新型电机监控预警系统方案

1 前言
现代生产企业中大量使用的电动机和机械系统、电气系统不可避免的劣化并发生故障，如果有些故障不能及时发现，就可能使电机故障，产生生产停顿，并且导致昂贵的维修和停产损失。系统开始劣化初期，其特征还不是很明显，并不是时时出现或周期性出现，能不能及时地发现，这对我们的意义非常重大。依靠严格的管理手段，配备足够的人力，采用相应的电动机保护装置可以使电动机得到一定程度的保护。在现实中常发生的是人力不足或人的责任心不强，电动机保护装置失效或不可靠，而人们又无法知道保护装置何时失效，仍会造成设备事故。
德国万可电子公司提出了最新的电机保护方案——监控预警系统。在系统中提供了相应的电机检测模块和相应的PLC软件，进行实时不间断地监测电动机是否在正常工作，一旦电动机故障，或者电动机及机械设备开始劣化，PLC立即提示报警。
2 电机监控预警原理
从电机的诞生之日起，电机的监控就开始了，现在成熟的电机监控设备多种多样。
2.1 电机运行监控
国产的许多种“电动机监控仪”或者“电机综合保护器”可以对电机运行的各项电参数均实时显示在“电脑”上，各项参数的历史数据还可以保存，用户随时可以查阅这些数据及其趋势曲线。电机的运行状态（运行、停止、通讯故障、过载、过流、堵转、三相不平衡、断相、过压、欠压、短路等）均能一目了然，各种故障还发出声光报警。这是传统的监控方式，它能忠实的记录电机的状态，但是无法进行预警，而且受到产品质量的制约。
有些电机是采用变频器控制的，很多工程师就认为变频器就有电机保护功能了，其实这是个误区。不错，变频器可以对电机有电压电流的保护和监控，但是无法感知振动等机械方面的状态。
2.2 电机预警系统原理
电动机是否运行在最佳的状态一直是用户关心而又无法确定的问题，设备管理者一直希望知道使用中的设备在什么时候会发生故障，如何能最经济地提高设备运转率。理论上只要我们有大量的设备正常运行的数据，同时不断地比较现在的数据，就能判断出设备异常与否。通过采集单元获得的电动机运行参数随时都被存储在计算机的历史数据库中，系统根椐这些参数自动计算，给出电动机全运行过程的经济运行分析，并自动做出该动力设备最佳状态的参数，依据长期连续记录参数作出的方案，可以解除用户的担心，使电动机的监控非常的准确。现在也有设备及技术可以解决这个问题，但投入很大，不具备经济性。
万可公司提供的“电动机监护预警系统”解决方案正是基于这种理论，专门为解决这些问题而开发的。由于有了大量的历史数据为依据，当机械设备或电动机本身发生劣化时，电动机的运行参数必然发生与历史数据不同的变化，计算机总是不断地将采集回来的数据与历史数据比较，经专家系统软件分析后自动发出设备异常报告，提醒设备维护人员的注意，使设备故障在荫芽状态就被发现，从而提高了设备的运转率。由于设备运行异常得到及时发现，将可避免设备的重大事故。
3 WAGO电机监测预警系统
创建于1951年，总部座落于德国的MINDEN市的WAGO公司，是德国专业从事以独创的笼式弹簧压力技术为特征的电连接器、电子模块和现场总线输入/输出系统的跨国公司。现场总线分布式输入/输出自动化控制系统WAGO - I/O – SYSTEM 750（IP20）系列及755（IP67）系列支持PROFIBUS，DeviceNet, Modbus, Interbus, CANBus, LonWorks, Ethernet 等多种国际认证的各种总线协议和工业以太网，还支持串行接口的通讯。这为电机监护预警系统并入到各种总线系统中去建立了良好的硬件基础。
德国万可电子公司提供最新的电机监护预警系统，其底层为电动机监控模块，负责实时采集电机运行电参数（电流、电压的值及振动等），模块采用专用芯片及PLC技术，可靠性高，抗干扰能力强，适应恶劣环境，实现多项电动机经济运行参数的测量及数字化总线传输。完全开放的通讯协议为用户或第三方系统集成商便捷的构建自己的系统。还可以配置上位计算机、电动机管理软件，可以出色的完成电机设备故障预警等丰富功能，满足企业关心的设备故障，降低设备故障率，杜绝重大设备事故，实现设备管理自动化的需求。
主要有以下基本控制功能。
①监控电机工作电流，工作温度。
②监测电机振动，对振动的记录。
③存储和调用预先设定的电机工作参数值。
④可以监控电机的工作状态。
利用以上的有关信息可以判断电机的有关工作状态。
3.1 WAGO电机检测模块
判断电机的工作状态一般需要以下几个模块：
电流检测(0~1/5A)－－750-475；温度检测(RTD/TC)－－750-461或469；振动冲击检测750-645模块等。
 
图一、 实物图
下面分别做介绍：
3.1.1 电流检测(0~1/5A)－－750-475
模拟量输入模块接收有效值为0-1A的AC或DC电流信号，该模块测量电流的均方根(rms)值，并以100μA的分辨率显示。该模块由内部系统电源供电（通过内部数据总线），输入通道为电隔离的差分输入。现场侧与内部系统之间同样电隔离。电流检测模块是为了监控电机电流的异常变化。注意负载电流不要超过额定值。
 
图二、 750-475图
3.1.2 温度检测(RTD/TC)－－750-461/469
为了监测电机的温升不能超过额定值，温度检测(RTD/TC)模块一般是采用750-461（热电阻输入模块）或750-469（热电偶），把电机的温度数据送到PLC中。
750-461热电阻(RTD)输入模块，可直接与两个PT型或Ni型电阻传感器连接。该模块可以连接2线制或3线制传感器。该模块自动线性化整个温度范围。传感器故障由红色LED指示。绿色LED指示该模块工作准备就绪而且与总线适配器之间的通讯无故障，屏蔽端直接连接至DIN导轨。750-469：热电偶输入模块，具有信号中断监控功能，可以直接连接两个热电偶。利用冷端补偿实现对接线端偏移电压的补压。其它同750-461模块，不再累述。这两个模块可以依据需要任选一个。
 
图三、 750-461和750-469图
3.1.3 振动冲击检测750-645
2通道的振动速度/轴承状态监控模块，此模块用于机械振动在线监控，并在振动超出上限报警输出。模块采集两种最重要的参数用于机械状态分析：振动速度和冲击脉冲。振动速度是对机械振动能量的测量，而振动压力则是影响机械的良好指示器。依据ISO 10816-3标准规定计算准则，测量振动的实际值分成四个不同性质的种类。轴状态计算基于高频冲击脉冲，冲击脉冲是短脉冲，它随机械对滚动元件或接触表面的损坏而减少。标准冲击脉冲分为三个不同种类，对轴的状态描述分为：“好”、“受限制”、“坏”。测量计算能够早期检测出磨损趋势曲线。本模块连接Prüftechnik Codiction Monitoring GmbH振动传感器，利用Tandem-Piezo传感器可以同时测量机械振动和高频冲击脉冲。
 
图四、 750-645图
3.2 电机预警系统软件
对于电机整体而言，故障出现是随机的，是不确定的。在软件中可以采取多种形式的监控，具体采用哪种形式或是多种并存根据工程师的设计。
下图给出电机故障监控简图。对应的黄线是预警信号，红线是报警信号。到达不同的信号边缘，对应的输出就出现，而且数据实实记录。这就是PLC进行监控的优点。
 
图五、 电机故障监控简图
下图是电机保护软件的图示。可以清楚的看到故障出现的时间和维持的时间强度。
 
图六、 电机保护软件图
3.3 WAGO电机检测特点介绍
电机检测预警系统有以下几个特点：
1、 可预见性，按要求维护(在问题出现之前，模块可以检测到设备的不良前兆)；
2、 预先维护可以根据检测模块的监测延长或提前维护周期，变更了传统的维护周期的概念。
3、 减小维护成本，保证可操作性，检测模块的使用可以做到连续监控 (24×365)；
4、 速度检测 (Velocity Measurement) ：监测机器上的振动部件或元件由于受到外界不平衡因素的影响而造成振动；
5、 冲击测量 (Shock Puls Measurement) ：监测传动轴承的状态；
1) 可预见性的维护——颠覆传统维护概念。
电动机的定期保养、大修是保证设备寿命和生产连续无故障运行的基础，传统一般采用定期保养、大修的方式，但也许有部分电机运行远未到时间，就进行维护，造成了人力和财力的浪费。预警系统将电动机的运行时间自动记录在案，何时应维护保养，何时应大修，时间到了会自动发出报告。由于提供了历史数据曲线查询，可以对任一台电机的运行状态进行详细分析，便于正确找出设备的隐患或故障原因。预先维护可以根据检测模块的监测延长或提前维护周期，变更了传统的维护周期的概念。
2) 替代了人工的日常维护
电动机的日常维护对减少和避免电机在运行中发生故障是相当重要的，传统的维护，其中最重要的环节是巡回检查和及时排除任何不正常现象的引发根源。出现事故后认真进行事故分析，采取对策。而检测模块的使用可以做到连续监控24小时×365天；预警系统可以在故障未发生之前就进行报警。
3) 高可靠性。
系统采用了“分布式控制”的概念，既便于电机系统的中央监控，又避免了“中央集中式监测控制系统”可靠性差的致命弱点。由于采用预置信息“分布式控制”，当系统中某个模块出现故障，只是与该模块相关的功能失效，而不影响网络其它模块正常运行。从维护的观点来看，这种“分布式控制”的概念，既有利于快速故障定位，又提了大量电机群体控制系统的“容错”水平。同时，由于采用高性能的器件，周密的电路保护措施使该产品即使在最恶劣的环境下都具有极高的可靠性。
4) 可观的“节能”和“延长电机寿命”效果。
系统能对所监控的电机根据需要预先设置，实现自动合理的电机管理功能。电机损坏的致命原因：电网过电压、过电流、温升过热、机械冲击，都在系统监控范围内。
5) 安装简便，操作直观。
电气维修工程师仅需接受简单的培训，就能很快管理电机监控系统，并取代原有电机监控器等，而且系统的重组和今后的维护十分方便。
6) 网络控制，便于管理升级。
监控系统是基于网络，利用网络实现远程控制，集中控制，无线遥控，电脑控制，定时控制，网络控制等多种控制方式，并提供电机的启动停止异常记忆等智能化操作和管理。
电机的日常维护对其正常运行固然非常重要，但运行中的电机往往会遇到许多突发情况：如短路、过载、断相等。为了使电机在出现这些情况的条件下不至于被损坏，必须采取一些运行保护措施保持电机定期检查。需要大量的人力物力完成，而其不是实时在监控。
4 结束语
电机出现已经有百年的历史了，自从它的诞生之日，人们就在寻找多种的方法，对电机进行监控。德国万可提供的这种最新型电机监控预警系统方案，供大家参考。希望在未来，有更多的更好的电机产品出现。