山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院 劉曉雯 蘇肖肖 李金

引言

三相交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)的用電量占整個(gè)系統(tǒng)的60%以上，在生產(chǎn)過程中屬核心設(shè)備。因此，研究電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況與監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)掌握電動(dòng)機(jī)在線運(yùn)行情況，及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷出電動(dòng)機(jī)故障并采取相應(yīng)措施，對(duì)于保障電動(dòng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行以及眾多行業(yè)與企業(yè)的安全生產(chǎn)，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。

針對(duì)兗州煤業(yè)股份有限公司宏力新型建材廠內(nèi)分布在窯爐底部供風(fēng)、高溫部分關(guān)鍵部位及工藝過程的48 臺(tái)電動(dòng)機(jī)及其非關(guān)鍵部位電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研發(fā)，設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采集到的所有參數(shù)進(jìn)行算法分析，以信息融合理論來(lái)綜合判斷電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，預(yù)測(cè)其劣化趨勢(shì)，保障電動(dòng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行以及企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)概述

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、運(yùn)算/管理模塊組成，分現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理、上位機(jī)組態(tài)與運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸與管理三個(gè)層次，由工控機(jī)組態(tài)集中監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析

2.1 PLC 數(shù)據(jù)采集器

該模塊是自主研發(fā)的基于ARM9 的數(shù)據(jù)采集器，用于采集16 路485 串口數(shù)據(jù)，并有232 串口、485 串口、網(wǎng)絡(luò)接口各一與上位機(jī)通信。采用該數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)點(diǎn)在于有效避免485 總線上由于單個(gè)設(shè)備故障引起的總線癱瘓而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的通訊異常，并且對(duì)采集數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行相關(guān)的算法處理，然后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到上位機(jī)。

此單元中可以根據(jù)具體情況加載震動(dòng)、電壓電流、沖擊脈沖、溫濕度傳感器中的幾種或者全部檢測(cè)傳感器，并可以選擇使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊或者有線數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)外交流。

2.2 EDA 電參數(shù)采集模塊

EDA 電參數(shù)采集模塊用于實(shí)時(shí)采集電動(dòng)機(jī)的三相電壓、電流。該模塊是自主研發(fā)的基于ADE7758 與AVR 單片機(jī)的電參數(shù)采集模塊。ADE7758 是ANALOG DEVICES 公司生產(chǎn)的一種具有精度高，兼容三相三線及三相四線等協(xié)議，支持有功、無(wú)功、電壓有效值、電流有效值和抽樣值等的測(cè)量，支持各種校準(zhǔn)功能，支持SPI 串行通信接口，功耗低等優(yōu)點(diǎn)的電量測(cè)量芯片。EDA 電參數(shù)采集模塊典型應(yīng)用如圖2 所示。

圖2 EDA 點(diǎn)參數(shù)模塊典型應(yīng)用圖

EDA 電參數(shù)采集模塊可以監(jiān)測(cè)電力線的三相電壓、三相電流和三相總電能，通過485 總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或數(shù)據(jù)采集器，并可以遠(yuǎn)程控制電力線的通斷。

2.3 振動(dòng)檢測(cè)模塊

振動(dòng)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)度。該模塊采用北京安伏電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Vib90-V5 振動(dòng)傳感器，它具有內(nèi)置數(shù)字處理器（DSP），可以對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT（傅立葉變換）分析，得到振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)并通過數(shù)值分析的方法，計(jì)算出振動(dòng)加速度、速度、位移值，具有很高的精度。采用MODBUS RTU 通訊協(xié)議，帶有RS485 標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線，可以連接到PC 機(jī)或數(shù)據(jù)采集器直接讀取振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.4 溫度檢測(cè)模塊

該模塊采用東林儀表WZP-232 智能溫度采集模塊，它采用MODBUS RTU 通訊協(xié)議，一次能夠采集四路溫度，通過485 總線連接到PC 機(jī)或數(shù)據(jù)采集器直接讀取測(cè)控點(diǎn)溫度。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件，上位機(jī)負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的動(dòng)畫顯示、相關(guān)數(shù)據(jù)查詢，下位機(jī)采用派克（Park）矢量方法及信息融合技術(shù)將各個(gè)測(cè)控點(diǎn)送來(lái)的電參數(shù)、溫度參數(shù)及振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析融合，從而將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)?；赑ark 矢量方法，對(duì)電動(dòng)機(jī)三相電流進(jìn)行融合，獲得Park 矢量軌跡圖像和Park 矢量模平方融合電流信號(hào)。

3.1 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控界面是采用面向?qū)ο蟮腂orland Delphi 語(yǔ)言開發(fā)的一套數(shù)據(jù)采集組態(tài)軟件。該軟件采用C/S 機(jī)構(gòu)，方便快捷的自由組態(tài)方式，以有線或無(wú)線通訊方式，通過智能終端（RTU、PLC、工控機(jī)等），實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表及控制設(shè)備的“四遙”（遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)）功能。圖3 和圖4 為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)主控界面和數(shù)據(jù)查詢界面。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控主界面

圖4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)查詢

廠區(qū)所有電動(dòng)機(jī)可以非常形象直觀地繪制在計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件的相關(guān)畫面上，實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)都可以用圖形、曲線、文字、數(shù)值表現(xiàn)在該畫面中，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況用動(dòng)畫表現(xiàn)出來(lái)。除形象的組態(tài)畫面外，還可以用表格形式查詢?nèi)魏螜z測(cè)到的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)將相應(yīng)數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)打印成各種報(bào)表。

3.2 下位機(jī)軟件系統(tǒng)

下位機(jī)PLC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸。每次可以采集16 路數(shù)據(jù)，前8 路采集8 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電參數(shù)，后8 路采集電動(dòng)機(jī)的溫度及振動(dòng)參數(shù)。下位機(jī)軟件程序流程圖如圖5 所示。

圖5 下位機(jī)軟件程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)成功運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相電壓、電流發(fā)生缺相及三相不平衡，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常，繞組溫度過高時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用派克（Park）矢量方法與信息融合技術(shù)進(jìn)行算法分析，確定故障后發(fā)出聲光報(bào)警或直接控制停機(jī)，提醒維修人員進(jìn)行檢查，并做故障信息記錄供事后查詢。

5 結(jié)論

本文描述的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于兗州煤業(yè)股份有限公司宏力新型建材廠。

項(xiàng)目實(shí)施后減少了電機(jī)故障對(duì)生產(chǎn)的影響，較目前因電機(jī)帶來(lái)的事故影響按生產(chǎn)時(shí)間計(jì)算可提高產(chǎn)量的10%，預(yù)計(jì)提高收入140 萬(wàn)元。在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低機(jī)電設(shè)備因故障造成的事故率80%以上，按每臺(tái)節(jié)約2000 元維修費(fèi)用計(jì)算，48 臺(tái)電機(jī)預(yù)計(jì)節(jié)約維修費(fèi)9.6 萬(wàn)元。減少了職工崗點(diǎn)操作和維修量，節(jié)約20人崗位工操作，節(jié)約工資成本（每人按5 萬(wàn)元/年計(jì)算）100 萬(wàn)元。

通過該項(xiàng)目的研究實(shí)施，達(dá)到了電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行異常情況進(jìn)行追蹤，預(yù)測(cè)其劣化趨勢(shì)，確定劣化及磨損程度等，及時(shí)掌握電動(dòng)機(jī)在線運(yùn)行情況，及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷出電動(dòng)機(jī)故障并采取相應(yīng)措施，從而降低了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了電動(dòng)機(jī)的使用壽命，減少了故障隱患，對(duì)于保障電動(dòng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行以及企業(yè)的安全生產(chǎn)起到了積極的作用。