Автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателя
Полезная модель относится к области автоматики и информационно-измерительной техники и может быть использована для контроля технического состояния различных электродвигателей (ЭД), без их разборки и управления этим состоянием в процессе эксплуатации. Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является реализация возможности контроля технического состояния ЭД в процессе эксплуатации, что позволит реализовать стратегию обслуживания и ремонта, основанную на индивидуальном наблюдении за изменениями фактического состояния конкретного ЭД в процессе эксплуатации, реализация возможности одновременного контроля до трех ЭД, расширение функциональных возможностей системы контроля, за счет увеличения числа контролируемых параметров ЭД. Данная задача решается за счет того, что заявляемая автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателя, содержащая установленные на электродвигателе датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников, датчики вибрации, датчики тока, датчик частоты вращения ротора электродвигателя, электронно-вычислительную машину, согласно заявляемой полезной модели, в нее введены первое устройство сбора данных, узел управления питанием электродвигателя, n-канальный модуль согласования измерительных сигналов и датчик влажности воздуха, при этом электронно-вычислительная машина выполнена в виде персонального компьютера с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации, причем выход первого устройства сбора данных соединен с входом персонального компьютера, выход которого соединен с входом узла управления питанием электродвигателя, а вход первого устройства сбора данных соединен с выходом n-канального модуля согласования измерительных сигналов, к которому подключены датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников электродвигателя, датчики тока, датчики вибрации, датчик частоты вращения ротора электродвигателя и датчик влажности воздуха, при этом персональный компьютер с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации содержит соединенный с первым устройством сбора данных первый графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный в свою очередь с блоком виртуальных термометров, блоком виртуальных амперметров, блоком виртуальных виброметров, виртуальным тахометром через виртуальный триггер Шмитта, виртуальным гигрометром и модулем контроля качества питания электродвигателя, а также второй графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный с виртуальным тумблером программного управления питанием электродвигателя и узлом управления питанием электродвигателя, включающим в себя последовательно соединенные второе устройство сбора данных, МОП-транзистор и электромагнитное реле, соединенное с электродвигателем. 1 ил.
Полезная модель относится к области автоматики и информационно-измерительной техники и может быть использована для контроля технического состояния различных электродвигателей (ЭД), без их разборки и управления этим состоянием в процессе эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является стендовый комплекс контроля вибрации и автоматизированной диагностики электрических машин ЯШМА-ЭД, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений и допущенный к применению в Российской Федерации (http://www.diamech.ru/stend_yashma_ed.html, RU.С.28.004.A 
30406), который содержит однокомпонентный датчик вибрации, датчик частоты вращения, датчик температуры, датчик измерения силы тока, виброизмерительный модуль ЯШМА.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности контроля технического состояния ЭД в процессе эксплуатации в силу того, что комплекс является стендовым и предназначен для проведения приемосдаточных или послеремонтных испытаний. Кроме того, отсутствие контроля влажности среды не позволяет защитить ЭД от возможного пробоя изоляции фазных обмоток в случае запуска при высокой относительной влажности.
На фоне указанных недостатков невозможна реализация стратегии обслуживания и ремонта, основанной на индивидуальном наблюдении за изменениями фактического состояния конкретного ЭД в процессе эксплуатации.
Недостатком данного технического решения, кроме того, является возможность контроля не более одного ЭД.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является реализация возможности контроля технического состояния ЭД в процессе эксплуатации, что позволит реализовать стратегию обслуживания и ремонта, основанную на индивидуальном наблюдении за изменениями фактического состояния конкретного ЭД в процессе эксплуатации, реализация возможности одновременного контроля до трех ЭД, расширение функциональных возможностей системы контроля, за счет увеличения числа контролируемых параметров ЭД.
Данная задача решается за счет того, что в автоматизированную систему контроля технического состояния электродвигателя, содержащую установленные на электродвигателе датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников, датчики вибрации, датчики тока, датчик частоты вращения ротора электродвигателя, электронно-вычислительную машину, согласно заявляемой полезной модели, введены первое устройство сбора данных, узел управления питанием электродвигателя, n-канальный модуль согласования измерительных сигналов и датчик влажности воздуха, при этом электронно-вычислительная машина выполнена в виде персонального компьютера с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации, причем выход первого устройства сбора данных соединен с входом персонального компьютера, выход которого соединен с входом узла управления питанием электродвигателя, а вход первого устройства сбора данных соединен с выходом n-канального модуля согласования измерительных сигналов, к которому подключены датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников электродвигателя, датчики тока, датчики вибрации, датчик частоты вращения ротора электродвигателя и датчик влажности воздуха, при этом персональный компьютер с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации содержит соединенный с первым устройством сбора данных первый графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный в свою очередь с блоком виртуальных термометров, блоком виртуальных амперметров, блоком виртуальных виброметров, виртуальным тахометром через виртуальный триггер Шмитта, виртуальным гигрометром и модулем контроля качества питания электродвигателя, а также второй графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный с виртуальным тумблером программного управления питанием электродвигателя и узлом управления питанием электродвигателя, включающим в себя последовательно соединенные второе устройство сбора данных, МОП-транзистор и электромагнитное реле, соединенное с электродвигателем.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема автоматизированной системы контроля технического состояния ЭД.
Блокам, узлам, устройствам и элементам присвоены следующие позиции:
I - верхний уровень;
II - коммуникационный уровень;
III - нижний уровень;
IV - полевой уровень;
1 - персональный компьютер (ПК);
2 - программа регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации;
3 - первый графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent;
4 - первое устройство сбора данных NI 6024 Е;
5 - n-канальный модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/В;
6 - датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников ЭД B57861S303F40;
7 - блок виртуальных термометров;
8 - датчик частоты вращения ротора ЭД FR05CM21AR;
9 - виртуальный триггер Шмитта;
10 - виртуальный тахометр;
11 - датчик влажности воздуха 808H5V6;
12 - виртуальный гигрометр;
13 - датчики тока CSLW6B5;
14 - блок виртуальных амперметров;
15 - датчики вибрации ADXL202JQC;
16 - блок виртуальных виброметров;
17 - виртуальный тумблер программного управления питанием ЭД;
18 - модуль контроля качества питания ЭД;
19 - второй графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent;
20 - второе устройство сбора данных USB-6008;
21 - МОП-транзистор;
22 - электромагнитное реле;
23 - узел управления питанием ЭД;
24 - электродвигатель (ЭД).
Как видно из блок-схемы, автоматизированная система контроля технического состояния ЭД состоит из четырех иерархических уровней. Верхний уровень - I системы включает в себя: ПК - 1, который предоставляет системе аппаратные ресурсы и программу регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации - 2, которая содержит первый графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 3, блок виртуальных термометров - 7, виртуальный триггер Шмитта - 9, виртуальный тахометр - 10, виртуальный гигрометр - 12, блок виртуальных амперметров - 14, блок виртуальных виброметров - 16, модуль контроля качества питания - 18, виртуальный тумблер программного управления питанием - 17, и второй графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 19.
Программа регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации - 2 разработана в среде графического программирования Lab VIEW.
Коммуникационный уровень - II системы включает в себя первое устройство сбора данных (УСД) NI 6024 Е - 4, которое решает задачи опроса, оцифровки и трансляции сигналов с датчиков температуры фазных обмоток статора и подшипников - 6, датчика частоты вращения ротора - 8, датчика влажности воздуха - 11, датчиков тока - 13, датчиков вибрации - 15 в ПК - 1 через интерфейс PCI (на блок-схеме не показан).
Кроме того, коммуникационный уровень - II системы включает в себя узел управления питанием - 23, который содержит второе УСД USB-6008 - 20, МОП-транзистор - 21 и электромагнитное реле - 22. Узел управления питанием - 23 решает задачу управления питанием электродвигателя 24 на аппаратном уровне.
Нижний уровень - III включает в себя n-канальный модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/B - 5, который выполняет масштабирование, фильтрацию, мультиплексирование сигналов с датчиков - 6, 8, 11, 13, 15, а также обеспечивает взаимосвязь выходных параметров датчиков с входными параметрами первого УСД NI 6024 Е - 4 и интерфейс для передачи измерительных сигналов с датчиков 6, 8, 11, 13, 15 в первое УСД NI 6024 Е - 4.
Полевой уровень - IV включает в себя электродвигатель (ЭД) - 24, а также датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников - 6, датчик частоты вращения ротора электродвигателя - 8, датчики тока - 13 и датчики вибрации - 15, необходимые для регистрации параметров ЭД - 24, характеризующих его техническое состояние.
Дополнительно полевой уровень - IV включает в себя датчик влажности воздуха - 11 для контроля влажности среды.
Автоматизированная система контроля технического состояния ЭД работает следующим образом.
При запуске системы программа регистрации параметров технического состояния - 2 инициирует циклический опрос датчиков - 6, 8, 11, 13, 15 подключенных к системе. Измерительные сигналы с терминалов этих датчиков поступают в n-канальный модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/B - 5 с целью масштабирования, фильтрации и мультиплексирования. Кроме того, модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/B - 5 обеспечивает взаимосвязь выходных параметров датчиков 6, 8, 11, 13, 15 с входными параметрами первого УСД NI 6024 Е - 4 и обеспечивает передачу измерительных сигналов для аналого-цифрового преобразования. Далее оцифрованная измерительная информация передается первым УСД NI 6024 Е - 4 в ПК - 1 по интерфейсу PCI. Программную поддержку УСД NI 6024 Е - 4 в среде Windows обеспечивает драйвер NI-DAQmx (на блок-схеме не показан), который представляет собой обширную библиотеку функций. Эти функции могут вызываться из среды разработки приложений Lab VIEW. В программе регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации - 2 используется первый графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 3, который позволяет генерировать NI-DAQmx код для обращения к первому УСД NI 6024 Е - 4 с целью получения оцифрованных измерительных сигналов с датчиков - 6, 8, 11, 13, 15. Далее измерительные сигналы подаются в соответствующие виртуальные приборы - 7, 10, 12, 14, 16, содержащиеся в программе регистрации параметров технического состояния - 2.
Виртуальный гигрометр - 12 получает измерительный сигнал от датчика влажности - 11, после обработки, которой, отображает значение относительной влажности воздуха в процентах на лицевой панели программы регистрации параметров технического состояния - 2. Проверка уровня влажности производится перед пуском ЭД - 24. В случае если величина влажности превысит порог в 80%, система блокирует запуск ЭД - 24 с целью предотвращения возможного пробоя изоляции фазных обмоток.
Блок виртуальных термометров - 7 регистрирует величины температур фазных обмоток и подшипников ЭД - 24 до пуска и в процессе его эксплуатации. При этом измерительные сигналы поступают от датчиков температуры - 6, встроенных в обмотки статора ЭД - 24 и от датчиков температуры - 6, подведенных к неподвижным кольцам подшипников ЭД - 24. В случае превышения величин температур над допустимым уровнем система включает светодиодную индикацию и звуковое оповещение, а при возникновении перегрева автоматически отключает питание ЭД - 24 с целью сохранения его ремонтопригодности. Система блокирует запуск ЭД - 24 пока температура не снизится до установленной величины. Система управляет питанием ЭД - 24 через узел управления питанием - 23.
Виртуальный тахометр - 10 получает измерительный сигнал от датчика частоты вращения ротора - 8 в процессе эксплуатации ЭД - 24. При этом измерительный сигнал предварительно обрабатывается виртуальным триггером Шмитта - 9 с целью подавления шумов, искажающих истинное значение частоты вращения ротора ЭД - 24. После математической обработки измерительных сигналов виртуальный тахометр - 10 отображает число оборотов ротора ЭД - 24 в единицу времени на лицевой панели программы регистрации параметров технического состояни - 2 с помощью виртуального стрелочного индикатора. Используя виртуальный тахометр - 10, система способна обнаружить анормальные режимы работы ЭД - 24, а также заклинивание ротора, при возникновении которого инициируется автоматическое отключение питания ЭД - 24. Для этого задействуется узел управления питанием - 23.
Блок виртуальных амперметров - 14 регистрирует величины токов, потребляемых фазными обмотками ЭД - 24 в процессе эксплуатации. При этом измерительные сигналы поступают с датчиков тока - 13. Используя данные блока виртуальных амперметров - 14, система способна обнаружить перегрузку ЭД - 24, обрыв фазных обмоток, перекос фаз и короткие замыкания в цепи фазных обмоток.
Отклонение показателей качества подводимой к ЭД электроэнергии приводит к появлению признаков нарушения работоспособного состояния ЭД - 24, которое может быть ошибочно воспринято как отказ. Для исключения подобных ошибок в автоматизированную систему контроля технического состояния ЭД введен модуль контроля качества питания - 18.
Контроль качества питания производится путем анализа синусоидальности кривой фазных токов ЭД - 24, для чего сигналы, поступающие от датчиков тока - 13, подвергаются разложению на гармонические составляющие.
Блок виртуальных виброметров - 16 регистрирует уровни вибрации ротора и подшипников ЭД - 24 по трем осям. При этом измерительные сигналы поступают от датчиков вибрации - 15. После соответствующей обработки измерительных сигналов блок виртуальных виброметров - 16 отображает на графиках такие параметры вибрации как ускорение в мм/с2, скорость в мм/с и смещение в мм. Вибросигналы отображаются на графиках во временной и частотной областях.
Запуск ЭД - 24 производится программно с помощью виртуального тумблера программного управления питанием - 17, содержащегося в программе регистрации параметров технического состояния - 2. Для этого используется второй графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 19, который позволяет генерировать NI-DAQmx код для управления терминалом цифрового порта второго УСД USB-6008 - 20. При включении ЭД - 24 на терминале цифрового порта второго УСД USB-6008 - 20 выставляется логическая единица, что приводит к падению величины сопротивления проводящего канала МОП-транзистора - 21. При этом на контакты управляющей обмотки электромагнитного реле - 22 подается напряжение, достаточное для замыкания питающих контактов, вследствие чего происходит подключение ЭД - 24 к сети электропитания. При выключении ЭД - 24 на терминале цифрового порта второго УСД USB-6008 - 20 выставляется логический нуль, вследствие чего сопротивление проводящего канала МОП-транзистора - 21 возрастает. При этом величина напряжения на контактах управляющей обмотки электромагнитного реле - 22 спадает ниже уровня порога отпускания, что приводит к размыканию питающих контактов ЭД - 24.
Таким образом, автоматизированная система контроля технического состояния ЭД получая от виртуальных приборов - 7, 10, 12, 14, 16 информацию о параметрах ЭД - 24, характеризующих его техническое состояние производит анализ этой информации на наличие признаков нарушения работоспособного состояния. В случае обнаружения таких признаков система сообщает об этом оператору для принятия им соответствующего эксплуатационно-технического решения.
Система способна одновременно контролировать техническое состояние до трех электродвигателей.
Использование заявляемой автоматизированной системы контроля технического состояния электродвигателя позволит обеспечить:
своевременное предупреждение отказов;
сохранение ремонтопригодности ЭД;
максимальное использование ресурса ЭД;
повышение коэффициентов готовности и технического использования;
повышение эксплуатационной надежности;
сокращение эксплуатационных расходов, связанных с уменьшением объема ремонтных работ, сокращением запасных частей и принадлежностей и экономией трудовых затрат.
1. Автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателя, содержащая установленные на электродвигателе датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников, датчики вибрации, датчики тока, датчик частоты вращения ротора электродвигателя, электронно-вычислительную машину, отличающаяся тем, что в нее введены первое устройство сбора данных, узел управления питанием электродвигателя, n-канальный модуль согласования измерительных сигналов и датчик влажности воздуха, при этом электронно-вычислительная машина выполнена в виде персонального компьютера с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации, причем выход первого устройства сбора данных соединен с входом персонального компьютера, выход которого соединен с входом узла управления питанием электродвигателя, а вход первого устройства сбора данных соединен с выходом n-канального модуля согласования измерительных сигналов, к которому подключены датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников электродвигателя, датчики тока, датчики вибрации, датчик частоты вращения ротора электродвигателя и датчик влажности воздуха.
2. Автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателя по п.1, отличающаяся тем, что персональный компьютер с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации содержит соединенный с первым устройством сбора данных первый графический интерфейс настройки измерительных задач, в свою очередь соединенный с блоком виртуальных термометров, блоком виртуальных амперметров, блоком виртуальных виброметров, виртуальным тахометром через виртуальный триггер Шмитта, виртуальным гигрометром и модулем контроля качества питания электродвигателя, а также второй графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный с виртуальным тумблером программного управления питанием электродвигателя и узлом управления питанием электродвигателя, включающим в себя последовательно соединенные второе устройство сбора данных, МОП-транзистор и электромагнитное реле, соединенное с электродвигателем.
