CN206710565U - 智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统，属于电机的智能在线监测领域。包括内置式的转速测量单元、温度测量单元、电参数测量单元，以及集成式的智能运行监测预警装置、智能轴承监测预警装置、智能振动监测预警装置。所述装置可在电机出厂时安装，与电机集成为一体，实现电机运行过程中的多参数、长期、连续、实时的全面运行大数据的采集和积累，基于多参数融合进行就地电机工作状态的精确辨识判断和健康诊断，并向便携设备和云服务器及时发出预警或报警信号。系统具有结构简单、免后期安装、使用方便、成本低廉等优点，可广泛应用于各种电机的健康诊断及故障预警。

Description

智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统

技术领域

本实用新型涉及一种电机健康诊断及预警技术，特别是一种智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统。属于电机的智能在线监测领域。

背景技术

电机广泛应用于工业生产的各个领域，在运行过程中可能会出现各种类型故障，如过压，过流、过载、缺相、温度异常等，影响整个系统和生产的正常进行，甚至造成严重的经济损失。针对这一问题传统上采用电机保护装置解决，电机保护是检测到故障发生时主动跳闸，防止故障扩大，虽然保护了电机本体免受损坏，但是由于保护跳闸具有随机性，会意外中断生产过程，仍然可能造成严重经济损失。

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。

我国电机大量投入生产的同时，也产生了一系列的问题，比较显著的就是针对电机的健康诊断和故障预警技术没有随着大量电机的投入运行而明显提高，导致电机故障频发。目前国内在这方面的研究不多，由于所获取的参量较少，评估结果与实际情况还有较大的出入。如中国专利“一种电机故障监测及报警装置”（申请号：201510713436.X）提出了基于电能采样、温度采集和湿度采集的多参数故障监测及报警装置，实现了电机运行状态的监测和故障诊断。但是未能实现故障预警，而且采集的电机运行参数类型较少，该装置中只采集了电机的电能、温度和湿度，显然不足以精确分析故障原因和准确评估电机健康状况。装置和电机为分体式，安装拆卸不便，部分传感器甚至需要拆开电机安装拆卸，且成本高、占用空间大，不具备通用性；该装置的目的是为了电机运行状态实时监测和故障诊断，难以进行电机的大数据积累，更不能实现电机的健康诊断。

有统计表明，如果能有效地对设备进行监测并做出及时的故障诊断预警，设备的故障率大约能降低 75%，其相关的维修费用也会下降 38%左右。因此，对电机进行故障精确诊断与预警，对保障使用单位安全运行、提高电机效率有着重要的现实意义和经济价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提出一种智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统。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多参数、长期、连续、实时的全面运行大数据的采集和积累，基于多参数融合进行就地电机工作状态的精确辨识、判断和预警，并根据电机运行历史数据进行电机健康诊断。具有结构简单、免后期安装、使用方便、成本低廉等优点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统包括内置式转速测量单元（1）、内置式温度测量单元（2）、内置式电参数测量单元（3）、集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）、集成式智能振动监测预警装置（6）、便携设备（7）、云服务器（8）。

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，不必进行另行安装即可直接使用；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机麻烦、安装困难等问题。

内置式转速测量单元（1）预装于电机内，实时采集电机（9）的运行转速，送给集成式智能运行监测预警装置（4）。

内置式温度测量单元（2）预装于电机内，实时采集电机（9）内部关键构件（10）的温度，送给集成式智能运行监测预警装置（4）。

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，内置式温度测量单元（2）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。

内置式电参数测量单元（3）预装于电机内部，实时采集电机（9）的运行电压、电流，送给集成式智能运行监测预警装置（4），并据此计算、统计出衍生运行参数。

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。

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。

集成式智能运行监测预警装置（4）安装在电机（9）上，分析、统计转速、温度、电压、电流、衍生运行参数的异常情况，查找故障先兆特征、判断电机运行状态，对电机（9）进行预警。

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。

集成式智能轴承监测预警装置（5）安装在电机（9）上，实时采集、处理、分析电机（9）的轴承运行数据，判断发现轴承异常时，将相关数据发送给集成式智能运行监测预警装置（4），结合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数进行多参数融合分析，对电机（9）进行预警。

集成式智能轴承监测预警装置（5）的传感单元分别安装在电机电机前后轴承上。轴承运转时由于异物进入轴承内部、润滑不当及油中存在杂质都会引起磨损，轴承在重载、高速下运转，短时间内会有噪音，局部甚至会达到高温，因此通过分析轴承处噪音特征、温度上升趋势和温升值，可以判别轴承故障发展的速度，以便及时采取措施。

集成式智能振动监测预警装置（6）安装在电机（9）上，实时采集、处理、分析电机（9）的振动运行数据，判断发现振动异常时，将相关数据发送给集成式智能运行监测预警装置（4），结合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数进行多参数融合分析，对电机（9）进行预警。

电机的振动是评定电机质量的主要指标之一，对于大多数电机来说，在稳定工作时，振动频谱具有特定的特征，在内部出现故障时，振动频谱的特征会发生变化，同时电参数等其他参数也可能会产生相应的变化。

集成式智能运行监测预警装置（4）综合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数、轴承运行数据、振动运行数据的历史运行数据及变化趋势，与电机（9）的正常运行参数进行大数据对比分析，对电机（9）进行健康状态诊断评估、对健康劣化速度和趋势进行预测，对电机（9）进行预警。

由于电机故障先兆会表现出多种多样的征兆，一个征兆可能由于多种故障先兆导致，所以对于故障的先兆预警和故障后分析都应建立在多参数综合数据分析下进行。对电机进行可靠性评估时，获取各组件的实时参数，并计算和统计衍生参数，建立不同环境因素、不同工况、不同系统结构等因素与可靠性参数之间的关系，搭建更贴合实际的可靠性评估模型。

集成式智能轴承监测预警装置（5）和集成式智能振动监测预警装置（6）除了对采集到的数据进行分析以外，都同时将数据和分析结果传回集成式智能运行监测预警装置（4）。集成式智能运行监测预警装置（4）将收集到同时段的多参数进行融合分析，将超过预警阈值和变化趋势明显的指标参数作为预警对象。

便携设备（7）和云服务器（8）与集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）、集成式智能振动监测预警装置（6）交换数据，接受预警信号，并实时存储、查看电机（9）的全部历史数据和运行数据。

便携设备（7）通过无线网络设置系统的工作参数和预警阈值，并接收系统发出的预警信息，方便现场技术人员改变运行参数、及时了解电机（5）的异常状态，并采取相应的措施。便携设备（7）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。云服务器（8）还可以随时记录电机状态，形成电机大数据，为电机设计的改进、控制和定期检修提供依据。

集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）、集成式智能振动监测预警装置（6）组合在一起工作，或各自独立工作。

所述预警装置组合在一起工作时，在各自采集数据的同时，集成式智能轴承监测预警装置（5）和集成式智能振动监测预警装置（6）将数据和分析结果传给集成式智能运行监测预警装置（4）进行多参数融合分析。各自独立工作时，三个预警装置均可独立采集和分析数据，并可独立与便携设备（7）和云服务器（8）进行数据交换。

系统还包括内置式环境参数测量单元（11），预装于电机（9）上，实时采集电机（9）工作区域的环境参数，送给集成式智能运行监测预警装置（4），辅助进行电机（9）的健康状态诊断和趋势预测。

内置式环境参数测量单元（11）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，送给集成式智能运行监测预警装置（4）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。

云服务器（8）根据所述系统监测和储存的各种数据，进行长期历史运行数据的大数据分析，辅助制定电机（9）的检修计划。

云服务器（8）储存的大数据包括电机运行实时和衍生的电参数、温度、转速、振动信息、环境温度以及各个元件或系统的故障率、平均修复时间等可靠性参数的历史记录。运行人员根据历史大数据灵活的制定检修计划。

在电机（9）故障或报废后，云服务器（8）根据其寿命期内的长期历史运行数据，分析电机的设计缺陷，辅助完善电机设计；并在故障后分析界定故障原因和责任。

对电机故障原因的分析关系到故障责任的判定，一些故障是由于在特定环境和运行条件下电机长期非正常运行造成的；一些故障是由于电机设计缺陷，长期使用后造成的。长期历史运行数据可以明确电机故障责任，辅助完善电机设计缺陷，改善电机控制策略。

与现有技术相比较，本实用新型具有如下优点：

1）系统通过对温度、电参数、转速等多参数进行实时在线采集，在多维度上更好的全面掌握了电机的运行状态,同时方便搭建更符合实际的可靠性评估诊断模型和精确的预警系统，进行多参数融合分析，以便更加准确地发出预警信号和分析故障原因，进一步明确事故责任。

2）系统对电机进行健康诊断和故障先兆预警，使现场技术人员和制造厂商能够及时了解电机的异常状态，并针对故障提出合理的处理措施；同时，帮助运行管理人员合理安排设备的检修与维护时间，提高生产连续性和可靠性，有效降低电机系统故障率和损坏率。

3）系统采用集成式结构，预先安装在电机上，运行时采集、处理、计算并存储电机的各项实时运行数据，相较于分体式设备具有成本低廉、结构简单、使用时免安装等优点。

4）通过对电机运行过程中的多参数、长期、连续、实时的全面运行大数据的采集和积累，为电机运行的智能故障诊断、智能状态预警、智能运行控制、智能运行管理、智能维修维护等直接提供基础大数据。

附图说明

图1：系统结构示意图。

图中：1-内置式转速测量单元，2-内置式温度测量单元，3-内置式电参数测量单元，4-集成式智能运行监测预警装置，5-集成式智能轴承监测预警装置，6-集成式智能振动监测预警装置，7-便携设备，8-云服务器，9-电机，10-内部关键构件，11-内置式环境参数测量单元，12-制造厂商。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为系统结构示意图。图中内置式转速测量单元（1）预装于电机旋转部件附近，实时采集电机（9）的运行转速。内置式温度测量单元（2）预装于电机内部关键构件（10）上，如定子轭部、定子绕组、定子端部绕组等部位，实时采集电机（9）的内部关键构件（10）的温度。内置式电参数测量单元（3）安装于电机进线处，分为电压采集部分和电流采集部分，都通过互感器将电压和电流转换成可测范围，实时采集电机（9）的运行电压、电流。内置式环境参数测量单元（11），预装于电机（9）上，实时采集电机（9）工作区域的环境参数，包括环境温度、湿度和粉尘等。集成式智能轴承监测预警装置（5）分别安装在电机（9）的前后轴承上，实时采集、处理、分析电机（9）的轴承运行的温度、噪声等数据。集成式智能振动监测预警装置（6）安装在电机（9）上，实时采集、处理、分析电机（9）的振动运行数据。

以上所述测量单元和监测预警装置都分别与集成式智能运行监测预警装置（4）相连，监测预警装置判断发现异常时，将相关数据发送给集成式智能运行监测预警装置（4），集成式智能运行监测预警装置（4）融合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数、轴承运行数据、振动运行数据的历史运行数据及变化趋势，与电机（9）的正常运行参数进行大数据对比分析，对电机（9）进行健康状态诊断评估、对健康劣化速度和趋势进行预测，对电机（9）进行预警。

便携设备（7）和云服务器（8）与集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）和集成式智能振动监测预警装置（6）完成数据交换，并实时存储、查看电机（9）的全部历史数据和运行数据。工作人员还可以通过便携设备（7）设置系统的工作参数和预警阈值。制造厂商（12）通过电脑可以访问云服务器（8），随时了解电机的实时运行状态。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施实例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统，其特征在于：系统包括内置式转速测量单元（1）、内置式温度测量单元（2）、内置式电参数测量单元（3）、集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）、集成式智能振动监测预警装置（6）、便携设备（7）、云服务器（8）；

内置式转速测量单元（1）预装于电机内，实时采集电机（9）的运行转速，送给集成式智能运行监测预警装置（4）；

内置式温度测量单元（2）预装于电机内，实时采集电机（9）内部关键构件（10）的温度，送给集成式智能运行监测预警装置（4）；

内置式电参数测量单元（3）预装于电机内部，实时采集电机（9）的运行电压、电流，送给集成式智能运行监测预警装置（4），并据此计算、统计出衍生运行参数；

集成式智能运行监测预警装置（4）安装在电机（9）上，分析、统计转速、温度、电压、电流、衍生运行参数的异常情况，查找故障先兆特征、判断电机运行状态，对电机（9）进行预警；

集成式智能轴承监测预警装置（5）安装在电机（9）上，实时采集、处理、分析电机（9）的轴承运行数据，判断发现轴承异常时，将相关数据发送给集成式智能运行监测预警装置（4），结合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数进行多参数融合分析，对电机（9）进行预警；

集成式智能振动监测预警装置（6）安装在电机（9）上，实时采集、处理、分析电机（9）的振动运行数据，判断发现振动异常时，将相关数据发送给集成式智能运行监测预警装置（4），结合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数进行多参数融合分析，对电机（9）进行预警；

集成式智能运行监测预警装置（4）综合转速、温度、电压、电流、衍生运行参数、轴承运行数据、振动运行数据的历史运行数据及变化趋势，与电机（9）的正常运行参数进行大数据对比分析，对电机（9）进行健康状态诊断评估、对健康劣化速度和趋势进行预测，对电机（9）进行预警；

便携设备（7）和云服务器（8）与集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）、集成式智能振动监测预警装置（6）交换数据，接受预警信号，并实时存储、查看电机（9）的全部历史数据和运行数据。

2.根据权利要求1所述的智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统，其特征在于：集成式智能运行监测预警装置（4）、集成式智能轴承监测预警装置（5）、集成式智能振动监测预警装置（6）组合在一起工作，或各自独立工作。

3.根据权利要求1所述的智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统，其特征在于：系统包括内置式环境参数测量单元（11），预装于电机（9）上，实时采集电机（9）工作区域的环境参数，送给集成式智能运行监测预警装置（4），辅助进行电机（9）的健康状态诊断和趋势预测。

4.根据权利要求1所述的智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统，其特征在于：云服务器（8）根据所述系统监测和储存的各种数据，进行长期历史运行数据的大数据分析，辅助制定电机（9）的检修计划。

5.根据权利要求1所述的智能电机集成式多参数融合健康诊断及预警系统，其特征在于：在电机（9）故障或报废后，云服务器（8）根据其寿命期内的长期历史运行数据，分析电机的设计缺陷，辅助完善电机设计；并在故障后分析界定故障原因和责任。