電動機運行工況監測系統的設計

山東畜牧獸醫職業學院 劉曉雯 蘇肖肖 李金

引言

三相交流異步電動機是應用最為廣泛的一種電氣設備，在電力系統中，異步電動機的用電量占整個系統的60%以上，在生產過程中屬核心設備。因此，研究電動機運行工況與監測技術，及時掌握電動機在線運行情況，及時、準確地診斷出電動機故障并采取相應措施，對于保障電動機設備的安全運行以及眾多行業與企業的安全生產，具有重大的經濟效益和社會意義。

針對兗州煤業股份有限公司宏力新型建材廠內分布在窯爐底部供風、高溫部分關鍵部位及工藝過程的48 臺電動機及其非關鍵部位電動機進行研發，設計了一套電動機運行工況監測系統，對采集到的所有參數進行算法分析，以信息融合理論來綜合判斷電動機運轉是否正常，預測其劣化趨勢，保障電動機設備的安全運行以及企業的安全生產。

1 系統整體結構概述

整個系統由數據采集與處理模塊、數據傳輸模塊、運算/管理模塊組成，分現場數據采集與處理、上位機組態與運算、數據傳輸與管理三個層次，由工控機組態集中監控。

圖1 系統拓撲結構

2 系統硬件結構分析

2.1 PLC 數據采集器

該模塊是自主研發的基于ARM9 的數據采集器，用于采集16 路485 串口數據，并有232 串口、485 串口、網絡接口各一與上位機通信。采用該數據采集器的優點在于有效避免485 總線上由于單個設備故障引起的總線癱瘓而導致整個系統的通訊異常，并且對采集數據能夠進行相關的算法處理，然后將數據打包發送到上位機。

此單元中可以根據具體情況加載震動、電壓電流、沖擊脈沖、溫濕度傳感器中的幾種或者全部檢測傳感器，并可以選擇使用無線數據傳輸模塊或者有線數據傳輸方式實現數據的對外交流。

2.2 EDA 電參數采集模塊

EDA 電參數采集模塊用于實時采集電動機的三相電壓、電流。該模塊是自主研發的基于ADE7758 與AVR 單片機的電參數采集模塊。ADE7758 是ANALOG DEVICES 公司生產的一種具有精度高，兼容三相三線及三相四線等協議，支持有功、無功、電壓有效值、電流有效值和抽樣值等的測量，支持各種校準功能，支持SPI 串行通信接口，功耗低等優點的電量測量芯片。EDA 電參數采集模塊典型應用如圖2 所示。

圖2 EDA 點參數模塊典型應用圖

EDA 電參數采集模塊可以監測電力線的三相電壓、三相電流和三相總電能，通過485 總線將數據傳輸到上位機或數據采集器，并可以遠程控制電力線的通斷。

2.3 振動檢測模塊

振動檢測模塊用于檢測電動機運行時的平穩度。該模塊采用北京安伏電子技術有限公司生產的Vib90-V5 振動傳感器，它具有內置數字處理器（DSP），可以對振動數據進行FFT（傅立葉變換）分析，得到振動頻譜數據并通過數值分析的方法，計算出振動加速度、速度、位移值，具有很高的精度。采用MODBUS RTU 通訊協議，帶有RS485 標準工業總線，可以連接到PC 機或數據采集器直接讀取振動數據。

2.4 溫度檢測模塊

該模塊采用東林儀表WZP-232 智能溫度采集模塊，它采用MODBUS RTU 通訊協議，一次能夠采集四路溫度，通過485 總線連接到PC 機或數據采集器直接讀取測控點溫度。

3 系統軟件結構分析

系統軟件包括上位機軟件與下位機軟件，上位機負責電動機運行工況的動畫顯示、相關數據查詢，下位機采用派克（Park）矢量方法及信息融合技術將各個測控點送來的電參數、溫度參數及振動參數進行分析融合，從而將數據傳送到上位機。基于Park 矢量方法，對電動機三相電流進行融合，獲得Park 矢量軌跡圖像和Park 矢量模平方融合電流信號。

3.1 上位機軟件系統

上位機監控界面是采用面向對象的Borland Delphi 語言開發的一套數據采集組態軟件。該軟件采用C/S 機構，方便快捷的自由組態方式，以有線或無線通訊方式，通過智能終端（RTU、PLC、工控機等），實現對現場儀器儀表及控制設備的“四遙”（遙測、遙信、遙控、遙調）功能。圖3 和圖4 為電動機運行工況監測系統的上位機主控界面和數據查詢界面。

圖3 上位機監控主界面

圖4 風機運行工況參數查詢

廠區所有電動機可以非常形象直觀地繪制在計算機組態軟件的相關畫面上，實時運行數據和相關檢測數據都可以用圖形、曲線、文字、數值表現在該畫面中，同時根據實際情況用動畫表現出來。除形象的組態畫面外，還可以用表格形式查詢任何檢測到的數據，并且根據將相應數據或統計分析后的數據打印成各種報表。

3.2 下位機軟件系統

下位機PLC 數據采集系統用于數據的采集、處理、傳輸。每次可以采集16 路數據，前8 路采集8 臺電動機的運行電參數，后8 路采集電動機的溫度及振動參數。下位機軟件程序流程圖如圖5 所示。

圖5 下位機軟件程序流程圖

4 系統調試結果

系統成功運行后實現了電動機運行工況的在線監測，當電動機的三相電壓、電流發生缺相及三相不平衡，電動機振動異常，繞組溫度過高時，系統根據采集的數據應用派克（Park）矢量方法與信息融合技術進行算法分析，確定故障后發出聲光報警或直接控制停機，提醒維修人員進行檢查，并做故障信息記錄供事后查詢。

5 結論

本文描述的電動機運行工況監測系統已經成功應用于兗州煤業股份有限公司宏力新型建材廠。

項目實施后減少了電機故障對生產的影響，較目前因電機帶來的事故影響按生產時間計算可提高產量的10%，預計提高收入140 萬元。在現有的基礎上降低機電設備因故障造成的事故率80%以上，按每臺節約2000 元維修費用計算，48 臺電機預計節約維修費9.6 萬元。減少了職工崗點操作和維修量，節約20人崗位工操作，節約工資成本（每人按5 萬元/年計算）100 萬元。

通過該項目的研究實施，達到了電動機的實時在線監測，對電動機的運行異常情況進行追蹤，預測其劣化趨勢，確定劣化及磨損程度等，及時掌握電動機在線運行情況，及時、準確地診斷出電動機故障并采取相應措施，從而降低了值班人員的勞動強度，提高了電動機的使用壽命，減少了故障隱患，對于保障電動機設備的安全運行以及企業的安全生產起到了積極的作用。