monitorowanie i diagnostyka

Nr 44
Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 44
————————————————————————————————————————————
Studia i Materiały
Nr 19
1996
silnik indukcyjny, monitorowanie,
diagnostyka, systemy pomiarowe
Czesław T. KOWALSKI*
MIKROKOMPUTEROWY SYSTEM MONITOROWANIA
I DIAGNOSTYKI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI
Omówiono podstawowe problemy monitorowania i diagnostyki eksploatacyjnej napędów elektrycznych
z silnikami indukcyjnymi. Zaproponowano sposób realizacji monitorowania i diagnostyki na bieżąco
z zastosowaniem standardowego sprzętu komputerowo-pomiarowego. Przedstawiono strukturę sprzętową i opis
oprogramowania prototypowej wersji systemu MONITOR-1.1. Możliwości diagnostyczne systemu zilustrowano
przykładowymi wynikami badań.
1. WSTĘP
W wielu gałęziach przemysłu coraz powszechniej są stosowane układy napędowe
z silnikami indukcyjnymi. Stanowią one obecnie ponad 90% ogólnej liczby silników
zainstalowanych w przemyśle w świecie [1]. Dlatego też zagadnienie wczesnego
wykrywania uszkodzeń i informowania o fakcie ich zaistnienia użytkownika układu
napędowego ma bardzo duże znaczenie praktyczne i ekonomicznie. Pozwala uniknąć
przerw w produkcji, obniżyć koszty remontu i nakłady na bieżącą eksploatację.
W eksploatacji układów napędowych podstawowe znaczenie ma prawidłowa realizacja
tzw. obsługi technicznej napędu. Na obsługę techniczną składają się następujące czynności:
konserwacja, kontrola i naprawa (rys.1a). Wszystkie te czynności mają na celu stwierdzenie
i ocenę aktualnego stanu technicznego maszyny lub przywrócenie albo utrzymanie
odpowiedniego stanu technicznego. Obsługa techniczna maszyn elektrycznych może być
realizowana na różne sposoby, w zależności od rodzaju uszkodzenia, czasu eksploatacji,
aktualnego stanu technicznego (rys.1b).
W przypadku obsługi technicznej, powiązanej z rodzajem uszkodzenia, użytkownik nie
ma żadnego wpływu na stan maszyny elektrycznej. Każdy przestój zdarza się nagle
______________
*Instytut Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław
70
i niezapowiedzianie, a obsługa techniczna jest realizowana dopiero po wystąpieniu
uszkodzenia. Ma to w praktyce sens tylko w niektórych sektorach działalności gospodarczej
(np. w drobnym przemyśle i gospodarstwie domowym).
Obecnie dominuje obsługa zapobiegawcza, prowadzona w określonych odstępach
czasu. W uzgodnieniu z planem produkcji, po określonym na podstawie doświadczeń,
bezpiecznym czasie eksploatacji, układ napędowy zatrzymuje się, poddaje kontroli, rozbiera
na elementy, wymienia części lub całe podzespoły. Metoda ta jest kosztowna, nieoptymalna
i często się zdarza, że wymienia się części jeszcze dobre lub zbyt późno wymienia się części
uszkodzone. Tak więc, korzyściom wynikającym z możliwości zaplanowania przestojów
w eksploatacji można przeciwstawić wysokie koszty związane z taką obsługą techniczną.
a)
b)
OBSŁUGA TECHNICZNA
KONSERWACJA
czyszczenie
pielęgnacja
DOGLĄD
pomiar
kontrola
rejestracja
SPOSOBY OBSŁUGI TECHNICZNEJ NAPĘDÓW
OBSŁUGA
wymiana części
naprawa
w zależności od
uszkodzenia
w zależności od
czasu
w zależności od
stanu
użytkowania
Rys. 1. Obsługa techniczna układów napędowych: a) środki obsługi, b) sposoby obsługi
Fig. 1. Technical maintenance of electrical drives: a) means of the maintenance, b) methods of the maintenance
Koszty te można istotnie zredukować, jeżeli zaplanowany remont jest poprzedzony
uzupełniającymi działaniami, takimi jak:
– stałe nadzorowanie pracy układu napędowego (monitorowanie);
– diagnostyka eksploatacyjna stanu układu napędowego realizowana kilkakrotnie w czasie
eksploatacji układu.
Idealnym rozwiązaniem problemu obsługi technicznej jest jej realizacja na podstawie
rzeczywistego stanu technicznego układu. Według tego wariantu należy układ wyłączyć
z eksploatacji tylko wtedy, gdy jego stan techniczny jest krytyczny. Jednakże systematyczna
ocena aktualnego stanu technicznego maszyny (poprzez pomiar lub estymację wielkości
charakteryzujących ten stan, ocenę procesów resztkowych oraz porównywanie
zgromadzonych ocen z pewnym wzorcem i na podstawie trendu tych zmian postawienie
prognozy) jest zagadnieniem trudnym i aktualnie rozwijanym w obszarze tzw. diagnostyki
technicznej [1]. Pełna realizacja diagnostyki technicznej wymaga dużych nakładów pracy
i środków. Opłaca się więc realizować ją dla kosztownych i bardzo ważnych instalacji
przemysłowych. W pozostałych przypadkach natomiast celowe jest budowanie
komputerowych systemów ciągłego nadzoru (monitorowania) oraz diagnostyki
eksploatacyjnej układu napędowego.
Zadaniem takich systemów jest określenie przybliżonego stanu technicznego układu na
podstawie nieinwazyjnych pomiarów wielkości fizycznych, dających bezpośrednio lub
pośrednio informacje o stopniu zaawansowania procesów zużycia i degradacji.
Przekroczenie dopuszczalnych wartości wybranych wielkości lub wskaźników jest
informacją dla użytkownika o aktualnym stanie układu i terminie jego wyłączenia
z eksploatacji.
71
W Instytucie Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, na bazie
ogólnodostępnego sprzętu pomiarowo-komputerowego i własnego oprogramowania
opracowano system monitorowania i diagnostyki silników indukcyjnych MONITOR-1.1.
System stosowany jest w Laboratorium Badania i Diagnostyki Maszyn i Napędów
Elektrycznych do celów dydaktyczno-szkoleniowych.
2. BUDOWA SYSTEMU MONITOR–1.1
Podstawowym zadaniem komputerowego systemu monitorowania i diagnostyki
napędu z silnikiem indukcyjnym jest rozpoznawanie i sygnalizowanie zbliżania się stanu
awaryjnego.
W tym celu mierzy się i ocenia określone wielkości fizyczne oraz sprawdza czy
obliczone parametry mieszczą się jeszcze we wcześniej ustalonych granicach. W przypadku
przekroczenia wartości granicznych są włączane układy sygnalizacyjne i zabezpieczeniowe
(włącznie z automatycznym awaryjnym wyłączaniem nadzorowanego układu). Aby
możliwa była analiza stanu silnika indukcyjnego, powinny być mierzone następujące
wielkości fizyczne: napięcie międzyprzewodowe, prądy przewodowe, przyspieszenie drgań,
temperatura uzwojeń, prędkość obrotowa, moment elektromechaniczny.
zasilanie
3 ~
PANEL POMIAROWY
u,i
pomiar
prądów
i napięć
falownik
MSI
pomiar
drgań
silnik
prądnica
oprogramowanie
"MONITOR v 1.1"
TG
ω
pomiar
prędkości
M
pomiar
momentu
T
pomiar
temperatury
IBM karta pomiarowa
AMBEX
PC/AT
Rys. 2. Schemat ideowy struktury sprzętowej systemu MONITOR-1.1
Fig. 2. Schematic diagram of the hardware of the MONITOR-1.1 system
72
Na rysunku 2 przedstawiono schemat ideowy struktury sprzętowej systemu. Oprócz
układów pomiarowych, podstawowym elementem systemu jest komputer klasy IBM PC/AT
z szybką kartą pomiarową oraz oprogramowaniem sterującym i przetwarzającym.
Na podstawie analizy częstotliwościowej prądów fazowych silnika jest określany stan
klatki wirnika, natomiast na podstawie wartości skutecznej przyspieszenia drgań i analizy
częstotliwości sygnału drgań jest dokonywana ocena stanu łożysk [3], [4]. Pozostałe
wielkości, po zmierzeniu, są porównywane z wartościami dopuszczalnymi (granicznymi),
wprowadzonymi wcześniej przez użytkownika. Ponadto system tworzy zbiory archiwalne
z pomiarów i analiz z zadaną częstotliwością. Można je wykorzystywać w dowolnym czasie
oraz kopiować i analizować poza systemem.
Oprogramowanie systemu zostało wykonane w języku TurboPascal 7.0
z wykorzystaniem biblioteki TurboVision. Menu programu ma postać wielopoziomową,
otwieraną za pomocą znaków sterujących. Na rysunku 3 przedstawiono w sposób
uproszczony możliwości menu głównego.
Zastosowana w systemie karta pomiarowa AMBEX LC-011-1612 umożliwia
próbkowanie przebiegów wielkości mierzonych z maksymalną częstotliwością 100 kHz.
W przypadku pomiaru wszystkich, przewidzianych w systemie wielkości fizycznych
(dwóch napięć międzyfazowych, trzech prądów przewodowych, prędkości obrotowej,
momentu, temperatury uzwojeń, przyspieszenia drgań), może okazać się, że częstotliwość
próbkowania będzie zbyt mała (w szczególności sygnału drgań) i wyniki analizy będą
obarczone zbyt dużym błędem. Można temu zaradzić poprzez wymianę karty pomiarowej
i modułu oprogramowania związanego ze sterowaniem pomiarami.
O wykryciu przekroczenia wartości granicznej przez którąkolwiek wielkość mierzoną,
użytkownik jest informowany odpowiednim komunikatem. Równocześnie, w przypadku
pomiarów automatycznych, zbiór z analizą takiego pomiaru jest zapisywany w
odpowiedniej kartotece (ALARM).
POMIARY
ANALIZA
TEKSTY
WYKRESY
About
Automatyczne
Definicja
Otw.zbioru
Ilosc okien
Help
Nastawy
FFT
Okna
Skala okien
Drukuj
Jednorazowe
Kartoteka
Zakresy
Zegar
DOS Shell
Wyjscie
przetworn.
Oblicz. FFT
Resize
Nastawy FFT
Next
Zestawienie
Zoom
Title
Cascade
PROGI ALARM.
Zoom FFT
Wypelnienie
Wykresl
Okno 1
Okno 2
Okno 3
Okno 4
Rys. 3. Ilustracja zawartości głównego MENU programu MONITOR
Fig. 3. Main menu of the MONITOR software
W systemie przewidziano możliwość obliczania harmonicznych według klasycznego
algorytmu Fouriera lub algorytmu FFT. Użytkownik w celu dokładnego obejrzenia widma
73
harmonicznych może skorzystać z możliwości lokalnego powiększenia – tzw. funkcji
ZOOM.
Aby obserwacja pracy systemu była optymalna, użytkownik może szczegółowo
zaprojektować sobie liczbę okien na ekranie, w których mogą być oglądane przebiegi
czasowe poszczególnych zmiennych, procentowa zawartość harmonicznych lub widmo
wybranego przebiegu. Może również dokonać wydruku zawartości poszczególnych okien.
Dodatkowym ułatwieniem dla użytkownika jest rozbudowany system pomocy (tzw.
helpów).
3. PRZYKŁADY WYNIKÓW PRACY SYSTEMU
Działanie systemu MONITOR przetestowano na stanowisku laboratoryjnym dla układu
napędowego z silnikiem małej mocy STg80X4c produkcji FSE Besel zasilanym z sieci lub
falownika napięcia MSI. Aby możliwe było sprawdzenie czy system prawidłowo
monitoruje pracę układu napędowego, część silników miała specjalnie wprowadzone
uszkodzenia, np. pęknięcia pierścienia zwierającego lub klatki wirnika.
Rys. 4. Widok ogólny ekranu graficznego programu MONITOR
Fig. 4. General view of the graphic screen for the MONITOR routine
74
Na rysunku 4 przedstawiono widok ogólny ekranu graficznego po wykonaniu kolejnej
serii pomiarów, natomiast na rys.5 i 6 — odpowiednio, widma częstotliwościowe prądu
stoja-na silnika z uszkodzoną klatką i pierścieniem zwierającym.
Rys. 5. Widma częstotliwościowe prądu silnika z uszkodzonym prętem klatki: a – pełne widmo, b – powiększony
fragment widma
Fig. 5. Frequency current spectrum of the motor with the broken bar: a – full spectrum, b – zoom spectrum
75
Rys. 6. Widma częstotliwościowe prądu silnika z uszkodzonym pierścieniem zwierającym: a – pełne widmo, b –
powiększony fragment widma
Fig. 6. Frequency current spectrum of the motor with the broken ring: a – full spectrum, b – zoom spectrum
Analiza częstotliwościowa prądów stojana badanych silników potwierdza fakt
uszkodzenia klatki i pierścienia; w widmie pojawiają się prążki o częstotliwości określonej
wzorem f = f1(1 ± 2s) oraz f = f1(1 ± 9s). Ponadto, w widmie prądu pojawiają się
76
dodatkowe harmoniczne o częstotliwościach 25 i 75 Hz, wywołane niewspółosiowością
wirników silnika i prądnicy obciążającej.
Zastosowany sprzęt pomiarowy oraz oprogramowanie umożliwiają uzyskanie
rozdzielczości widma rzędu 0,2 Hz, co jest już wystarczające do określenia stopnia i rodzaju
uszkodzenia.
W wersji laboratoryjnej systemu MONITOR, ze względu na niską klasę zastosowanego
układu pomiaru drgań, zrezygnowano z analizy częstotliwościowej drgań, ograniczając się
do monitorowania wartości skutecznej przyspieszenia drgań.
4. UWAGI KOŃCOWE
Na podstawie przeprowadzonych badań i doświadczeń uzyskanych w eksploatacji
systemu w warunkach laboratoryjnych można sformułować następujące uwagi i wnioski:
– opracowany system w pełni umożliwia realizację monitorowania pracy układu
napędowego z silnikiem klatkowym, co świadczy o poprawności rozwiązań w zakresie
sprzętu i oprogramowania;
– zastosowanie podstawowych układów pomiarowych i typowego komputera z kartą
pomiarową, umożliwia budowę taniego systemu nadzorującego w czasie rzeczywistym
pracę napędu; koszt instalacji takiego systemu jest wielokrotnie niższy od ceny jednej
nieprzewidzianej awarii;
– opracowane oprogramowanie umożliwia prostą i bezpieczną obsługę oraz możliwość
otrzymywania dokładnej i przejrzystej dokumentacji pracy systemu.
W przemysłowych układach napędowych, szczególnie dużej mocy, użytkownikowi
zależy na dużej niezawodności działania oraz uniknięciu niezaplanowanych przerw
w produkcji i obniżeniu kosztów remontowych. Można to osiągnąć poprzez instalowanie
prostych i stosunkowo tanich systemów monitorujących napęd oraz realizowanie jego
obsługi technicznej według aktualnego stanu technicznego.
Zaprezentowany system do monitorowania pracy układu napędowego z silnikami
indukcyjnymi klatkowymi, ze względu na uniwersalny charakter przyjętych rozwiązań
sprzętowych i programowych oraz możliwość łatwej rozbudowy funkcji diagnostycznych,
może być wykorzystywany w warunkach przemysłowych.
LITERATURA
[1] Cempel Cz., Tomaszewski F. (edytorzy), Diagnostyka maszyn. Zasady ogólne. przykłady zastosowań, Wyd.
MCNEMT, Radom, 1992.
[2] Kliman G.B., Stein J., Methods of motor current signature analysis, Electric Machines and Power Systems, 1992,
No.20, s.463–474.
[3] Dierżanowski A., Hickiewicz J., Szymaniec S., Wach P., Diagnostyka stanu klatek silników indukcyjnych w oparciu
o analizę częstotliwościową prądu stojana, Materiały XXIX Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Szklarska Poręba,
1993.
77
[4] Kowalski Cz.T., Zastosowanie mikrokomputerowych systemów pomiarowych do automatyzacji badań silników
indukcyjnych, Pr. Nauk. IUE PWr., Ser. Studia i Materiały, Z.18, s.75–84.
[5] Goliński G., Wajman K., Mikrokomputerowy system monitorowania pracy silnika indukcyjnego, Praca dyplomowa,
Inst. Ukł. Elektromasz. PWr., 1993.
MICROCOMPUTER SYSTEM FOR THE MONITORING AND DIAGNOSTICS OF
THE INDUCTION MOTOR DRIVES
The basic problems of the monitoring and diagnostics of the induction motor drive was
presented in the paper. The solution of the on-line monitoring and diagnostics tasks were
proposed with help of standard computer and measuring hardware. The hardware and
software of the prototype version of "MONITOR-1.1" system were described. The basic
diagnostics possibilities of the system were illustrated by some experimental results.
Praca była częściowo finansowana w ramach projektu badawczego KBN Nr 8 S502 030 07