CN106842031A - 集成式电机智能化大数据在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成式电机智能化大数据在线监测装置，属于电机的智能在线监测领域。包括电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块、转速采集模块、环境参数采集模块、数据分析处理模块、日历模块、存储模块、通讯模块和电源模块。所述装置在电机出厂时安装，与电机集成为一体，采集电机各项运行参数送给数据分析处理模块进行分析处理，建立电机实时运行参数大数据库；同时，进行电机的健康状态诊断和运行参数变化趋势判断，通过通讯模块向便携设备和控制中心及时发出预警或报警信号。本系统实现了电机运行参数的智能化长期、连续、实时采集，采用集成式的安装方式节约了空间，降低了成本，可广泛应用于各种电机的智能在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机监测技术，特别是一种集成式智能化电机运行大数据在线监测装置。属于电机的智能在线监测领域。
背景技术
目前电机在国民经济各领域的应用数量巨大，但是电机的智能化程度很低。随着智能制造的飞速发展，智能工厂对电机智能化的要求越来越高，包括电机运行过程中的智能故障诊断、智能状态预警、智能运行控制、智能运行管理、智能维修维护、智能能效控制等，都迫切需要一种能够与电机配套集成一体的、实现电机运行过程中的长期、连续、实时的全面运行大数据监测的智能化在线监测装置。
目前在电机的运行监测主要是针对大型电机或特殊电机，而且采用的都是多个分体式设备、临时性安装的模式。如中国专利“分布式智能电机监测系统”（申请号：200410034967.8）提出了一种“能够实现单台或多台同步监测的系统，达到电机监测的实时性、易操作性、强扩展性、网络化、高精度和安全可靠要求的分布式智能电机监测系统”。实现了电机运行数据的分布式实时采集、电机运行状态的集中式实时识别和故障诊断。但是采用多台分立的监测装置和仪表、经后期安装实现参数采集，安装拆卸不便，部分传感器甚至需要拆开电机安装拆卸，成本很高、结构复杂、占用空间大，只适合于大型或重要的电机临时性使用，不具备通用性，难以进行电机运行的大数据积累；此外，该系统监测的目的是为了电机试验，或者是在服务器上进行运行状态实时识别和故障诊断，不能进行电机的现场预警和电机的各种数据现场直接利用，更不能为电机的智能运行控制提供数据等；而且，电机制造厂商也不能获取数据并进行分析利用。
再如中国专利“一种高压电机智能监测系统及监测方法”（申请号：201410721965.X）提供了一种高压电机智能监测系统及监测方法，能够使电机生产企业远程采集电机的实时数据，并对这些数据进行大数据分析，找出电机存在的故障以及潜在的故障，并将解决这些故障的方法下传至现场，远程协助用户消除电机故障以及潜在故障。但该发明仅是提出了一种电机生产制造企业进行售后服务的系统框架，数据监测部分采用的是分体式设备，成本高、安装维护不便；其发明的目的仅是远程协助用户消除故障，用户仍然不能对原始数据进行直接利用，远远达不到智能制造对电机智能化的技术需求。
此外，电机故障的产生是由多种因素导致的，包括电机设计缺陷、运行环境、工作方式、运行工况等，而且电机故障的产生是一个渐进的过程，在发生故障前会有不正常运行状态或故障先兆出现，如果能够提前发现电机的不正常运行状态或故障先兆，提前预警进行检修维护，就能有效防止故障的发生，提前安排调整生产计划，有效避免影响正常生产；同时，电机的智能控制也需要电机实时运行参数的支持。这都需要依赖电机运行过程中的长期、连续、实时的全面运行大数据的采集和积累才能实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种集成式电机智能化大数据在线监测装置。将电机运行参数采集装置和对应的传感器预先集成安装在电机上，与电机配套集成一体，实现电机运行过程中的长期、连续、实时的全面运行大数据的采集和积累，并进行就地的电机工作状态辨识、判断和预警。提供多种通讯接口，为电机运行的智能故障诊断、智能状态预警、智能控制、智能运行管理、智能维修维护等直接提供基础大数据。具有结构简单、免后期安装、使用方便、成本低廉等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置包括电流采集模块（1）、电压采集模块（2）、温度采集模块（3）、转速采集模块（4）、环境参数采集模块（5）、数据分析处理模块（6）、日历模块（7）、存储模块（8）、通讯模块（9）、电源模块（10）、壳体（11）。
电流采集模块（1）安装在电机接线盒（12）内电机进线（13）处，采集电机的实时运行电流，送给数据分析处理模块（6）。
电压采集模块（2）安装在电机接线盒（12）内电机进线（13）处，采集电机的实时运行电压，送给数据分析处理模块（6）。
温度采集模块（3）安装在电机内部组件（14）上，采集电机内部组件（14）的实时运行温度，送给数据分析处理模块（6）。
转速采集模块（4）安装在电机内部旋转部件（15）侧部，采集电机的实时运行转速，送给数据分析处理模块（6）。
环境参数采集模块（5）安装在壳体（11）外表面，采集电机运行时的实时环境参数，送给数据分析处理模块（6）。
通过上述安装方式，在电机生产制造时，就将各种运行参数的采集模块预先内置到电机本体上，与电机配套集成一体，在电机投入运行后，不必进行拆卸安装；而且为了保证安装的效果，在电机设计时，也要为各种运行参数的采集模块预留合适的安装空间和位置，解决了后期安装时拆卸麻烦、安装困难等问题。
数据分析处理模块（6）位于壳体（11）内，对上述采集到的连续的电流、电压、温度、转速、环境参数数据进行实时处理后，结合从日历模块（7）获取的当前时间信息，在存储模块（8）进行储存，并通过通讯模块（9）与便携设备（16）或控制中心（17）交换数据；便携设备（16）可以是通用的智能手机，安装专用的APP 即可，也可以是专门的手持机等。
电源模块（10）位于壳体（11）内，其输入线从电机进线（13）处接入，为所述装置提供电源。
壳体（11）为封闭式金属屏蔽外壳，通过固定机构（18）固定在电机外壳（19）上、或与电机外壳（19）集成一体、或与电机接线盒（12）集成一体。
电机运行大数据的形成，需要采集不同型号、不同运行工况、不同运行环境等的电机运行数据，传统的监测设备与电机为分体式，从而也导致了成本高、体积大、安装过程繁琐、适用性小等诸多缺陷。电机设计制造时为所述监测装置预留空间，采用内部接线，所述装置与电机在制造时集成一体，使得每台电机都自带智能监测平台，极其方便的实现了电机运行大数据的在线采集和直接利用。
数据分析处理模块（6）根据直接测得的电机实时运行参数，计算并统计衍生的运行参数，包括功率的瞬时值和有效值、谐波的频谱、设定时间段内的电量、设定时间段内电压、电流、温度发生异常的次数及趋势或特征、设定时间段内电机的起停时间、次数、负载率变化，并进行存储。
电机的运行参数中蕴含了反映电机运行状态的重要信息，但一般情况下很难直接观察出信号的特征，因此必须采用合适的方法对原始信号进行处理以提取敏感的、能反应故障征兆的特征量。
计算得出的衍生运行参数包括频率、谐波、电压等电能质量信息，有功功率、无功功率、视在功率、耗电量等电能信息；以及各运行参数的最大值、最小值、平均值、有效值等特征信息。统计得出的衍生运行参数包括电压闪变、骤升、骤降、重合闸、负载波动等发生的时间、次数和规模；以及起停时间、次数、负载率变化及时间区间等工作管理信息。将原始参数和衍生参数与标准指标和历史数据进行对比分析，一旦达到预警要求，就向外部设备发出预警信号。
所述的数据分析处理模块（6）根据直接测得的实时运行参数，以及计算和统计的衍生运行参数，结合存储模块（8）中的历史数据，进行电机的健康状态诊断和运行参数变化趋势判断，同时计算对应特征参数，进行故障先兆特征和不正常运行状态的辨识，向便携设备（16）或控制中心（17）发送相关数据及预警信息。
根据大量的事故统计以及分析结果来看，电机故障通常是由于对早期的故障征兆重视不够而引起的，由于不能及时发现以及及时处理，使其发展成为恶性故障。电机能否安全可靠的运行，需要对电机发生的原因、故障征兆特征、运行参数的发展变化趋势等进行分析、判断和预警，都依赖于电机运行数据的大量积累和针对性的特征分析才能实现。
通过电机运行的各种特征参数和其他衍生信息来识别电机的状态，确定故障发生的部位和严重程度，指出故障发展的趋势和后果，提出控制故障继续发展和消除故障的运行维修的处理对策，从而实现从传统的预防性检修提高到预防性状态检修。对电机的异常情况能够及时的发现和预警，使工作人员及时掌握故障先兆、及早处理电机的不正常运行，能够避免电机故障的扩大，从而有效地降低电机系统的故障率和损坏率，为企业节约了设备成本、避免了设备意外故障造成的严重损失等。
在电机的故障中，与电气和机械有关的故障超过65%，机械故障和电气故障有着一定的联系，机械故障很多都是通过电机的电气特征表现出来的，如定子绕组的电流、电压、绝缘电阻等。电机的电参数是电机运行状态分析的重要数据，也是各种电机控制策略效果的重要体现。因此，通过所述装置测量的信息，可以针对大部分的电机故障进行诊断和预警。
所述的温度采集模块（3）包括多个温度探头，对电机内部组件（14）的多个部位同时进行温度采集。
伴随着电机故障的产生，一般会出现电机过热现象，过热对电机的绝缘是很不利的。每种绝缘材料只能承受一定的温度，超过自身允许的温度，就会加速绝缘的老化，缩短电机使用寿命，而且还可能因绝缘损坏引发各种事故。因此，电机过热故障的检查、检测和防护，对于降低事故率和减少事故损失及提高企业的经济效益是非常重要的。
温度采集是电机运行大数据的重要组成。基于电机运行异常容易造成的发热部位，集成化的监测设备在电机出厂时直接将温度探头分别安装在定子轭部、定子绕组、定子端部绕组等部位，实时监测电机各个部位温度，有助于故障预警和寿命预测。而且，有些特殊部位如定子绕组等，在电机投入运行后是无法再进行温度探头安装的。
环境参数采集模块（5）测量电机工作区域环境参数，包括环境温度、湿度、粉尘浓度和气压等，送给数据分析处理模块（6）用于辅助分析，并进行储存。环境对电机的健康状态、寿命等有很大影响，例如电机绕组绝缘受到损坏，及绕组的导体和铁心、机壳之间相碰即为绕组接地，这时会造成该相绕组电流过大，局部受热，严重时会烧毁绕组。而出现绕组接地多数是电机受潮引起，有的是在环境恶劣时金属物或有害粉末进入电机绕组内部造成的。因此，实时监测环境参数，及时提醒运行人员改善运行环境，有利于使电机处在最佳运行状态，同时，运行环境参数还有助于进行电机故障先兆特征的判断，以及辅助评估电机的健康状态、预测电机使用寿命等。
通讯模块（9）包括近距离无线通讯模块（901）、远距离无线通讯模块（902）和有线通讯模块（903），近距离无线通讯模块（901）用于与便携设备（16）通讯，远距离无线通讯模块（902）用于与控制中心（17）通讯，有线通讯模块（903）用于电机之间组网或与电机控制装置交换数据。
通讯模块（9）通过有线或无线方式与外界通讯，接口可以为多种方式，如蓝牙、Zigbee、wifi、以太网口、串口（RS232、RS485）、USB、载波和总线接口（MBUS、CAN）的部分或全部。可以通过有线通讯接口与电机控制装置通讯，将采集到的运行参数送给电机控制装置实现控制优化。还可通过通讯模块（9）实现电机运行的联网监控，随时将信息发送到便携设备（16）和控制中心（17），方便了生产、运行和大数据管理。
装置还包括蓄电池（20），与电源模块（10）相连。工作人员为了能随时了解电机运行状况，在有的场合无论电机是否运行，监测设备都需时刻采集数据、时刻与其他设备保持通信。电机运行时蓄电池（20）充电，电机停止时维持所述装置工作，工作人员可以随时了解电机状态。
所述装置所有外露部分均有防尘、防污、防水措施。有些电机工作环境恶劣，必要的防范措施保证了所述装置在极端环境下运行的可靠性，延长了所述装置的使用寿命，同时避免了接口的阻塞，便于更好的连接外部设备。外露通信接口在不使用的情况下可采用胶皮封口，入线口处胶皮填充等措施。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1）电机智能化在线监测装置与电机结构集成为一体，实现了电机运行过程中的长期、连续、实时的全面运行大数据的采集和积累，大大降低了采用分散式仪表进行监测的成本，且测得的电机实时运行参数可直接进行利用，具有结构简单、运输方便、免后期安装、使用方便、成本低廉等优点。
2）采用与电机集成一体的方式，不需添加任何设备，即可进行就地的电机工作状态辨识、判断和预警，使用户很容易掌握电机的工作状态、并对电机的不正常运行状态和故障先兆进行及时处理，有效避免了电机的损坏、生产意外中断导致的重大经济损失等，实现电机的智能故障诊断、智能状态预警。
3）在电机需要进行智能运行控制或能效优化和控制时，相应的控制系统不需额外设置数据采集装置，利用所述电机智能化在线监测装置提供的通讯接口，直接获取电机实时运行参数，简化了控制系统结构、并进一步为企业降低了成本。
4）利用所述的电机智能化在线监测装置采集的大数据，生产企业可直接进行生产设备的智能运行管理、智能维修维护等；而且电机制造厂商也可利用该大数据，有效提高产品售后的效率和质量，并通过电机运行大数据的统计分析，查找电机的设计和制造缺陷，进行产品的优化设计和改进等。
附图说明
图1：装置原理框图。
图2：装置外部结构安装示意图。
图中：1-电流采集模块，2-电压采集模块，3-温度采集模块，4-转速采集模块，5-环境温湿度采集模块，6-数据分析处理模块，7-日历模块，8-存储模块，9-通讯模块，901-近距离无线通讯模块，902-远距离无线通讯模块，903-有线通讯模块，10-电源模块，11-壳体，12-电机接线盒，13-电机进线，14-电机内部组件，15-电机内部旋转部件，16-便携设备，17-控制中心，18-固定机构，19-电机外壳，20-蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
图1为装置原理框图。图中数据分析处理模块（6）、日历模块（7）、存储模块（8）、通讯模块（9）、电源模块（10）和蓄电池（20）集成整体置于壳体（11）内。电源模块（10）从电机进线（13）处取电为其他模块提供电源，蓄电池（20）与电源模块（10）相连，正常情况下充电，当电机断电停止运行时，为装置提供备用电源。
电流采集模块（1）和电压采集模块（2）从电机进线（13）采集三相电压、电流，分别通过电流互感器和电压互感器将电流、电压转换成装置可测的范围。
温度采集模块（3）触头分别安装在定子轭部、定子绕组、定子端部绕组等电机内部组件（14）上，转速采集模块（4）安装在电机内部旋转部件（15）处，环境参数采集模块（5）触头安装在壳体（11）外侧。
电流采集模块（1）、电压采集模块（2）、温度采集模块（3）、转速采集模块（4）和环境参数采集模块（5）在电机出厂时就直接焊接在安装处，与电机集成一体化。
电流采集模块（1）、电压采集模块（2）、温度采集模块（3）、转速采集模块（4）、环境参数采集模块（5）、日历模块（7）、存储模块（8）和通讯模块（9）又分别连接数据分析处理模块（6），数据分析处理模块（6）为与其所连接的模块供电。电流采集模块（1）、电压采集模块（2）、温度采集模块（3）和转速采集模块（4）的走线都通过电机接线盒（12），将采集到的实时数据传送给数据分析处理模块（6），进行数据分析，同时将数据储存在存储模块（8）。
通讯模块（9）内部集成近距离无线通讯模块（901）、远距离无线通讯模块（902）和有线通讯模块（903），近距离无线通讯模块（901）用于与便携设备（16）通讯，以便运行维护人员了解电机运行状态；远距离无线通讯模块（902）用于与控制中心（17）通讯，进行电机运行大数据管理；有线通讯模块（903）用于设备组网或向控制设备传送数据。
数据分析处理模块（6）进行电机的健康状态诊断和运行参数变化趋势判断，同时计算对应特征参数，进行故障先兆特征和不正常运行状态的辨识，向便携设备（16）或控制中心（17）发送相关数据及预警信息。
为了进一步说明本装置的应用方式，图2为装置外部结构安装示意图。图中电流采集模块（1）和电压采集模块（2）从电机接线盒（12）内的电机进线（13）采集三相电压、电流，分别通过电流互感器和电压互感器将电流、电压转换成装置可测的范围。电源模块（10）从电机进线（13）处取220V或380V的交流电，经整流、滤波、稳压等处理之后，转成5V直流为其他模块提供电源。环境参数采集模块（5）安装在壳体（11）外侧，采集电机环境参数。壳体（11）在电机出厂焊接在电机外表面或通过固定机构（18）固定在电机外壳（19）上。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：装置包括电流采集模块（1）、电压采集模块（2）、温度采集模块（3）、转速采集模块（4）、环境参数采集模块（5）、数据分析处理模块（6）、日历模块（7）、存储模块（8）、通讯模块（9）、电源模块（10）、壳体（11）；
电流采集模块（1）安装在电机接线盒（12）内电机进线（13）处，采集电机的实时运行电流，送给数据分析处理模块（6）；
电压采集模块（2）安装在电机接线盒（12）内电机进线（13）处，采集电机的实时运行电压，送给数据分析处理模块（6）；
温度采集模块（3）安装在电机内部组件（14）上，采集电机内部组件（14）的实时运行温度，送给数据分析处理模块（6）；
转速采集模块（4）安装在电机内部旋转部件（15）侧部，采集电机的实时运行转速，送给数据分析处理模块（6）；
环境参数采集模块（5）安装在壳体（11）外表面，采集电机运行时的实时环境参数，送给数据分析处理模块（6）；
数据分析处理模块（6）位于壳体（11）内，对上述采集到的连续的电流、电压、温度、转速、环境参数数据进行实时处理后，结合从日历模块（7）获取的当前时间信息，在存储模块（8）进行储存，并通过通讯模块（9）与便携设备（16）或控制中心（17）交换数据；
电源模块（10）位于壳体（11）内，其输入线从电机进线（13）处接入，为所述装置提供电源；
壳体（11）为封闭式金属屏蔽外壳，通过固定机构（18）固定在电机外壳（19）上、或与电机外壳（19）集成一体、或与电机接线盒（12）集成一体。
2.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：数据分析处理模块（6）根据直接测得的电机实时运行参数，计算并统计衍生的运行参数，包括功率的瞬时值和有效值、谐波的频谱、设定时间段内的电量、设定时间段内电压、电流、温度发生异常的次数及趋势或特征、设定时间段内电机的起停时间、次数、负载率变化，并进行存储。
3.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：数据分析处理模块（6）根据直接测得的实时运行参数，以及计算和统计的衍生运行参数，结合存储模块（8）中的历史数据，进行电机的健康状态诊断和运行参数变化趋势判断，同时计算对应特征参数，进行故障先兆特征和不正常运行状态的辨识，向便携设备（16）或控制中心（17）发送相关数据及预警信息。
4.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：温度采集模块（3）包括多个温度探头，对电机内部组件（14）的多个部位同时进行温度采集。
5.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：环境参数采集模块（5）测量电机工作区域环境参数，包括环境温度、湿度、粉尘浓度和气压，送给数据分析处理模块（6）用于辅助分析，并进行储存。
6.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：通讯模块（9）包括近距离无线通讯模块（901）、远距离无线通讯模块（902）和有线通讯模块（903），近距离无线通讯模块（901）用于与便携设备（16）通讯，远距离无线通讯模块（902）用于与控制中心（17）通讯，有线通讯模块（903）用于电机之间组网或与电机控制装置交换数据。
7.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：所述装置还包括蓄电池（20），与电源模块（10）相连。
8.根据权利要求1所述的集成式电机智能化大数据在线监测装置，其特征在于：所述装置所有外露部分均有防尘、防污、防水措施。
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