電機智能傳感器在電機運行管理中的應用

齊日昊

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，各生產廠所需的電機數(shù)量也不斷增加，保證各類電機的高效穩(wěn)定運行就成為了整個公司平穩(wěn)生產的基礎，因此對各類電機的日常檢測維護工作就成為點檢維保的重中之重。

實際工作中電機的檢查都是采用人工日常點巡檢，而人工點巡檢往往存在疏漏的可能性，并且存在測量誤差和時效性問題。沒有高效可行的手段對電機各項參數(shù)進行實時監(jiān)控，各項參數(shù)就無法形成連續(xù)記錄，一旦電機發(fā)生故障，沒有有效的數(shù)據(jù)支撐，就無法深入分析故障原因，這成為日常電機維護管理工作的一大難點。

對電機系統(tǒng)的運行而言，在早期進行設備的診斷工作是非常必要的，早期發(fā)現(xiàn)，早期解決，才能整體降低危險發(fā)生的概率［1］。

1 現(xiàn)場應用需求分析

為有效地對電機進行監(jiān)測，提升電機管理能力，形成電機的全壽命周期管理，需要建立一整套完善的數(shù)字化監(jiān)測手段，便于生產設備關鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲、查閱和管理，提升對故障的預警和診斷能力，并提升故障發(fā)生后的原因分析能力。具體現(xiàn)場應用需求如下。

（1）對電機狀況進行實時監(jiān)測，自動將診斷和監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳并顯示在主監(jiān)測上位機上，在系統(tǒng)中顯示關鍵績效指標。所有智能傳感器數(shù)據(jù)最終可以傳輸給車間設備監(jiān)控系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”智能制造場景。

（2）通過專享的手機和網(wǎng)頁客戶端，維護人員可以看到自己所關心的電機整體狀態(tài)，同時，可以自行選擇需要展示的電機參數(shù)以及任意時間段對應的電機狀態(tài)，可以一目了然地看到多臺電機的健康狀況，根據(jù)具體狀態(tài)合理安排維護計劃。

（3）針對出現(xiàn)異常的設備，系統(tǒng)會自動推送報警信息，維護人員可以根據(jù)報警，查看設備具體運行異常點，根據(jù)事件日志，維護人員也可以下達維護任務，形成維護記錄，生成該設備的病歷卡。

（4）現(xiàn)場所需的電機智能傳感器應具備適用電機種類多、信號覆蓋范圍廣、安裝便捷等特點，同時具備數(shù)據(jù)分析能力，能對電機各項參數(shù)進行實時分析，并第一時間對故障進行報警提示。

2 電機智能傳感器的應用

2.1 應用背景

過去，電機永久安裝的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)過于昂貴，且對不同型號電機的兼容性較差。而現(xiàn)在，電機智能傳感器是一個狀態(tài)監(jiān)測的良好解決方案，可以使大多數(shù)低壓電機實現(xiàn)預測性維護。電機智能傳感器可以獲取振動、溫度及其他電機運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來準確判斷電機的運行狀態(tài)和性能，維護工作可以根據(jù)實際需要而不是基于通用時間表來進行。這可以延長30%的設備使用壽命，降低維護成本，并減少或防止因故障導致的意外停機。該解決方案可以縮短70%的宕機時間，并降低10%的能耗。[2]

2.2 應用特性

電機智能傳感器可以生成和發(fā)送“大數(shù)據(jù)”并通過網(wǎng)絡傳輸方式將傳動鏈的“大數(shù)據(jù)”傳輸?shù)綄Ｓ性破脚_，通過手機和網(wǎng)頁客戶端呈現(xiàn)被監(jiān)測電機、軸承等部件的健康參數(shù)（溫度、振動等）以及故障報警事件，以供故障分析并制定維護計劃，并為預測性維護和工廠范圍內的操作和能耗優(yōu)化奠定基礎。

2.3 設備參數(shù)

選擇某公司的電機智能傳感器，設備參數(shù)見表1。

表1 電機智能傳感器設備參數(shù)

電機智能傳感器集成加速度、溫度、磁場、聲音等多物理量測量，可監(jiān)測故障類型多，結果置信度高。使用無線傳輸數(shù)據(jù)，信號覆蓋范圍廣，使用手機采集數(shù)據(jù)時，相較傳統(tǒng)手持儀器，可距離電機更遠，人身安全更有保障。

1 臺電機，僅需1 個傳感器，相較傳統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測產品，使用傳感器更少，硬件整體成本更低。通過電機智能傳感器的投用，可以實現(xiàn)以下功能。

（1）通過專用云平臺對數(shù)據(jù)的智能分析，實現(xiàn)電機故障提前預警，并根據(jù)當前電機的運行狀態(tài)自動推送運維建議，避免小問題衍生出大事故，減少非計劃停機次數(shù)。

（2）通過專用云平臺對數(shù)據(jù)的智能分析，實現(xiàn)電機故障提前預警，并根據(jù)當前電機運行狀態(tài)自動推送運維建議，避免惡性事故發(fā)生。

（3）提升電機可靠性，保障產線長周期的連續(xù)穩(wěn)定生產，提高生產效益。

（4）可以對生產流程上關鍵電機進行管控，保障生產工藝穩(wěn)定。

（5）根據(jù)系統(tǒng)運維建議，可以實現(xiàn)運維工作安排和運維人員工作效能優(yōu)化。

（6）有效支持電機備品備件的管理優(yōu)化。

2.4 設備安裝

電機智能傳感器有楔形底座和鋁卡扣兩種安裝方式，不需要布線，不需要鉆孔，可以直接固定在電機外殼散熱片上，無需使用專用工具，對于各類低壓電機均適用。

2.5 數(shù)據(jù)查看方式

電機智能傳感器有兩種數(shù)據(jù)查看方式，分別為APP和網(wǎng)頁客戶端。這兩種方式均可以詳細查看電機內的各項測量參數(shù)，并對相關事件進行提醒關注，提供決策建議。

3 應用案例分析

某公司制氧區(qū)域使用的電機等旋轉機械設備有百臺以上，存在設備故障損耗高、人員巡檢難度大等問題。為更好地保證電機的穩(wěn)定運行，采購了8 臺電機智能傳感器安裝于制氧后備系統(tǒng)液體泵電機上，以此對電機運行狀態(tài)和健康數(shù)據(jù)進行定期監(jiān)控。

2021 年7 月15 日，1 臺安裝在電壓為380 V、轉速為2 968 r∕min的立式液體泵變頻電機的智能傳感器發(fā)出報警，提示“需對驅動端軸承進行檢查，觀察設備運行情況”。通過檢查發(fā)現(xiàn)驅動端軸承溫度出現(xiàn)升高現(xiàn)象，但振動及軸承運行聲音無異常，技術人員開始重點關注該電機的運行狀態(tài)。

2021 年7 月16 日，該電機智能傳感器再次發(fā)出報警，提示“電機振動偏高，需要觀察運行”。

2021 年7 月19 日，該電機智能傳感器再次發(fā)出警告，提示“要立即確認系統(tǒng)內自動生成的詳細振動分析報告，并應立即對電機驅動端軸承進行更換”。這次警告后，技術人員立即到現(xiàn)場對電機進行檢查，發(fā)現(xiàn)電機振動值超標，軸承聲音異常，驅動端溫度持續(xù)升高。通過檢查系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)振動大幅升高，已超過標準值2.8 mm∕s。

發(fā)現(xiàn)問題后技術人員立即倒泵停機，并對電機進行解體檢修，檢修發(fā)現(xiàn)驅動端軸承保持架已損壞（見圖1），保持架掉落造成電機驅動端內部磨損，導致溫度升高，同時由于軸承損壞，無法保持電機軸的同心度，導致振動升高，這是故障的直接原因。

圖1 軸承保持架損壞

根據(jù)電機智能傳感器記錄的其他參數(shù)，繼續(xù)發(fā)掘導致軸承損壞的深層次原因。首先，考慮軸承是否缺油，結合傳感器的檢測和日常加油記錄判斷，軸承并不缺油。之后繼續(xù)分析研讀電機運行期間傳感器記錄的振動數(shù)據(jù)，確認電機軸承故障的根本原因如下。

（1）電機軸與離心泵轉軸采用軸套硬連接，離心泵葉輪自由度完全依靠電機定位，以避免葉輪和泵殼等動、靜部件碰撞、摩擦和磨損，造成離心泵振動、損壞。因此離心泵在運行時所產生的軸向推力，全部由電機軸承承擔。

（2）與臥式電機相比，立式電機的軸承必須能承擔較大的軸向力，而普通的深溝球軸承主要承擔徑向負荷和一定的軸向負荷，不能承受軸向重載荷。

（3）對比一期制氧液體泵也采用多級離心泵，電機同為立式安裝形式，電氣驅動端采用的是雙推力軸承，非驅動端采用軸承為深溝球軸承，軸承可以承受更強的軸向力。

綜上判斷電機軸承選型不合理，是造成電機投運后頻繁出現(xiàn)軸承損壞的根本原因。

截至目前，自電機智能傳感器使用以來，共報警提示26 次，故障提示6 次，避免故障停機8 次，消除系統(tǒng)停機損失850萬元。

通過電機智能傳感器的應用，使我們能第一時間對設備運行情況有準確的了解，對電機出現(xiàn)的問題能夠第一時間進行預防性處理，避免故障進一步加重，杜絕電機本體結構損傷，同時消除了由于設備故障停機對整個產線系統(tǒng)的影響，節(jié)省了大量的人力、物力，保證了空分系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 結語

如何提高設備的可利用率，控制設備故障的發(fā)生率是設備管理工作中的重點。電機智能傳感器以先進無線傳輸技術作為基礎，屬于在線振動監(jiān)測系統(tǒng)的一種類型，可以對多個機組和多種類型的設備進行集中監(jiān)測，可以對頻繁發(fā)生故障的位置進行重點關注，及時播報與故障相關的數(shù)據(jù)，從而達到預警和報警的效果［3］。

使用電機智能傳感器可以實時監(jiān)測電機的各項參數(shù)，便于電機關鍵運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲、查閱、管理，為電機運行狀態(tài)的分析提供強大的數(shù)據(jù)支持，提升對故障的預警、預知和診斷能力，大大提高了維護人員的事故響應能力，為電機日常的穩(wěn)定運行與維護管理提供強大助力。