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电动机监测管理在能源管理系统中的应用

发布时间:2018-07-21 11:41所属分类:理工论文浏览:1

针对高能耗企业电动机监测管理缺失的问题,本文结合电动机监测配置所需,通过增加相应传感器和状态监测装置实现电动机状态信号的数据采集与越限报警;借助能源管理系统数据采集网完成电动机状态数据的传输;利用能源管理系统监控平台实现电动机的数据存储与监

  针对高能耗企业电动机监测管理缺失的问题,本文结合电动机监测配置所需,通过增加相应传感器和状态监测装置实现电动机状态信号的数据采集与越限报警;借助能源管理系统数据采集网完成电动机状态数据的传输;利用能源管理系统监控平台实现电动机的数据存储与监测管理。

  关键词:电动机,监测管理,能源管理系统

  电动机是生产中应用最主要的原动力和驱动装置,大中型电动机更是生产企业的主要驱动力,它的运行状况直接影响到工业生产是否正常进行。一旦发生严重故障,不仅电动机自身将损坏,而且将导致工业生产中断,大型电动机价格昂贵,并且生产过程中断导致的损失往往比电动机本身的损失更为庞大。据统计因电动机故障在冶金行业的停产平均损失约为70万人民币/h。电动机监测不仅可以避免重大事故的发生,还可以帮助查找故障原因及故障维修,成为企业减少甚至避免不必要损失的重要举措。

  钢铁企业能源管理系统组成企业能源互联网,对企业各种能源介质(水、电、气/汽)的源、网、荷、储等诸环节的计量与控制进行扁平化管理。作为高能耗设备的大中型电动机自然成为能源管理系统重点关注的负荷对象。电动机状态监测系统由传感器、电动机监测装置、后台分析软件构成,本文结合某钢铁集团大中型电动机现状,提出一种基于能源管理系统的电动机监测管理方法,完成电动机状态信号的采集,实现电动机管理与监测。

  1电动机监测

  1.1电动机传感器信号采集

  据统计,电动机故障53%源于机械原因(轴承故障占41%,对中问题占12%),47%源于电气原因(转子占10%,定子绕组占37%)。故一台典型电动机监测配置包括8路温度传感器信号、4路振动信号传感器信号、1路键相信号传感器信号。其中8路温度信号分别监测电动机A、B、C三相绕组及转子温度,每项选择两个位置测量点;4路振动信号为转子上线端X、Y轴振动测量点;1路键相信号为转子键相测量点。各测量点安装位置见图1。

图1

  经现场调研得知,该钢铁集团所有大中型电动机没有在线状态监测;多数电动机的温度和电气量信号较为完善;多数电动机没有安装振动信号传感器,部分电动机预留了振动传感器的安装孔(见图2);少数风机安装了振动信号传感器。根据电动机监测所需,对预留振动信号安装孔的大中型电动机进行改造:通过加装相应的振动和键相信号传感器,利旧原有温度传感器,完成来自振动、转速和温度传感器的轴振、速度和绕组/轴承温度等信号的采集,为电动机监测奠定基础。

图2

  1.2电动机状态监测信号处理

  电动机状态监测装置通过4~20mA(或0~10V)模拟量输入和热电阻输入卡件可以全面、实时测量电动机的状态信号,包含振动(轴振瓦振)、温度(绕组温度、油温)、转速等物理量。通过简单运算,判别这些物理量是否运行在正常的范围内,如果越限则给予相应报警,报警包含位移越限报警、超速报警、超温报警等。在判断报警前需对相应信号进行重采样处理。

  (1)重采样处理

  电动机的振动信号包含振动、位移、速度、加速度等传感器信号,这些信号属于高频信号,为了后续数据的傅里叶运算,状态监测装置对这些数据进行重采样处理,保证电动机转子在一个旋转周期内采样值的数量为一个固定值,通过同步选择模块选取电动机的同步信号———电动机的转速键相信号或额定转速,然后经重采样模块数据处理,得到重采样数据,这些采样数据可以保障电动机高速运行振动信号的特征量不丢失。重采样数据输入到傅里叶运算模块,得到振动信号一系列特征量,重采样功能逻辑如图3所示。

图3

  (2)越限报警

  经傅里叶运算得到振动信号的一系列特征量,包括基波幅值、1/2次谐波幅值、二次谐波幅值、峰谷值、平均值等,当这些特征量幅值超过设图4中的振动信号四个逻辑分别为振动信号1的基波、二次谐波幅值越限报警(V1、V1set、V'1、V'1set分别为振动信号1基波幅值及其动作门槛值、二次谐波幅值及其动作门槛值),振动信号2的基波、二次谐波幅值越限报警(V2、V2set、V'2、V'2set分别为振动信号2基波幅值及其动作门槛值、二次谐波幅值及其动作门槛值)。其他的超速、温度信号越限报警与振动信号越限报警类同。

  上述越限标志可以单独置出口报警,也可以与其他通道越限标志位进行逻辑组合后置出口报警,逻辑组合在电动机状态监测装置中可按照用户的需求配置,并且逻辑组合的选择(与、或)可以由控制字灵活选择。

  2数据采集网络架构

  该钢铁集团已经建立的能源管理系统数据采集网划分为四个层次,自上而下包含核心层、汇聚层、接入层和计量控制层标[1]。其中核心层包含前置服务器和核心交换机,前置服务器用于协议转换,通过部署各类通信协议规约转换进程,解析来自接入层的各类数采网关、工业网关、电量采集终端等设备上传的数据,并将数据推送到能源管理系统的数据库中;核心交换机是核心层与汇聚层的桥梁,用于连接前置服务器与汇聚层的骨干环网交换机。

  汇聚层网络设备主要包含骨干环网交换机,骨干环网交换机之间通过单模光缆首尾相连,形成骨干环网。骨干环网交换机下接接入层临近区域的接入交换机及相关设备。

图5

  如图5所示,电动机监测数据采集网融入能源管理系统数据采集网,电动机监测装置布置在大中型电动机的附近,一台电动机监测装置可实现大中型电动机(最多3台)运行状态信号的数据采集,电动机监测装置直接接入临近汇聚层环网交换机,利用能源管理系统汇聚层、核心层数据采集网,与前置服务器完成数据交互,经通信协议解析,将采集及其处理后的振动、速度、加速度、温度等数据及其越限报警信号上送至能源管理系统平台,存储到平台的实时时序数据库与历史关系数据库中,供电动机监测其他应用共享使用。

  3电动机监测管理

  电动机监测管理实现电动机生命周期的全程管理,利用能源管理平台提供的历史关系数据库和实时时序数据库的相关数据,实现从设备档案建立(如图6所示电动机设备管理)伊始的电动机静态数据管理,到实时收集生产过程中电动机及其相关的运行数据、捕捉和识别电动机及其相关的运行故障信息、自动生成运行/停机记录、对电动机故障停机率/有效作业率/可利用率等指标进行分析的电动机动态运行数据管理,为设备改造前可行性分析报告提供所需的各类静、动态数据支持,进而提升电动机设备的运行绩效,降低电动机设备的维护成本。

  (1)电动机运行状况监测。

  通过读取与汇总平台实时时序数据库中有关电动机及相关生产线的实时数据,实时监测电动机运行状况,在电动机运行台账中自动记录相关告警信息,保证调度管理人员对电动机运行状态的扁平化管理,及时处理相关报警,根据电动机运行状态进行统计分析,为生产调度、电动机检修计划编制提供依据。对于需要复杂运算的在线诊断功能(如对振动信号的频谱分析、轴心轨迹分析等)则放到平台应用服务器上实现,相关应用程序布置在应用服务器上,取自实时时序数据库的相关振动信号数据,经过在线诊断,将相关诊断结果(故障信息)返回到实时时序数据库中,并利用平台存储机制存储。

图6

  (2)电动机完好率。

  在运行状况监测的基础上,建立电动机故障管理记录,管理电动机的维修与使用情况。电动机检修时,通过查询检修与维修记录,得出电动机是否处于完好可用状态,从而得到电动机的完好率数据,指导后续的检修、点检等计划的指定。同时当完好率低于预期值时,提示用户进行更新电动机等操作。

  (3)电动机作业率。

  在运行状况监测的基础上,结合与电动机相关生产线的运行状况,建立电动机停机管理记录,通过对电动机运行台账的汇总统计分析,得出一定时间段内生产线上电动机的作业时长,得到电动机的作业率。当电动机作业率过低时提示用户查找原因,核实是否因电动机故障而导致作业率降低。确认后,通过维修或更换电动机提高设备的作业率,提升生产效益。

  4结束语

  利用数据采集网和大数据信息共享与统计分析监控平台,实现了电动机状态信号的采集、传输、存储与应用,将电动机监测管理融入到能源管理系统中,在实现企业高能耗设备扁平化监测与管理的同时,也将促进电动机监测技术发展,为后续电动机在线故障诊断工作的进一步完善奠定基础。

  参考文献:

  [1]王建勇,潘仁秋,沙海源,等.企业能源管理系统数据采集网设计研究[J].冶金自动化,2016,40(增刊2):83.

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