchart diagram of gear -lubrication heat
up pro gram
算法部分流程如图4所示。图中e i [i ]为保存第i 个偏差信号的数组; e i [2]为保存第i 个偏差信号的最新值; e 为偏差信号; U i 为PID 控制器的输出; ΔU i 为PID 控制器输出的增量; ΔU i max 为PID 输出增量的最大值。
图4 复合PID 控制算法子程序流程图
Fig . 4 Flowchart of hybrid -PID controller algo rithm
的特点。该系统实现了手机对风力发电机组齿轮箱润滑油温度的远程无线监控, 很好地解决了现有温控系统难以建设维护、响应速度慢、控制精度低的问题。对于及时发现齿轮箱润滑油温度异常、延长润滑油寿命、降低齿轮箱故障率具有良好的推广价值和经济效益。
4 结 语
风力发电机齿轮箱润滑油温度无线监控系统已在实验室完成样机制作, 测试结果表明, 该系统有过渡时间短、超调量小(2℃) 和稳定误差小(0. 4℃
)
2008年第4期
郑 翔, 等:风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统
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参考文献:
[1] 熊礼检. 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护
及标准规范实用手册[M ]. 北京:中国科技文化出版社, 2005.
[2] 刘金琨. 先进P ID 控制及其M A T LA B 仿真[M ]. 北
京:电子工业出版社, 2003.
[3] 张国雄. 测量电路[M ]. 北京:机械工业出版社, 2001. [4] 李树华, 刘超英, 董 辉. 数字PI D 自动温度控制系统
的设计及实现[J ]. 内蒙古大学学报, 1997, 28(6) :838-841.
[5] 欧阳斌林, 刘立山, 蒋文科, 等. 单片机原理及应用
[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 2001.
[6] 陶永华. 新型P ID 控制及其应用[M ]. 北京:机械工业
出版社, 2002.
[7] Zieg ler J G , N ichols N B . O ptimum Settings for A uto -matic Co ntrolle rs [J ]. Journal of Dy namic Sy stem s , M easurement and Contr ol , 1993, 115(2B ) :220. [8] Z huang M , A the rto n D P . A utomatic Tuning o f O pti -mum PID Co ntroller s [J ]. P roceeding s IEE (P art D ) :Co ntrol T heory and A pplications , 2002, 140(3) :216-224.
(上接第248页)
[2] 林尚扬, 陈善本, 李成桐. 焊接机器人及其应用[M ].
北京:机械工业出版社, 2000:1-11.
[3] 林尚扬. 从第13届埃森焊接展览会看焊接技术的走
向[J ]. 中国机械工程, 1994, 5(3) :67-69. [4] Chen Shanben , Chen Xizhang , Q iu T ao , et al . A c -quisitio n of Weld Seam Dimensional Po sitio n Infor ma -tion for A rc Welding Ro bo t Ba sed o n Vision Compu -ting [J ]. Journal of Intelligent and Robotic Systems , 2005, 43(1) :77-97.
[5] Chen X izhang , Che n Shanben , L in T ao , et al . P rac -tica l M ethod to Locate the Initial Weld Po sitio n U sing Visual T echno lo gy [J ]. Inte rnational Jo urnal of A d -v anced M anufacturing T echnolog y , 2006, 30(7-8) :663-668.
[6] 周 律. 基于视觉伺服的弧焊机器人焊接路径获取方
法研究[D ]. 上海:上海交通大学, 2007:29-45.
[7] 王建军. 铝合金脉冲TIG 焊熔池动态特征的视觉信
息获取与自适应控制[D ]. 上海:上海交通大学, 2003:54-78.
[8] 杜全营. 填丝脉冲G T AW 熔池三维特征实时提取与
智能控制[D ]. 上海:上海交通大学, 2006:30-43. [9] 王 兵. 基于粗糙集理论的知识建模方法与焊接动态
过程知识模型的研究[D ]. 上海:上海交通大学, 2003:115-140.
[10] 黎文航. 基于变精度粗糙集理论的焊接动态过程知
识建模方法研究[D ]. 上海:上海交通大学, 2007:97-117.
[11] Chen W enjie , Chen Sha nben , Lin T ao . P reliminary
P robe of Embedded Real -time Opera ting Sy stem a nd its A pplicatio n in W elding Contro l [C ]//Lecture N o tes in Co ntr ol and Informa tion Sciences . Shanghai :Spring er Be rlin /Heidelber g , 2004, 299:353-357.
下期论文摘要
交流接触器的智能化研究进展
张连毅
(上海电机学院电气学院, 上海200240)
摘 要 智能化是当前交流接触器的研究热点之一。随着电子和计算机技术的发展, 交流接触器的智能化研究取得了很大进展。从电磁机构线圈运行电流的角度, 综合论述了近年来国内外交流接触器智能化研究的研究成果, 着重介绍了智能性交流接触器的最新进展。
第11卷第4期 2008年12月
上海电机学院学报
JO U RN A L O F SH A NG H AI DI AN JI U N IV ERSIT Y
Vol . 11No . 4 Dec . 2008
文章编号 1671-2730(2008) 04-0256-04
风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统
郑 翔, 徐余法, 王致杰
(上海电机学院电气学院, 上海200240)
摘 要:提出在风力发电机组齿轮箱润滑系统中, 应用M CS -51单片机及其控制电路, 结合复合
PID 算法、GSM -M odem 通信技术, 控制风扇或加热器进行冷却或加热以实现对润滑油温度的精确控制的方法。实验结果表明, 该系统具有过渡时间短、超调量小(2℃) 和稳定误差小(0. 4℃) 等特点。 关键词:温度控制; 齿轮箱润滑; MCS -51单片机; 全球移动通讯系统调制谐调器; 风力发电 中图分类号:TM 315; TP 315. 35 文献标识码:A
The G ear Oil T emperature Supervision and C ontrol System of Windmill
Z H E NG X iang , X U Yu f a , WA NG Zhijie
(Scho ol of Electric , Shanghai Dianji University , Shanghai 200240, China )
Abstract :As the perform ance of gear oil is influenced by tem perature , the method of rem ote tem -perature supervision and control is develo ped here . Fan or heater is controlled to cool o r heat up the lubricatio n oil in the windmill gear -box with MCS -51and its co ntrol circuit , com bined with hy brid PID algo rithm and GSM -M odem comm unicatio n technology . The experiment show s that the temperature is precisio nly controlled , the sy sterm has the features of shor t se ttling tim e , small o vershoo ting (2℃) and o nly a little steady state erro r (0. 4℃) .
Key words :temperature -contro l ; g ear -lubrication ; M CS -51micro -co ntroller ; g lobal sy stem for m obile com munication mo derm (GSM -Modem ) ; wind energy pow er
风能作为一种清洁的可再生能源, 越来越受到世界各国的重视[1]。风力发电机组齿轮箱在传动系统中的作用是等功率地将风轮获得的低转速的机械能转变成高转速的机械能。齿轮箱的润滑系统采用了主动润滑方式, 对于齿轮来说, 属于飞溅润滑和喷淋润滑相结合的混合润滑, 对于轴承来说则是强制性润滑。风力发电机组齿轮箱受润滑不充分、气温
收稿日期:2008-08-10
低、润滑剂过热提前失效等因素影响, 故障率非常高。目前, 风力发电机组传动系统中的齿轮箱一般都设计有相应的监控设施, 齿轮箱润滑油监控装置大都采用开关控制, 系统响应时间长, 精度差且监控系统采用有线监控的方式, 成本高、可靠性低, 不利于扩展, 难于建设与维护。基于全球移动通讯系统(GSM ) 的无线数据传输方式适合于分散式风电机
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60772006) ; 上海市高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目(sdj -07002) 作者简介:郑 翔(1979-) , 男, 助教, 专业方向为电力电子与电力传动, E -mail :zheng xiang @sdju . edu . cn
2008年第4期
郑 翔, 等:风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统
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组的无线集中控制。它通过GSM 的短信服务
(Sho rt M essage Service , SM S ) 本身的数据传送功能实现对齿轮箱润滑油温度无线控制。
③系统使用具有串行外设接口(Serial Peripheral
Interface , SPI ) 串行接口的A /D 转换芯片T LC2543进行A /D 转换。TLC2543是TI 公司的12位逐次逼近串行模数转换器。如图2所示。该方案的特点是采用光电隔离, 即通过光电耦合器将数字部分和模拟部分隔离, 光耦前采用DS75451作为总线驱动。数字部分和模拟部分均为独立开关电源供电, 防止了数字部分的噪声电流对模拟信号的干扰, 进而提高测量的精度。在电路板布线时, 注意不能在TLC2543芯片下面布数字信号线。控制信号输出采用三极管驱动固态继电器。④通讯部分采用标准RS232接口与GSM -M odem 通信, 它通过GSM 的SMS 本身的数据传送功能对齿轮箱润滑油温度控制, 解决了传统有线监控方式成本高、可靠性低、不利于扩展、难于建设与维护的问题。GSM -M o -dem 的串行通信协议对用户透明, 由厂商提供, 受篇幅所限这里不做详细介绍。
1 监控系统工作原理
本系统以国产某1. 25M W 风电机组为对象, 通过实时检测风电机组齿轮箱润滑油的温度, 判断是否需要启动对润滑油加热或冷却。齿轮箱润滑油
温度监控系统正常运行时, 控制润滑油最低温度15℃,当齿轮箱润滑油温度小于10℃时, 系统发出报警信号, 系统的最大复位延迟时间为2s 。润滑油温度高于25℃时, 启动散热装置; 当齿轮箱润滑油温度超过75℃时, 系统发出报警信号, 系统的最大复位延迟时间为10s 。
风力发电机组齿轮箱润滑油监控系统的原理图如图1所示
。
3 监控系统软件设计
针对润滑油非线性、大惯性的特点, 系统采用复合比例-积分-微分(Pro po rtional , Integral , Deriva -tive , PID ) 作为系统的控制器算法[4]。复合PID 控制器结合了变速积分PID 算法、带死区的PID 控制、防参数突变带来的微分饱和、专家PID 等算法。为了追求控制系统具有最小的稳态误差、最优的动态过程, 采用最优化控制模型是实现高精
图1 齿轮箱润滑油温度监控系统原理图
Fig . 1 A schem atic diagram of the temperature supervision
and control system for lubrication oil in g ear -box
[5, 6]
度控制的关键。系统采用分段控制方法, 当温差大时利用开关控制迅速减小温差, 以缩小调节时间; 当温差进入精控区后采用PID 控制, 以使系统快速结
束过渡过程。为适应不同的对象环境, 系统可通过手机短信在线整定比例P 、积分I 、微分D 参数, 提高控制精度。软件模块包括:数据采集处理模块、显示模块、按键与系统参数设置模块、加热控制模块、冷却控制模块、PID 控制模块、脉宽调制模块、GSM 通讯模块、主程序模块。齿轮箱润滑油加热部分子程序如图3所示。
系统采用增量式数字PID 控制算法:
Δu (k )=K p [e (k )-e (k -1) ]+K I e (k ) +K D [e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) ](1) 式中, Δu (k ) 为控制器输出信号变化量; e (k ) 为控制器输入信号; K p 为控制器比例增益; K I 为控制器积益; K 制器微分增。复合PID 部分
2 硬件电路设计
风力发电机齿轮箱润滑油监控系统的硬件部分
包括温度传感器、信号放大、A /D 转换、单片机最小
[2]
系统、固态继电器及其驱动、串行通信等部分。系统特色在于:①温度传感器采用LM 35, 其测温范围在-55～+150℃,比常用的DS18B20宽, 更适合风力发电机的野外工作环境。②信号放大部分采用ICL7650作为温度信号的线性放大器件[3]。IC L7650是第4代自稳零载波运算放大器, 它具有极低的温度漂移(0. 02μV /℃) 等特点, 用其构建成同相比例放大器, 将温度(电压) 信号放大5倍左右、
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2008年第4期
VCC —数字系统的电源; GND —数字地; CLK —时钟信号; DIN —数据输入信号; 43-CS —片选信号; DO UT —数据输出信号
图2 A /D 转换接口电路Fig . 2 A /D conversion interface
circuit
E 2PROM —电可擦可编程只读存储器
图3 齿轮箱润滑油加热部分子程序
Fig . 3 The flo wchart diagram of gear -lubrication heat
up pro gram
算法部分流程如图4所示。图中e i [i ]为保存第i 个偏差信号的数组; e i [2]为保存第i 个偏差信号的最新值; e 为偏差信号; U i 为PID 控制器的输出; ΔU i 为PID 控制器输出的增量; ΔU i max 为PID 输出增量的最大值。
图4 复合PID 控制算法子程序流程图
Fig . 4 Flowchart of hybrid -PID controller algo rithm
的特点。该系统实现了手机对风力发电机组齿轮箱润滑油温度的远程无线监控, 很好地解决了现有温控系统难以建设维护、响应速度慢、控制精度低的问题。对于及时发现齿轮箱润滑油温度异常、延长润滑油寿命、降低齿轮箱故障率具有良好的推广价值和经济效益。
4 结 语
风力发电机齿轮箱润滑油温度无线监控系统已在实验室完成样机制作, 测试结果表明, 该系统有过渡时间短、超调量小(2℃) 和稳定误差小(0. 4℃
)
2008年第4期
郑 翔, 等:风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统
259
参考文献:
[1] 熊礼检. 风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护
及标准规范实用手册[M ]. 北京:中国科技文化出版社, 2005.
[2] 刘金琨. 先进P ID 控制及其M A T LA B 仿真[M ]. 北
京:电子工业出版社, 2003.
[3] 张国雄. 测量电路[M ]. 北京:机械工业出版社, 2001. [4] 李树华, 刘超英, 董 辉. 数字PI D 自动温度控制系统
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[5] 欧阳斌林, 刘立山, 蒋文科, 等. 单片机原理及应用
[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 2001.
[6] 陶永华. 新型P ID 控制及其应用[M ]. 北京:机械工业
出版社, 2002.
[7] Zieg ler J G , N ichols N B . O ptimum Settings for A uto -matic Co ntrolle rs [J ]. Journal of Dy namic Sy stem s , M easurement and Contr ol , 1993, 115(2B ) :220. [8] Z huang M , A the rto n D P . A utomatic Tuning o f O pti -mum PID Co ntroller s [J ]. P roceeding s IEE (P art D ) :Co ntrol T heory and A pplications , 2002, 140(3) :216-224.
(上接第248页)
[2] 林尚扬, 陈善本, 李成桐. 焊接机器人及其应用[M ].
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[3] 林尚扬. 从第13届埃森焊接展览会看焊接技术的走
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[6] 周 律. 基于视觉伺服的弧焊机器人焊接路径获取方
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[8] 杜全营. 填丝脉冲G T AW 熔池三维特征实时提取与
智能控制[D ]. 上海:上海交通大学, 2006:30-43. [9] 王 兵. 基于粗糙集理论的知识建模方法与焊接动态
过程知识模型的研究[D ]. 上海:上海交通大学, 2003:115-140.
[10] 黎文航. 基于变精度粗糙集理论的焊接动态过程知
识建模方法研究[D ]. 上海:上海交通大学, 2007:97-117.
[11] Chen W enjie , Chen Sha nben , Lin T ao . P reliminary
P robe of Embedded Real -time Opera ting Sy stem a nd its A pplicatio n in W elding Contro l [C ]//Lecture N o tes in Co ntr ol and Informa tion Sciences . Shanghai :Spring er Be rlin /Heidelber g , 2004, 299:353-357.
下期论文摘要
交流接触器的智能化研究进展
张连毅
(上海电机学院电气学院, 上海200240)
摘 要 智能化是当前交流接触器的研究热点之一。随着电子和计算机技术的发展, 交流接触器的智能化研究取得了很大进展。从电磁机构线圈运行电流的角度, 综合论述了近年来国内外交流接触器智能化研究的研究成果, 着重介绍了智能性交流接触器的最新进展。