智能電機集成式多參數融合健康診斷及預警系統的製作方法

2023-12-02 19:18:36 3

本發明涉及一種電機健康診斷及預警技術，特別是一種智能電機集成式多參數融合健康診斷及預警系統。屬於電機的智能在線監測領域。

背景技術：

電機廣泛應用於工業生產的各個領域，在運行過程中可能會出現各種類型故障，如過壓，過流、過載、缺相、溫度異常等，影響整個系統和生產的正常進行，甚至造成嚴重的經濟損失。針對這一問題傳統上採用電機保護裝置解決，電機保護是檢測到故障發生時主動跳閘，防止故障擴大，雖然保護了電機本體免受損壞，但是由於保護跳閘具有隨機性，會意外中斷生產過程，仍然可能造成嚴重經濟損失。

電機故障的產生是由多種因素導致的，包括電機設計缺陷、運行環境、工作方式、運行工況等，而且電機故障的產生是一個漸進的過程，在發生故障前會有不正常運行狀態或故障先兆出現，如果能夠提前發現電機的不正常運行狀態或故障先兆，提前預警進行檢修維護，就能有效防止故障的發生，提前安排調整生產計劃，有效避免影響正常生產。

我國電機大量投入生產的同時，也產生了一系列的問題，比較顯著的就是針對電機的健康診斷和故障預警技術沒有隨著大量電機的投入運行而明顯提高，導致電機故障頻發。目前國內在這方面的研究不多，由於所獲取的參量較少，評估結果與實際情況還有較大的出入。如中國專利「一種電機故障監測及報警裝置」（申請號：201510713436.x）提出了基於電能採樣、溫度採集和溼度採集的多參數故障監測及報警裝置，實現了電機運行狀態的監測和故障診斷。但是未能實現故障預警，而且採集的電機運行參數類型較少，該裝置中只採集了電機的電能、溫度和溼度，顯然不足以精確分析故障原因和準確評估電機健康狀況。裝置和電機為分體式，安裝拆卸不便，部分傳感器甚至需要拆開電機安裝拆卸，且成本高、佔用空間大，不具備通用性；該裝置的目的是為了電機運行狀態實時監測和故障診斷，難以進行電機的大數據積累，更不能實現電機的健康診斷。

有統計表明，如果能有效地對設備進行監測並做出及時的故障診斷預警，設備的故障率大約能降低75%，其相關的維修費用也會下降38%左右。因此，對電機進行故障精確診斷與預警，對保障使用單位安全運行、提高電機效率有著重要的現實意義和經濟價值。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提出一種智能電機集成式多參數融合健康診斷及預警系統。將電機運行參數採集裝置和對應的傳感器預先集成安裝在電機上，與電機配套集成一體，實現電機運行過程中的多參數、長期、連續、實時的全面運行大數據的採集和積累，基於多參數融合進行就地電機工作狀態的精確辨識、判斷和預警，並根據電機運行歷史數據進行電機健康診斷。具有結構簡單、免後期安裝、使用方便、成本低廉等優點。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

所述的智能電機集成式多參數融合健康診斷及預警系統包括內置式轉速測量單元（1）、內置式溫度測量單元（2）、內置式電參數測量單元（3）、集成式智能運行監測預警裝置（4）、集成式智能軸承監測預警裝置（5）、集成式智能振動監測預警裝置（6）、便攜設備（7）、雲伺服器（8）。

在電機生產製造時，就將各種運行參數的採集模塊預先內置到電機本體上，與電機配套集成一體，在電機投入運行後，不必進行另行安裝即可直接使用；而且為了保證安裝的效果，在電機設計時，也要為各種運行參數的採集模塊預留合適的安裝空間和位置，解決了後期安裝時拆機麻煩、安裝困難等問題。

內置式轉速測量單元（1）預裝於電機內，實時採集電機（9）的運行轉速，送給集成式智能運行監測預警裝置（4）。

內置式溫度測量單元（2）預裝於電機內，實時採集電機（9）內部關鍵構件（10）的溫度，送給集成式智能運行監測預警裝置（4）。

伴隨著電機故障的產生，一般會出現電機過熱現象，過熱對電機的絕緣是很不利的。每種絕緣材料只能承受一定的溫度，超過自身允許的溫度，就會加速絕緣的老化，縮短電機使用壽命，而且還可能因絕緣損壞引發各種事故。因此，電機過熱故障的檢查、檢測和防護，對於降低事故率和減少事故損失及提高企業的經濟效益是非常重要的。

溫度採集是電機運行大數據的重要組成。基於電機運行異常容易造成的發熱部位，內置式溫度測量單元（2）在電機出廠時直接將溫度探頭分別安裝在定子軛部、定子繞組、定子端部繞組等部位，實時監測電機各個部位溫度，有助於故障預警和壽命預測。而且，有些特殊部位如定子繞組等，在電機投入運行後是無法再進行溫度探頭安裝的。

內置式電參數測量單元（3）預裝於電機內部，實時採集電機（9）的運行電壓、電流，送給集成式智能運行監測預警裝置（4），並據此計算、統計出衍生運行參數。

在電機的故障中，與電氣和機械有關的故障超過65%，機械故障和電氣故障有著一定的聯繫，機械故障很多都是通過電機的電氣特徵表現出來的，如定子繞組的電流、電壓、絕緣電阻等。電機的電參數是電機運行狀態分析的重要數據，也是各種電機控制策略效果的重要體現。因此，通過所述裝置測量的信息，可以針對大部分的電機故障進行診斷和預警。

計算得出的衍生運行參數包括頻率、諧波、電壓等電能質量信息，有功功率、無功功率、視在功率、耗電量等電能信息；以及各運行參數的最大值、最小值、平均值、有效值等特徵信息。統計得出的衍生運行參數包括電壓閃變、驟升、驟降、重合閘、負載波動等發生的時間、次數和規模；以及起停時間、次數、負載率變化及時間區間等工作管理信息。將原始參數和衍生參數與標準指標和歷史數據進行對比分析，一旦達到預警要求，就向外部設備發出預警信號。

集成式智能運行監測預警裝置（4）安裝在電機（9）上，分析、統計轉速、溫度、電壓、電流、衍生運行參數的異常情況，查找故障先兆特徵、判斷電機運行狀態，對電機（9）進行預警。

根據大量的事故統計以及分析結果來看，電機故障通常是由於對早期的故障徵兆重視不夠而引起的，由於不能及時發現以及及時處理，使其發展成為惡性故障。電機能否安全可靠的運行，需要對電機發生的原因、故障徵兆特徵、運行參數的發展變化趨勢等進行分析、判斷和預警。

集成式智能軸承監測預警裝置（5）安裝在電機（9）上，實時採集、處理、分析電機（9）的軸承運行數據，判斷發現軸承異常時，將相關數據發送給集成式智能運行監測預警裝置（4），結合轉速、溫度、電壓、電流、衍生運行參數進行多參數融合分析，對電機（9）進行預警。

集成式智能軸承監測預警裝置（5）的傳感單元分別安裝在電機電機前後軸承上。軸承運轉時由於異物進入軸承內部、潤滑不當及油中存在雜質都會引起磨損，軸承在重載、高速下運轉，短時間內會有噪音，局部甚至會達到高溫，因此通過分析軸承處噪音特徵、溫度上升趨勢和溫升值，可以判別軸承故障發展的速度，以便及時採取措施。

集成式智能振動監測預警裝置（6）安裝在電機（9）上，實時採集、處理、分析電機（9）的振動運行數據，判斷發現振動異常時，將相關數據發送給集成式智能運行監測預警裝置（4），結合轉速、溫度、電壓、電流、衍生運行參數進行多參數融合分析，對電機（9）進行預警。

電機的振動是評定電機質量的主要指標之一，對於大多數電機來說，在穩定工作時，振動頻譜具有特定的特徵，在內部出現故障時，振動頻譜的特徵會發生變化，同時電參數等其他參數也可能會產生相應的變化。

集成式智能運行監測預警裝置（4）綜合轉速、溫度、電壓、電流、衍生運行參數、軸承運行數據、振動運行數據的歷史運行數據及變化趨勢，與電機（9）的正常運行參數進行大數據對比分析，對電機（9）進行健康狀態診斷評估、對健康劣化速度和趨勢進行預測，對電機（9）進行預警。

由於電機故障先兆會表現出多種多樣的徵兆，一個徵兆可能由於多種故障先兆導致，所以對於故障的先兆預警和故障後分析都應建立在多參數綜合數據分析下進行。對電機進行可靠性評估時，獲取各組件的實時參數，並計算和統計衍生參數，建立不同環境因素、不同工況、不同系統結構等因素與可靠性參數之間的關係，搭建更貼合實際的可靠性評估模型。

集成式智能軸承監測預警裝置（5）和集成式智能振動監測預警裝置（6）除了對採集到的數據進行分析以外，都同時將數據和分析結果傳回集成式智能運行監測預警裝置（4）。集成式智能運行監測預警裝置（4）將收集到同時段的多參數進行融合分析，將超過預警閾值和變化趨勢明顯的指標參數作為預警對象。

便攜設備（7）和雲伺服器（8）與集成式智能運行監測預警裝置（4）、集成式智能軸承監測預警裝置（5）、集成式智能振動監測預警裝置（6）交換數據，接受預警信號，並實時存儲、查看電機（9）的全部歷史數據和運行數據。

便攜設備（7）通過無線網絡設置系統的工作參數和預警閾值，並接收系統發出的預警信息，方便現場技術人員改變運行參數、及時了解電機（5）的異常狀態，並採取相應的措施。便攜設備（7）可以是通用的智慧型手機，安裝專用的app即可，也可以是專門的手持機等。雲伺服器（8）還可以隨時記錄電機狀態，形成電機大數據，為電機設計的改進、控制和定期檢修提供依據。

集成式智能運行監測預警裝置（4）、集成式智能軸承監測預警裝置（5）、集成式智能振動監測預警裝置（6）組合在一起工作，或各自獨立工作。

所述預警裝置組合在一起工作時，在各自採集數據的同時，集成式智能軸承監測預警裝置（5）和集成式智能振動監測預警裝置（6）將數據和分析結果傳給集成式智能運行監測預警裝置（4）進行多參數融合分析。各自獨立工作時，三個預警裝置均可獨立採集和分析數據，並可獨立與便攜設備（7）和雲伺服器（8）進行數據交換。

系統還包括內置式環境參數測量單元（11），預裝於電機（9）上，實時採集電機（9）工作區域的環境參數，送給集成式智能運行監測預警裝置（4），輔助進行電機（9）的健康狀態診斷和趨勢預測。

內置式環境參數測量單元（11）測量電機工作區域環境參數，包括環境溫度、溼度、粉塵濃度和氣壓等，送給集成式智能運行監測預警裝置（4）用於輔助分析，並進行儲存。環境對電機的健康狀態、壽命等有很大影響，例如電機繞組絕緣受到損壞，及繞組的導體和鐵心、機殼之間相碰即為繞組接地，這時會造成該相繞組電流過大，局部受熱，嚴重時會燒毀繞組。而出現繞組接地多數是電機受潮引起，有的是在環境惡劣時金屬物或有害粉末進入電機繞組內部造成的。因此，實時監測環境參數，及時提醒運行人員改善運行環境，有利於使電機處在最佳運行狀態，同時，運行環境參數還有助於進行電機故障先兆特徵的判斷，以及輔助評估電機的健康狀態、預測電機使用壽命等。

雲伺服器（8）根據所述系統監測和儲存的各種數據，進行長期歷史運行數據的大數據分析，輔助制定電機（9）的檢修計劃。

雲伺服器（8）儲存的大數據包括電機運行實時和衍生的電參數、溫度、轉速、振動信息、環境溫度以及各個元件或系統的故障率、平均修復時間等可靠性參數的歷史記錄。運行人員根據歷史大數據靈活的制定檢修計劃。

在電機（9）故障或報廢后，雲伺服器（8）根據其壽命期內的長期歷史運行數據，分析電機的設計缺陷，輔助完善電機設計；並在故障後分析界定故障原因和責任。

對電機故障原因的分析關係到故障責任的判定，一些故障是由於在特定環境和運行條件下電機長期非正常運行造成的；一些故障是由於電機設計缺陷，長期使用後造成的。長期歷史運行數據可以明確電機故障責任，輔助完善電機設計缺陷，改善電機控制策略。

與現有技術相比較，本發明具有如下優點：

1）系統通過對溫度、電參數、轉速等多參數進行實時在線採集，在多維度上更好的全面掌握了電機的運行狀態,同時方便搭建更符合實際的可靠性評估診斷模型和精確的預警系統，進行多參數融合分析，以便更加準確地發出預警信號和分析故障原因，進一步明確事故責任。

2）系統對電機進行健康診斷和故障先兆預警，使現場技術人員和製造廠商能夠及時了解電機的異常狀態，並針對故障提出合理的處理措施；同時，幫助運行管理人員合理安排設備的檢修與維護時間，提高生產連續性和可靠性，有效降低電機系統故障率和損壞率。

3）系統採用集成式結構，預先安裝在電機上，運行時採集、處理、計算並存儲電機的各項實時運行數據，相較於分體式設備具有成本低廉、結構簡單、使用時免安裝等優點。

4）通過對電機運行過程中的多參數、長期、連續、實時的全面運行大數據的採集和積累，為電機運行的智能故障診斷、智能狀態預警、智能運行控制、智能運行管理、智能維修維護等直接提供基礎大數據。

附圖說明

圖1：系統結構示意圖。

圖中：1-內置式轉速測量單元，2-內置式溫度測量單元，3-內置式電參數測量單元，4-集成式智能運行監測預警裝置，5-集成式智能軸承監測預警裝置，6-集成式智能振動監測預警裝置，7-便攜設備，8-雲伺服器，9-電機，10-內部關鍵構件，11-內置式環境參數測量單元，12-製造廠商。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明：

圖1為系統結構示意圖。圖中內置式轉速測量單元（1）預裝於電機旋轉部件附近，實時採集電機（9）的運行轉速。內置式溫度測量單元（2）預裝於電機內部關鍵構件（10）上，如定子軛部、定子繞組、定子端部繞組等部位，實時採集電機（9）的內部關鍵構件（10）的溫度。內置式電參數測量單元（3）安裝於電機進線處，分為電壓採集部分和電流採集部分，都通過互感器將電壓和電流轉換成可測範圍，實時採集電機（9）的運行電壓、電流。內置式環境參數測量單元（11），預裝於電機（9）上，實時採集電機（9）工作區域的環境參數，包括環境溫度、溼度和粉塵等。集成式智能軸承監測預警裝置（5）分別安裝在電機（9）的前後軸承上，實時採集、處理、分析電機（9）的軸承運行的溫度、噪聲等數據。集成式智能振動監測預警裝置（6）安裝在電機（9）上，實時採集、處理、分析電機（9）的振動運行數據。

以上所述測量單元和監測預警裝置都分別與集成式智能運行監測預警裝置（4）相連，監測預警裝置判斷發現異常時，將相關數據發送給集成式智能運行監測預警裝置（4），集成式智能運行監測預警裝置（4）融合轉速、溫度、電壓、電流、衍生運行參數、軸承運行數據、振動運行數據的歷史運行數據及變化趨勢，與電機（9）的正常運行參數進行大數據對比分析，對電機（9）進行健康狀態診斷評估、對健康劣化速度和趨勢進行預測，對電機（9）進行預警。

便攜設備（7）和雲伺服器（8）與集成式智能運行監測預警裝置（4）、集成式智能軸承監測預警裝置（5）和集成式智能振動監測預警裝置（6）完成數據交換，並實時存儲、查看電機（9）的全部歷史數據和運行數據。工作人員還可以通過便攜設備（7）設置系統的工作參數和預警閾值。製造廠商（12）通過電腦可以訪問雲伺服器（8），隨時了解電機的實時運行狀態。

以上所述僅為本發明的較佳實施實例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。