CN111289897B - 一种电机监测系统 - Google Patents
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Abstract
涉及一种电机监测系统，包括传感器单元，用于采集电机在运行和停机两个状态下的电机表面的磁通量，要求至少采集电机的一个测点的磁通量数据；数据采集单元，用于采集并且处理传感器单元的数据，以及计算出电机的特征值，数据采集单元包括数据采集模块、模拟低通滤波模块、模数转换模块、信号处理及算法模块、数据传输模块和功耗管理模块；在线监测单元，用于接收数据采集单元传输的特征值，计算磁通量数据的偏差值，以及当偏差值大于预设阈值时，发出警报信息,在线监测单元包括数据解析与处理模块、数据存储模块、报警处理模块和数据展示模块。本发明通过监测电机外壳的磁通量变化来实现对电机的监测，弥补了不能有效检测电机电气故障的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及旋转机械在线状态监测领域，尤其涉及一种电机监测系统。
背景技术
电机在工业行业应用非常广，各行各业都用到了，特别是工业领域，是不可或缺的生产设备，随着工业行业的设备日趋大型化、连续化、高速化和自动化，功能越来越多、结构越来越复杂，其维修难度越来越大。
长期以来，针对电机的各种运行故障，主要采取成熟可靠的继电包含措施，如过压保护、过流保护、欠电压保护、差动保护、逆电流保护、接地保护等等。这些保护措施只是在事故发生后采取的动作，并不能预防事故的发生，当这些保护措施动作后，仍然可能导致经济损失。
目前一部分工厂的预防措施大部分靠点巡检这种传统的方式，通过测量电机的振动情况判断电机是否正常运行，另外在一些关键电机上通过安装加速度传感器的方式，实时测量电机的振动情况来监测运行状况，这些方式和工具，都是通过电机的振动来判断电机是否工作正常。电机的故障通常分为机械故障和电气故障，通过监测振动方式，只能监测电机的机械故障，约占电机所有故障53％，还有高达47％的故障是电气故障，无法通过振动的方式进行有效的监测。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种电机监测系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种电机监测系统，包括传感器单元，用于采集电机在运行和停机两个状态下的电机表面的磁通量，要求至少采集电机的一个测点的磁通量数据；数据采集单元，用于采集并且处理传感器单元的数据，以及计算出电机的特征值，所述数据采集单元包括数据采集模块、模拟低通滤波模块、模数转换模块、信号处理及算法模块、数据传输模块和功耗管理模块；在线监测单元，用于接收数据采集单元传输的特征值，计算磁通量数据的偏差值，以及当偏差值大于预设阈值时，发出警报信息,所述在线监测单元包括数据解析与处理模块、数据存储模块、报警处理模块和数据展示模块。
优选地，所述传感器单元安装于被测电机的机壳表面。
优选地，当传感器数量大于一个时，传感器的安装位置均匀分布在除底部之外的270°的范围之内并且每个传感器的方向一致。
优选地，所述的模数转换模块进行同步并行采集，计算如下：
其中，Tn为同步采集时间点，Pulse_num为等时间采用点数，Order_num为每转采样点数；
其中
为同步采集在Tn时刻的幅值，m≥10，a为最接近等时间采样时刻n的时间差。xn-k为等时间采样在(n-k)时刻的采样值。
优选地，信号处理及算法模块的每个磁通量传感器一个轴上的特征值计算如下；
Vp＝max(x1，x2，...xn)
Vp-p＝max(x1，x2，...xn)-max(x1，x2，...xn)
其中，x为传感器的磁通量值，n为采样点数，RMS为有效值；Vp为峰值，Vp-p为峰峰值，R为电机当前转速。
优选地，所述计算磁通量数据的偏差值包括从横向对比同一工况下，被测电机在不同时间点的各磁通量特征值的偏差，具体计算如下：
有效值偏差计算如下：
其中，
为磁通量有效值在同一种工况下的偏差，RMSt1和RMSt2为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量有效值，n为有效值比对的次数；
峰值偏差计算如下：
其中
为磁通量峰值在同一种工况下的偏差，
和
为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量峰值，n为峰值比对的次数
峰峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰峰值在同一种工况下的偏差，
和
为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量峰峰值，n为峰峰值比对的次数。
优选地，所述计算磁通量数据的偏差值包括从横向对比同一时刻，各磁通量特征值的偏差，具体计算如下：
所述有效值偏差计算如下：
其中，
为磁通量有效值偏差，RMSm为磁通量有效值，m为磁通量传感器的数量；
峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰值偏差，
为磁通量峰值，m为磁通量传感器的数量；
峰峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰峰值偏差，
为磁通量峰峰值，m为磁通量传感器的数量。
优选地，所述当偏差值大于预设阈值时，发出警报信息具体包括：当在同一工况下的至少一个偏差值连续三次超过预设阈值时，系统发出报警信息。
优选地，所述模拟低通滤波器，采用两阶以上RC电路，低通截止频率大于200Hz。
优选地，所述模数转换模块其采样率大于RC低通滤波器截止频率的2倍，且采样率大小跟随着被测电机的转速改变，跟被测电机的转速成正比。
本发明的方案是通过监测电机外壳的磁通量变化来实现对电机的监测，弥补了不能有效检测电机电气故障的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明总体功能框图；
图2是本发明的数据采集单元框图；
图3是本发明磁通量传感器在电机上安装的俯视图；
图4是本发明磁通量传感器在电机上安装侧视图。
具体实施方式
本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明公开了一种电机监测方法与装置，通过安装于电机机壳表面的磁通量采集传感器，获得电机的停机和运行时两种工况下的实时信号数据，并通过数据采集单元采集磁通量信号并作相应的数据分析，实时获取电机实时运行状态信息。通过对电机的磁通量数据的实时自动采集、存储并且分析，能够识别电机运行时的电气故障，从而实现对电机故障的早期预警。本发明安装快捷方便，通过对采集电机外壳上的磁通量并且进行处理分析，对电机实时监测和预警电机的运行状况，快速定位电机的电气故障，大大提高工作效率，是未来电机电气故障在线监测的一个发展方向。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-4，本发明的异步电机监测方法与装置如图1所示，此系统包含三部分：
传感器单元100，用于采集电机在运行和停机两个状态下的电机表面的磁通量，要求至少采集电机的一个测点的磁通量数据；
数据采集单元200，用于采集并且处理传感器单元100的数据，以及计算出电机的特征值，所述数据采集单元200包括数据采集模块201、模拟低通滤波模块202、模数转换模块203、信号处理及算法模块204、数据传输模块205和功耗管理模块206；
在线监测单元300，用于接收数据采集单元传输的数据，计算磁通量数据的偏差值，以及当偏差值大于预设阈值时，发出警报信息,所述在线监测单元300包括数据解析与处理模块301、数据存储模块303、报警处理模块302和数据展示模块304。这里在线监测单元300采集的数据有两部分，一部分是的由数据采集单元200处理后的特征值；另外一部分是传感器100采集的没有经过任何处理的原始数据，这一部分不参与300的任何处理，直接存储在数据库中。
在一个示例中，安装于待测电机机壳表面的传感器单元100用于采集电机表面的磁通量，可以根据电机的重要性不同的采用不同数量的磁通量传感器，对于一些非常重要的电机，往往采用的磁通量传感器的数量要大于3个，本实施例采用的磁通量传感器的数量为3个。
在一个示例中，传感器单元100中的磁通量传感器安装于被测电机的机壳上并且使用胶贴的方式或者用固定支架使其固定如图3所示，由于电机的磁通量容易受到外界磁场的干扰并且在空中传播时衰减很快，为了测量的准确性，需要该采集装置尽量紧贴的被测电机的机壳。
在一个示例中，本实施例的传感器安装位置如图4所示，三个磁通量传感器被均匀的安装在被测电机270°范围内，分别为第一磁通量传感器101、第二磁通量传感器102和第三磁通量传感器103。传感器采用三轴磁感应传感器，每轴测量范围在+/-10T以内。
在一个示例中，其中数据采集单元200对所有的磁通量传感器进行同步并行采集；模拟低通滤波器202，采用两阶以上RC电路，低通截止频率大于200Hz。
在一个示例中，模数转换模块203其采样率大于RC低通滤波器截止频率的2倍，且采样率大小跟随着被测电机的转速改变，跟被测电机的转速成正比。
在一个示例中，数据采集单元200的模数转换模块203进行磁通量同步采集，计算如下：
其中，Tn同步采集时间点，Pulse_num为等时间采用点数，本实施例等时间采样点数为8192；Order_num为每转采样点数，本实施例每转采样点数为128。
其中，中
为同步采集在Tn时刻的幅值，本实施例中m为10，a为最接近等时间采样时刻n的时间差。xn-k为等时间采样在(n-k)时刻的采样值。
本实施例的数据采集单元200的信号处理及算法模块204每个磁通量传感器一个轴上特征值计算如下：
Vp＝max(x1，x2，...xn)
Vp-p＝max(x1，x2，...xn)-max(x1，x2，...xn)
其中x为传感器的磁通量值，n为采样点数，本实施例为8192；本实施例电机安装了三个磁通量传感器，因此每个磁通量需要算出各自的RMS有效值、Vp峰值和Vp-p峰峰值，同时也能算是电机当前转速R。
在一个示例中，数据传输模块205可以采取两种数据传输方式：无线数据传输和有线数据传输方式，其中无线数据传输方式采用的协议为NB-IoT、LoRa、Zigbee、蓝牙或WIFI，有线的数据传输方式包括LAN、光纤、RS485。优选的，采用NB-IoT的无线通信方式，这种方式工程实施方便，无需要任何布线，适合于施工比较困难的应用场景。
在一个示例中，在线监测单元300可以实现从横向对比同一时刻，各磁通量特征值的偏差，当这种偏差超过系统所设的阈值实时，发出报警信息，具体计算如下：
对于有效值偏差超过10％，系统记录信息作为报警依据，计算如下：
其中，
为磁通量有效值偏差，RMSm为磁通量有效值，m为磁通量传感器的数量，可以得到三个传感器两两之间有效值偏差值
和
峰值偏差超过15％时，系统记录信息作为报警依据，计算如下：
其中
为磁通量峰值偏差，
磁通量峰值，m为磁通量传感器的数量，可以得到三个传感器两两之间峰值偏差值
和
峰峰值偏差超过15％时，系统记录信息作为报警依据，计算如下：
其中，
为磁通量峰峰值偏差，
为磁通量峰峰值，m为磁通量传感器的数量，可以得到三个传感器两两之间峰峰值偏差值
和
在一个示例中，在线监测单元300包括从横向对比同一工况下即相同转速和输出功率的情况下，被测电机在不同时间点的各磁通量特征值的偏差，当这种偏差超过系统报警阈值时，系统记录信息作为报警依据，具体计算如下：
有效值计算如下：
其中，
为磁通量有效值在同一种工况下的偏差，RMSt1和RMSt2为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量有效值，n为有效值比对的次数。
峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰值在同一种工况下的偏差，
和
为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量峰值，n为峰值比对的次数。
峰峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰峰值在同一种工况下的偏差，
和
为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量峰峰值，n为峰峰值比对的次数。
跟初始特征值进行对比，当这些偏差值阈值为5％，本实施例可以用趋势图展示这些偏差数据，可以比较方便的发现电机的故障信息。
在一个示例中，本实施例的在线监测单元300所采用的报警处理策略，包括当在同一工况下的至少一个偏差值连续三次超过预设阈值时，系统发出报警信息，通过邮件、短信和系统三种方式通知用户。这里解释一下，每次当偏差值超过报警阈值，系统根据超过范围动态调整磁通量的采用时间。
本发明的电机监测方法跟别的方法不一样，别的电机监测方法是通过监测电机的振动变化来实现对监测电机运行状态的监测，而依靠监测电机振动方法不能实现对电机的全方位监测，基本上监测的电机机械故障，很难监测电机的电气故障。据统计电机的机械故障有53％，而电气故障有47％。而这个方案是通过监测电机外壳的磁通量变化来实现对电机的监测，这种监测磁通量的方案能实现对电机电气故障的监测，意义重大，两种电机监测方法共同构成了对电机故障的全方位监测。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电机监测系统，其特征在于，包括：
传感器单元(100)，用于采集电机在运行和停机两个状态下的电机表面的磁通量，要求至少采集电机的一个测点的磁通量数据；
数据采集单元(200)，用于采集并且处理传感器单元(100)的数据，以及计算出电机的特征值，所述数据采集单元(200)包括数据采集模块(201)、模拟低通滤波模块(202)、模数转换模块(203)、信号处理及算法模块(204)、数据传输模块(205)和功耗管理模块(206)；
在线监测单元(300)，用于接收数据采集单元传输的特征值，计算磁通量数据的偏差值，以及当偏差值大于预设阈值时，发出警报信息,所述在线监测单元(300)包括数据解析与处理模块(301)、数据存储模块(303)、报警处理模块(302)和数据展示模块(304)；
所述的模数转换模块(203)进行同步并行采集，计算如下：
其中，Tn为同步采集时间点，Pulse_num为等时间采用点数，Order_num为每转采样点数；
其中
为同步采集在Tn时刻的幅值，m≥10，a为最接近等时间采样时刻n的时间差，xn-k为等时间采样在(n-k)时刻的采样值。
2.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，所述传感器单元(100)安装于被测电机的机壳表面。
3.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，当传感器数量大于一个时，传感器的安装位置均匀分布在除底部之外的270°的范围之内并且每个传感器的方向一致。
4.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，信号处理及算法模块(204)的每个磁通量传感器一个轴上的特征值计算如下；
Vp＝max(x1，x2，...xn)
Vp-p＝max(x1，x2，...xn)-max(x1，x2，...xn)
其中，x为传感器的磁通量值，n为采样点数，RMS为有效值；Vp为峰值，Vp-p为峰峰值，R为电机当前转速。
5.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，所述计算磁通量数据的偏差值包括从横向对比同一工况下，被测电机在不同时间点的各磁通量特征值的偏差，具体计算如下：
有效值偏差计算如下：
其中，
为磁通量有效值在同一种工况下的偏差，RMSt1和RMSt2为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量有效值，n为有效值比对的次数；
峰值偏差计算如下：
其中
为磁通量峰值在同一种工况下的偏差，
和
为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量峰值，n为峰值比对的次数；
峰峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰峰值在同一种工况下的偏差，
和
为磁通量在同一工况下t1和t2时刻的磁通量峰峰值，n为峰峰值比对的次数。
6.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，所述计算磁通量数据的偏差值包括从横向对比同一时刻，各磁通量特征值的偏差，具体计算如下：
有效值偏差计算如下：
其中，
为磁通量有效值偏差，RMSm为磁通量有效值，m为磁通量传感器的数量；
峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰值偏差，
为磁通量峰值，m为磁通量传感器的数量；
峰峰值偏差计算如下：
其中，
为磁通量峰峰值偏差，
为磁通量峰峰值，m为磁通量传感器的数量。
7.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，所述当偏差值大于预设阈值时，发出警报信息具体包括：
当在同一工况下的至少一个偏差值连续三次超过预设阈值时，系统发出报警信息。
8.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，所述模拟低通滤波模块，采用两阶以上RC电路，低通截止频率大于200Hz。
9.根据权利要求1所述的电机监测系统，其特征在于，所述模数转换模块其采样率大于RC低通滤波器截止频率的2倍，且采样率大小跟随着被测电机的转速改变，跟被测电机的转速成正比。
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