电动机运行工况监测系统的设计

山东畜牧兽医职业学院 刘晓雯 苏肖肖 李金

引言

三相交流异步电动机是应用最为广泛的一种电气设备，在电力系统中，异步电动机的用电量占整个系统的60%以上，在生产过程中属核心设备。因此，研究电动机运行工况与监测技术，及时掌握电动机在线运行情况，及时、准确地诊断出电动机故障并采取相应措施，对于保障电动机设备的安全运行以及众多行业与企业的安全生产，具有重大的经济效益和社会意义。

针对兖州煤业股份有限公司宏力新型建材厂内分布在窑炉底部供风、高温部分关键部位及工艺过程的48 台电动机及其非关键部位电动机进行研发，设计了一套电动机运行工况监测系统，对采集到的所有参数进行算法分析，以信息融合理论来综合判断电动机运转是否正常，预测其劣化趋势，保障电动机设备的安全运行以及企业的安全生产。

1 系统整体结构概述

整个系统由数据采集与处理模块、数据传输模块、运算/管理模块组成，分现场数据采集与处理、上位机组态与运算、数据传输与管理三个层次，由工控机组态集中监控。

图1 系统拓扑结构

2 系统硬件结构分析

2.1 PLC 数据采集器

该模块是自主研发的基于ARM9 的数据采集器，用于采集16 路485 串口数据，并有232 串口、485 串口、网络接口各一与上位机通信。采用该数据采集器的优点在于有效避免485 总线上由于单个设备故障引起的总线瘫痪而导致整个系统的通讯异常，并且对采集数据能够进行相关的算法处理，然后将数据打包发送到上位机。

此单元中可以根据具体情况加载震动、电压电流、冲击脉冲、温湿度传感器中的几种或者全部检测传感器，并可以选择使用无线数据传输模块或者有线数据传输方式实现数据的对外交流。

2.2 EDA 电参数采集模块

EDA 电参数采集模块用于实时采集电动机的三相电压、电流。该模块是自主研发的基于ADE7758 与AVR 单片机的电参数采集模块。ADE7758 是ANALOG DEVICES 公司生产的一种具有精度高，兼容三相三线及三相四线等协议，支持有功、无功、电压有效值、电流有效值和抽样值等的测量，支持各种校准功能，支持SPI 串行通信接口，功耗低等优点的电量测量芯片。EDA 电参数采集模块典型应用如图2 所示。

图2 EDA 点参数模块典型应用图

EDA 电参数采集模块可以监测电力线的三相电压、三相电流和三相总电能，通过485 总线将数据传输到上位机或数据采集器，并可以远程控制电力线的通断。

2.3 振动检测模块

振动检测模块用于检测电动机运行时的平稳度。该模块采用北京安伏电子技术有限公司生产的Vib90-V5 振动传感器，它具有内置数字处理器（DSP），可以对振动数据进行FFT（傅立叶变换）分析，得到振动频谱数据并通过数值分析的方法，计算出振动加速度、速度、位移值，具有很高的精度。采用MODBUS RTU 通讯协议，带有RS485 标准工业总线，可以连接到PC 机或数据采集器直接读取振动数据。

2.4 温度检测模块

该模块采用东林仪表WZP-232 智能温度采集模块，它采用MODBUS RTU 通讯协议，一次能够采集四路温度，通过485 总线连接到PC 机或数据采集器直接读取测控点温度。

3 系统软件结构分析

系统软件包括上位机软件与下位机软件，上位机负责电动机运行工况的动画显示、相关数据查询，下位机采用派克（Park）矢量方法及信息融合技术将各个测控点送来的电参数、温度参数及振动参数进行分析融合，从而将数据传送到上位机。基于Park 矢量方法，对电动机三相电流进行融合，获得Park 矢量轨迹图像和Park 矢量模平方融合电流信号。

3.1 上位机软件系统

上位机监控界面是采用面向对象的Borland Delphi 语言开发的一套数据采集组态软件。该软件采用C/S 机构，方便快捷的自由组态方式，以有线或无线通讯方式，通过智能终端（RTU、PLC、工控机等），实现对现场仪器仪表及控制设备的“四遥”（遥测、遥信、遥控、遥调）功能。图3 和图4 为电动机运行工况监测系统的上位机主控界面和数据查询界面。

图3 上位机监控主界面

图4 风机运行工况参数查询

厂区所有电动机可以非常形象直观地绘制在计算机组态软件的相关画面上，实时运行数据和相关检测数据都可以用图形、曲线、文字、数值表现在该画面中，同时根据实际情况用动画表现出来。除形象的组态画面外，还可以用表格形式查询任何检测到的数据，并且根据将相应数据或统计分析后的数据打印成各种报表。

3.2 下位机软件系统

下位机PLC 数据采集系统用于数据的采集、处理、传输。每次可以采集16 路数据，前8 路采集8 台电动机的运行电参数，后8 路采集电动机的温度及振动参数。下位机软件程序流程图如图5 所示。

图5 下位机软件程序流程图

4 系统调试结果

系统成功运行后实现了电动机运行工况的在线监测，当电动机的三相电压、电流发生缺相及三相不平衡，电动机振动异常，绕组温度过高时，系统根据采集的数据应用派克（Park）矢量方法与信息融合技术进行算法分析，确定故障后发出声光报警或直接控制停机，提醒维修人员进行检查，并做故障信息记录供事后查询。

5 结论

本文描述的电动机运行工况监测系统已经成功应用于兖州煤业股份有限公司宏力新型建材厂。

项目实施后减少了电机故障对生产的影响，较目前因电机带来的事故影响按生产时间计算可提高产量的10%，预计提高收入140 万元。在现有的基础上降低机电设备因故障造成的事故率80%以上，按每台节约2000 元维修费用计算，48 台电机预计节约维修费9.6 万元。减少了职工岗点操作和维修量，节约20人岗位工操作，节约工资成本（每人按5 万元/年计算）100 万元。

通过该项目的研究实施，达到了电动机的实时在线监测，对电动机的运行异常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定劣化及磨损程度等，及时掌握电动机在线运行情况，及时、准确地诊断出电动机故障并采取相应措施，从而降低了值班人员的劳动强度，提高了电动机的使用寿命，减少了故障隐患，对于保障电动机设备的安全运行以及企业的安全生产起到了积极的作用。