基于DSP的远程风电齿轮箱故障诊断系统软件设计

【摘要】：本课题来源于国家自然科学基金“基于粒子群优化与滤波技术的复杂传动装置早期故障诊断研究”和省留学回国人员基金“机电设备远程通用智能诊断模块开发与集成”。 风力发电机由于现场环境导致拆装困难，每次维护需要出动大型吊车系统，甚至调动直升机，其维护成本至少是其他陆地设备的2倍以上。针对风力发电机运行过程中由于各种因素导致的各种问题和故障，有目的性的降低故障维护所带来的经济影响，更进一步避免重大故障的发生，以确保风力发电机安全可靠、高效运行具有十分重要的意义。本人在通过研究了风电系统的相关故障机理和DSP嵌入式系统的相关原理后，采用以DSP作为硬件平台来设计一个风力发电机行星齿轮增速箱远程故障诊断系统，系统运行的主要流程为故障振动信号采集、数字信号处理、原始信号和诊断结果的存储、故障信号的诊断和结果的远程数据传输，以达到远程监控的作用。 本论文主要针对风力发系统故障率较高的位置——风电行星齿轮增速箱传动部分为主要研究对象，对整个系统进行设计，在本论文中由于条件有限，风机设备现场数据采集十分困难，所以仅进行少量故障类型齿轮传动装置实验，在实验中对搭建的智能诊断系统进行了测试。本系统在设计过程中选择德州仪器（TI）公司的数字信号处理芯片TMS320F28335为中央处理器来完成硬件部分的搭建，并在开发板原有基础上针对上位机外设和接口进行改造。对应相应的硬件平台设计了系统的软件部分：首先在CCS V3.3中编写Main函数，包括数据采集、数据存储、通信、故障诊断、数据发送；其次使用MATLAB中nntool工具箱搭建齿轮箱故障诊断BP神经网络，提取权值与阈值，之后用C语言改写成可以嵌入DSP中的相应程序，以此对故障进行识别，最后利用3G数据网络，将DSP得到的诊断结果以及部分原始数据通过无线数据传输的方式传至上位机。 通过以上研发设计了一个可以应用于现今风电设备上的基础在线监测诊断系统，可以更好的监测风机齿轮箱进行稳定工作。 【关键词】：风力发电机 DSP 3G网络 故障诊断
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315;TH165.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景10-12
• 1.2 风电齿轮箱故障诊断的研究现状12-14
• 1.2.1 国内研究发展及现状12-13
• 1.2.2 国外研究发展情况13-14
• 1.3 设备远程故障诊断系统整体开发14-18
• 1.3.1 硬件平台选型及优化14-16
• 1.3.2 故障诊断系统的数据预处理16-18
• 1.4 WCDMA 网络18
• 1.5 本文研究的主要内容18-19
• 1.6 本章小结19-20
• 2 风电设备行星齿轮箱故障机理及信号特征简介20-31
• 2.1 风力发电机简介20-21
• 2.2 行星齿轮箱常见故障形式21-23
• 2.2.1 齿轮故障21-23
• 2.2.2 轴承故障23
• 2.2.3 传动轴故障23
• 2.3 齿轮箱振动产生机理23-26
• 2.3.1 齿轮振动产生机理23-26
• 2.3.2 滚动轴承振动产生机理26
• 2.4 齿轮箱常见的振动信号分析方法26-29
• 2.4.1 时域分析与统计指标26-28
• 2.4.2 功率谱分析28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 3 WCDMA 无线传输技术31-37
• 3.1 WCDMA 技术31-32
• 3.2 WCDMA 无线技术的特点32
• 3.3 WCDMA 无线网络架构32-35
• 3.3.1 WCDMA 系统架构32-33
• 3.3.2 核心网络（CN）33-34
• 3.3.3 无线接入网络 UTRAN34-35
• 3.3.4 终端 UE35
• 3.4 WCDMA 无线网络架构35-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 状态监测系统的硬件设计37-44
• 4.1 状态监测系统总体设计37-38
• 4.2 DSP 故障诊断中心38-41
• 4.2.1 电源模块38-39
• 4.2.2 采集信号电压调理电路39-40
• 4.2.3 串口通信接口电路40
• 4.2.4 SD 卡数据存储40-41
• 4.3 WCDMA 无线网络模块41-43
• 4.3.1 EM770W 概述41
• 4.3.2 数据传输41-43
• 4.3.3 USIM 卡接口43
• 4.4 本章小结43-44
• 5 故障诊断系统的软件设计44-49
• 5.1 状态监测系统的程序44-45
• 5.1.1 状态监测系统的开发流程44
• 5.1.2 监测系统的软件应用流程44-45
• 5.2 WCDMA 无线通信模块软件设计45-48
• 5.2.1 AT 指令格式45-46
• 5.2.2 拨号接入 3G 网络46-47
• 5.2.3 TCP 数据传输实现47-48
• 5.3 本章小结48-49
• 6 系统现场测试及分析49-63
• 6.1 状态监测系统测试49-55
• 6.1.1 风电厂设备情况49-50
• 6.1.2 实验室模块测试50
• 6.1.3 ADC-DMA 数据采集模块50-52
• 6.1.4 FIR 数字滤波器设计52-53
• 6.1.5 快速傅立叶变换53-54
• 6.1.6 BP 神经网络54-55
• 6.2 WCDMA 网络传输测试55-57
• 6.3 系统总体设计方案57-62
• 6.4 本章小结62-63
• 7 结论与展望63-66
• 7.1 工作总结63-64
• 7.2 展望64-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果71-72
• 致谢72-73

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