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摘要：基于STM32风力发电机传动链故障监测系统通过实时监测风机传动链的运行参数与运行状态，对监测数据进行分析以及时发现并诊断故障，从而大幅减少停机损失和降低维修成本。为了减少传动链故障对风力发电系统的影响，提高风力发电机的运行效率与性能，确保风力发电机的可靠性与稳定性，本文基于STM32，从总体架构、硬件和软件方面对故障监测系统进行方案设计，在此基础上设计并实现风力发电机传动链故障监测系统的主要功能。经验证表明，该监测系统运行稳定、可靠、正常，功能实现正确、具有良好的时效性，足以满足设计相关要求与实际需要。由此希望为相关研究人员与学者提供一定借鉴与参考。

关键词：STM32；风力发电机；传动链；故障监测系统

伴随风力发电技术的不断发展，风力发电机组的稳定性与可靠性备受关注，而传动链是风力发电机组最核心的组成部分，其运行状态关系着整个电力系统的可靠性与效率，又加上当前能源紧缺问题日益严峻，在这种背景下设计风机传动链故障监测系统具有重要现实意义。本文设计的风机传动链故障监测系统使用先进的传感器来实时监测传动链的运行状态，以做到及时发现、诊断与处理传动链故障，不仅有效降低维修成本、提高风力发电机组的可靠性，还有助于促进可再生能源的发展。

1故障监测系统方案设计

1.1总体架构设计

本文基于STM32，对风机传动链故障监测系统进行设计，该监测系统旨在及时发现并处理风力发电机出现的传动链故障，通过实时监测风机与故障参数分析来达到故障识别、诊断及预警的目的。该故障监测系统主要包括感知层、数据处理层、故障诊断层、通信管理层、人机交互层等，故障监测系统的总体架构框图见图1[1]。

如图1所示，感知层作为故障监测系统的最底层，由各类高可靠、高精度的振动、温度、转速及音频等传感器与对应的信号处理电路组成，负责采集风机传动链的振动、转速、温度及音频等各种基础数据信息，并将采集到的数据传输至数据处理层。数据处理层作为系统的核心层，包括信号处理器、数据存储器及STM32微控制器等部件，负责分析与处理来自感知层的数据，通过数据去噪、滤波及异常值检测等操作来分析与处理数据，并将处理后的数据进行存储和传输至故障诊断层。故障诊断层实现系统的核心功能，主要包括控制器模块、故障诊断模块等，通过实时监测风机传动链各部分的运行参数与状态，对各类传感器采集的数据进行分析与处理，在此基础上识别故障程度与故障类型，并给出一定的处理意见与建议，以此辅助运维人员迅速定位与处理故障，从而实现智能识别、诊断、预警与处理风机传动链出现的故障。通信管理层作为整个故障监测系统的通信枢纽，主要负责将处理后的数据传输至监控中心或上位机，以实现数据分析与远程监控，该层包含电源模块、通信模块等，借助可靠稳定的通信协议及传输方式来完成数据的远程传输与接收。人机交互层是故障监测系统的最上层，主要包括保护模块、人机交互模块等，实现了数据显示、故障报警、系统参数设置等功能，对外提供简洁、方便、易操作的界面，从而便于用户迅速上手使用该故障监测系统。

1.2硬件设计

对故障监测系统进行硬件设计如下：（1）STM32微控制器：本文设计选用STM32系列微控制器，如STM32L、STM32F4等，这类微控制器因具有丰富外设接口、低功耗及高性能等优点而可以很好地满足监测系统的准确控制与数据处理的需求。（2）传感器：故障监测系统的监测、诊断及预警传动链故障功能建立在实时监测传动链运行参数与状态的基础上，为了实现实时监测风机传动链，需要使用转速、温度、振动及音频等多种传感器等，另外，需要选择低功耗、高可靠性、高精度的传感器以较好地适应风力发电机的工作环境[2]。（3）数据存储器：主要用来存储数据，可以选用TF卡、SD卡等数据存储设备。（4）人机交互模块：交互模块用于设置系统参数、显示数据及报警故障信息等，该模块可选用语音模块、液晶显示屏或触摸屏等设备。（5）通信模块：用来负责数据远程传输与接收，设计时需要根据实际情况与系统需求来选择和配置4G、Wi-Fi或蓝牙等通信方式。

1.3软件设计

实际软件设计时需要考虑如下关键因素：（1）数据处理算法：故障监测与诊断需要借助一定的算法来处理与分析各传感器采集的数据及其他实时监测数据，常用的算法有异常值检测算法、去噪算法及滤波算法等，软件设计时需要结合实际情况与传感器类型来选择恰当的算法以提升系统的效率与性能。（2）数据通信协议：通常远程通信可以应用的通信协议有很多种，如MQTT协议、Wi-Fi协议及蓝牙协议等，设计监测系统时要根据通信模块类型，结合实际情况来选择和配置恰当的传输方式与通信协议，以此保证系统传输数据的安全性与可靠性。（3）故障诊断算法：为了更好实现风机传动链故障识别与预警的功能，需要选用支持向量机算法、神经网络算法等高效、合适的算法来诊断与分析故障，从而提升系统的可靠性与准确性。（4）人机交互设计人机交互界面需要具备一定的易用性、简洁性与可扩展性，同时结合硬件设备类型来规划功能和设计界面，如此一来可大幅提高用户的使用体验与系统的可维护性。

2故障监测系统主要功能设计

2.1故障监测系统功能

根据上述系统的总体架构来设计故障监测系统主要功能，该故障监测系统主要包括故障诊断模块、数据处理模块、控制器模块、通信模块、电源模块、保护模块、传感器模块以及人机交互模块等功能模块[3]。故障监测系统功能模块示意图见图2。

2.1.1传感器模块

传感器模块使用温度、振动、速度、音频等多种传感器来采集风力发电机传动链的实时数据，温度传感器装置在传动链关键部位上，通过检测周围温度变化来及时发现因过热出现的故障；振动传感器用来监测传动链的振动情况，通过检测到的异常振动来判断传动链故障原因；速度传感器装置在传动链，负责监测传动链速度以反馈传动链的实时运行情况；音频传感器负责采集传动链部位的音频信号以辅助传动链故障的诊断。

2.1.2数据处理模块

数据处理模块一方面负责接收来自各传感器的数据，一方面要对这些数据进行分析与处理，由此该模块应具备数据采集、预处理、存储、分析、历史数据查询等功能，数据处理模通过与传感器模块保持通信来获取实时、准确数据；数据预处理是对接收的数据进行滤波、去噪与矫正等操作，以此提高数据质量；数据存储负责将处理后的数据存储到外接存储设备或内置的存储器中，以便为后续历史数据查询提供数据服务；数据分析使用多种算法与分析方法，提取数据中的有价值的关键信息，有效识别传动链故障类型及故障发生原因；历史数据查询便于评估与预测传动链未来的运行状态[4]。

2.1.3通信模块

通信模块是监测系统同外部设备或网络通信的重要枢纽，该模块具有数据传输、接收、转换、加密等多种功能，数据传输使采集和处理后的数据在系统与外部设备或网络之间进行传递与传输；数据接收负责接收来自外部设备或网络的参数设置、配置信息及控制指令等数据，以此来完成远程控制与配置故障监测系统；数据转换解决了数据在不同网络与设备之间的传输问题，支持UART、Modbus等多种通信协议，使数据依照一定的格式与协议进行转换；数据加密是指对需要传输的数据使用加密算法来进行加密处理，从而有效保证数据的准确性、安全性及保密性。

2.1.4人机交互模块

人机交互模块用于显示信息和完成与用户之间的交互，包括数据显示、声音提示、用户界面等功能，数据显示是指通过触摸屏或液晶显示屏来实时显示系统参数、风机传动链的运行状态及故障信息等数据以便于用户及时了解与掌握风力发电机组的实际情况；声音提示是指在满足特定条件或发生故障时，以声音的方式来提醒相关工作人员，从而提高系统信息传递的实效性与及时性；用户界面需要简单、易上手，以便于用户经过简单培训可以快速选择模式或设置各种系统参数等[5]。

2.1.5电源模块

电源模块作为能源供应单元，负责提供稳定的电源以保证各模块正常工作，与此同时考虑到风力发电机的工作特点与运行环境，系统选用的电源应具有高稳定性、低噪声及高效率等特点。

2.1.6故障诊断模块

故障诊断模块作为故障监测系统的核心功能，负责智能识别、预警与处理风机传动链出现的故障，具有实时监测、故障诊断、故障预警与存储等功能，实时监测是实现故障诊断、预警等功能的基础；故障诊断模块在传动链发生故障的第一时间自动识别故障的类型与程度，并为运维人员提供相应的处理建议，从而达到快速定位与处理风机传动链故障的目的；故障预警是指当监测到异常时，故障诊断模块可以通过手机短信、灯光或声音等方式向工作人员发送预警信号，以此来提醒运维人员及时采取针对性措施；故障存储用来存储故障信息，可以为历史故障信息查询或预测传动链后续运行状态提供重要的数据依据。

2.1.7控制器模块

控制器模块是故障监测系统的核心组成部分，负责管理与控制整个监测系统，具有存储程序、数据处理等功能，内置存储数据与系统程序的可编程存储器，通过综合分析来判断风机传动链的故障情况与运行状态[6]。另外，该模块支持模糊控制、PID控制等多种控制算法，从而完成系统的优化运行与精确控制，同时一直与通信模块相连，以此实现实时监测与远程控制。

2.1.8保护模块

保护模块作为安全保障单元，主要对传感器异常、数据存储及系统运行进行保护，传感器异常保护是指防止因通信中断、传感器故障等因素而造成漏报、误报情况；数据存储保护是指通过保护与备份重要数据来提升数据的可靠性与安全性；系统运行保护是指实时监测与保护系统的运行状态，从而有效保障系统的可靠性与稳定性。

2.2故障监测流程

故障监测是风机传动链故障监测系统中最核心的功能之一，故障监测系统的数据采集系统可以通过故障监测功能能实时获得风力发电机组传动链的各项参数，如振动、转速、温度、音频等，并将这些数据传输到在线检测与分析系统，检测与分析系统对这些数据进行综合分析，并将分析结果传输至监控中心或故障检测诊断系统，当检测到异常情况时，及时向运维人员发出报警提示，辅助运维人员快速定位和解决故障，从而保障风力发电机组的正常稳定运行[7]。风机传动链故障监测系统框图见图3。

根据图3所示，风机传动链故障监测系统的具体检测流程为：首先，在风机传动链上安装振动、转速、温度、音频等传感器，实现基本数据的采集；其次，数据采集系统通过各传感器实时获取风力发电机组传动链的运行参数与数据，并进行整合与预处理；接着，利用特定算法来检测并预警故障位置、类型与程度，同时提醒维修人员以便于维修人员及时维修故障；最后，通过网络将监测数据、故障信息及处理结果等传输至远程监控中心，从而实现远程检测、远程管理与远程控制，继而达到提高系统可靠性和优化能源管理的目的[8]。

3结束语

综上所述，本文设计的故障监测系统通过实时监测风机传动链的运行状态，能够及时发现并诊断风机传动链的故障类型与程度，同时提供远程监控与控制的功能，由此辅助相关运维与管理人员随时掌握风机发电机组的运行状态，并做出最佳决策。该故障监测系统在降低维修成本、促进可再生能源发展以及提高风力发电机组可靠性等方面具有重要意义。未来，将持续优化算法以提升故障识别的准确率，以充分发挥故障监测系统的作用。

参考文献：

[1]张军军，陈果，卢应强等.风电场主设备预警诊断系统设计与开发[J].电气技术，2023，24（05）：52-57.