制絲線電機(jī)診斷預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用

（浙江中煙寧波卷煙廠，浙江 寧波315040）

某煙草企業(yè)制絲車間包含4條生產(chǎn)線，分別為2條制葉絲線，1條制梗絲線，1條膨脹煙絲線，共計(jì)18個(gè)工藝段，涵蓋2000多臺(tái)電機(jī)設(shè)備。鑒于流水作業(yè)生產(chǎn)線的特性，對(duì)電機(jī)設(shè)備的管理提出很高要求。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，1臺(tái)電機(jī)的損壞，其維修更換時(shí)間需要2-3個(gè)小時(shí)，造成流水作業(yè)中斷，給企業(yè)帶來損失。

目前車間對(duì)電機(jī)診斷主要依靠人工巡檢，通過摸、聞、聽、問的中醫(yī)式方法進(jìn)行診斷，缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐。制定的日常維保計(jì)劃中帶有偶然、不全面的特性，迫切需要一種以數(shù)據(jù)為支撐的電機(jī)診斷預(yù)警系統(tǒng)來指導(dǎo)日常電機(jī)維保計(jì)劃的制定。

1 總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

制絲線電機(jī)診斷預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖如圖1所示，包含以下幾個(gè)部分：（1）PLC與制絲線電機(jī)之間的診斷數(shù)據(jù)傳輸。PLC采用Rockwell RSlogix 5000系列，通過ControNet現(xiàn)場(chǎng)總線方式與具體控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。對(duì)普通電機(jī)和變頻器電機(jī)分別采用Beckhoff KL8001模塊、變頻器網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行通訊耦合；（2）GE ProficyiHistorian(以下簡(jiǎn)稱 IH)）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與PLC之間數(shù)據(jù)傳輸。采用百兆工業(yè)以太網(wǎng)，以O(shè)PC協(xié)議實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)設(shè)備以秒為單位的數(shù)據(jù)采集跟存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供制絲線電機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；（3）WEB平臺(tái)與SQL server 2000關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，處于千兆管理網(wǎng)絡(luò)中。WEB平臺(tái)包含預(yù)警、診斷、統(tǒng)計(jì)等模塊；SQL數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)電機(jī)名稱、診斷參數(shù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，以提供WEB平臺(tái)調(diào)用。

圖1制絲線電機(jī)診斷預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

2 關(guān)鍵技術(shù)方案

（1）PLC與Beckhoff KL8001電機(jī)啟動(dòng)器端子的通信。采用KL8001配以西門子的3RT10系列接觸器構(gòu)成高性能電機(jī)啟動(dòng)器，對(duì)5.5 kW以下的電機(jī)通過總線的方式實(shí)現(xiàn)完全的控制。

通過BK7000總線耦合器，使KL8001融入到制絲車間的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PLC和KL8001的數(shù)據(jù)交換。利用Beckhoff提供的KS2000組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電機(jī)的組態(tài)和參數(shù)修改、監(jiān)控等。KL8001將電機(jī)的保護(hù)、控制和運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)溶于一體，通過對(duì)電機(jī)每相實(shí)時(shí)參數(shù)的測(cè)量，達(dá)到一切防患未然的目的，在電機(jī)出故障前就能做出反應(yīng)。

如圖2所示，KL8001通過扁平電纜與現(xiàn)場(chǎng)總線通訊連接，并在控制器上讀取相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理，尤其是三相電流有效平均值，電機(jī)啟動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)，電機(jī)總的運(yùn)行時(shí)間。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 KL8001通訊與接線

圖3 PLC電機(jī)關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（2）PLC與AB PowerFlex系列變頻器的通信。對(duì)于5.5 kW以上的電機(jī)，采用AB的PowerFlex系列變頻器控制，涉及的變頻器主要有PowerFlex 70、Power－Flex700等型號(hào)。利用配置的ControNet接口，在PLC端編寫梯形圖程序，對(duì)變頻器控制的電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行擇選，確定最為關(guān)鍵的幾個(gè)過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵參數(shù)與PLC間的實(shí)時(shí)通信。如圖4所示。

圖4 AB變頻器通訊與參數(shù)擇選

（3）對(duì)IH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行配置。利用IH數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型建立起來的數(shù)據(jù)庫(kù)，每秒鐘超過20 000個(gè)事件的持續(xù)存儲(chǔ)和檢索速率，通過采用一定的存儲(chǔ)策略，如：多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備輪換，用于處理不斷更新的快速變化的數(shù)據(jù)及具有時(shí)間限制的事務(wù)處理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來解決實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題，同時(shí)利用實(shí)時(shí)技術(shù)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供時(shí)間驅(qū)動(dòng)調(diào)度和資源分配算法。

如圖5所示，對(duì)所需要的電機(jī)參數(shù)通過OPC利用IH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，作為電機(jī)診斷的基礎(chǔ)。

圖5 IH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)配置

（4）構(gòu)建關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。電機(jī)參數(shù)采集在IH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)，但統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)、診斷預(yù)警數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，以提供給Web平臺(tái)調(diào)用。IH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集時(shí)1s/次，數(shù)據(jù)量極其龐大，Web客戶端對(duì)IH的當(dāng)前查詢數(shù)據(jù)只顯示在網(wǎng)頁上，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)不進(jìn)行存儲(chǔ)，只有統(tǒng)計(jì)結(jié)果存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。考慮到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的易用性、穩(wěn)定性以及項(xiàng)目的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，選用SQL server 2000作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果、診斷值、預(yù)警結(jié)果。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分為2個(gè)模塊，1個(gè)模塊為實(shí)時(shí)查詢統(tǒng)計(jì)，1個(gè)模塊為后臺(tái)服務(wù)統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性以電機(jī)的電流為主，開機(jī)時(shí)間和開關(guān)次數(shù)為輔。

（5）WEB平臺(tái)診斷、預(yù)警功能開發(fā)與發(fā)布。挖掘電機(jī)過程參數(shù)的各種意義，找出數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性和應(yīng)用性，搭建合理的數(shù)據(jù)模型，使數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、診斷預(yù)警對(duì)生產(chǎn)管理、設(shè)備管理具有指導(dǎo)作用。結(jié)合部署好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Microsoft.NET開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行軟件編程，開發(fā)出一個(gè)信息高度集中、界面及其友好的電機(jī)管理系統(tǒng)。在開發(fā)過程中考慮以下幾個(gè)功能。

第一，提供設(shè)備管理員的手工數(shù)據(jù)錄入功能。對(duì)電機(jī)的更換、使用起始日進(jìn)行手工錄入維護(hù)，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的有效性。

第二，診斷功能。根據(jù)電流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行診斷，通過對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，借助于人工智能和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立特征參數(shù)的變化規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，描述故障的發(fā)生和發(fā)展過程，做出故障預(yù)測(cè)的結(jié)論，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)在未來任務(wù)段內(nèi)的性能評(píng)估。

第三，預(yù)警功能。根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)論和性能評(píng)估結(jié)果，判斷電機(jī)能否在未來任務(wù)段內(nèi)保證一定的無故障工作時(shí)間。如果不能要求，需要進(jìn)行維修，則按照制訂的維修標(biāo)準(zhǔn)來判斷預(yù)知維修的時(shí)間和規(guī)模，制定維修計(jì)劃。維修結(jié)束后，把相關(guān)故障和維修記錄存入維修記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，為電機(jī)的管理和再次維修提供科學(xué)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。圖6 WEB發(fā)布后臺(tái)電機(jī)信息錄入與實(shí)時(shí)診斷界面。

圖6 WEB發(fā)布后臺(tái)電機(jī)信息錄入與實(shí)時(shí)診斷界面

3 應(yīng)用效果

經(jīng)過不斷的摸索和調(diào)整，按照信息系統(tǒng)提供的維修策略模型，改變了原有的電機(jī)分析、診斷、預(yù)警主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)的方式，沒有具體量化指標(biāo)，為使電機(jī)的維護(hù)、更換、保養(yǎng)和預(yù)警提供量化的強(qiáng)力指導(dǎo)作用。制絲車間的設(shè)備故障時(shí)間降低了40%，維修費(fèi)用降低35%，初步證明了制絲線電機(jī)診斷預(yù)警系統(tǒng)的有效性，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黎 勇，徐元根，胡仲達(dá).基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的制絲電機(jī)設(shè)備預(yù)防性維修策略研究[J].食品與機(jī)械，2014，(3)：31-33.

[2]彭長(zhǎng)征，郝富強(qiáng).設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷在電機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用探討[J].硅谷，2014，15：78-81.