АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области автоматики и информационно-измерительной техники и может быть использована для контроля технического состояния различных электродвигателей (ЭД), без их разборки и управления этим состоянием в процессе эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является стендовый комплекс контроля вибрации и автоматизированной диагностики электрических машин ЯШМА-ЭД, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений и допущенный к применению в Российской Федерации (http://www.diamech.ru/stend_yashma_ed.html, RU.С.28.004.A №30406), который содержит однокомпонентный датчик вибрации, датчик частоты вращения, датчик температуры, датчик измерения силы тока, виброизмерительный модуль ЯШМА.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности контроля технического состояния ЭД в процессе эксплуатации в силу того, что комплекс является стендовым и предназначен для проведения приемосдаточных или послеремонтных испытаний. Кроме того, отсутствие контроля влажности среды не позволяет защитить ЭД от возможного пробоя изоляции фазных обмоток в случае запуска при высокой относительной влажности.
На фоне указанных недостатков невозможна реализация стратегии обслуживания и ремонта, основанной на индивидуальном наблюдении за изменениями фактического состояния конкретного ЭД в процессе эксплуатации.
Недостатком данного технического решения, кроме того, является возможность контроля не более одного ЭД.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является реализация возможности контроля технического состояния ЭД в процессе эксплуатации, что позволит реализовать стратегию обслуживания и ремонта, основанную на индивидуальном наблюдении за изменениями фактического состояния конкретного ЭД в процессе эксплуатации, реализация возможности одновременного контроля до трех ЭД, расширение функциональных возможностей системы контроля, за счет увеличения числа контролируемых параметров ЭД.
Данная задача решается за счет того, что в автоматизированную систему контроля технического состояния электродвигателя, содержащую установленные на электродвигателе датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников, датчики вибрации, датчики тока, датчик частоты вращения ротора электродвигателя, электронно-вычислительную машину, согласно заявляемой полезной модели, введены первое устройство сбора данных, узел управления питанием электродвигателя, n-канальный модуль согласования измерительных сигналов и датчик влажности воздуха, при этом электронно-вычислительная машина выполнена в виде персонального компьютера с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации, причем выход первого устройства сбора данных соединен с входом персонального компьютера, выход которого соединен с входом узла управления питанием электродвигателя, а вход первого устройства сбора данных соединен с выходом n-канального модуля согласования измерительных сигналов, к которому подключены датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников электродвигателя, датчики тока, датчики вибрации, датчик частоты вращения ротора электродвигателя и датчик влажности воздуха, при этом персональный компьютер с установленной программой регистрации параметров технического состояния электродвигателя в условиях эксплуатации содержит соединенный с первым устройством сбора данных первый графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный в свою очередь с блоком виртуальных термометров, блоком виртуальных амперметров, блоком виртуальных виброметров, виртуальным тахометром через виртуальный триггер Шмитта, виртуальным гигрометром и модулем контроля качества питания электродвигателя, а также второй графический интерфейс настройки измерительных задач, соединенный с виртуальным тумблером программного управления питанием электродвигателя и узлом управления питанием электродвигателя, включающим в себя последовательно соединенные второе устройство сбора данных, МОП-транзистор и электромагнитное реле, соединенное с электродвигателем.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема автоматизированной системы контроля технического состояния ЭД.
Блокам, узлам, устройствам и элементам присвоены следующие позиции:
I - верхний уровень;
II - коммуникационный уровень;
III - нижний уровень;
IV - полевой уровень;
1 - персональный компьютер (ПК);
2 - программа регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации;
3 - первый графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent;
4 - первое устройство сбора данных NI 6024 Е;
5 - n-канальный модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/В;
6 - датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников ЭД B57861S303F40;
7 - блок виртуальных термометров;
8 - датчик частоты вращения ротора ЭД FR05CM21AR;
9 - виртуальный триггер Шмитта;
10 - виртуальный тахометр;
11 - датчик влажности воздуха 808H5V6;
12 - виртуальный гигрометр;
13 - датчики тока CSLW6B5;
14 - блок виртуальных амперметров;
15 - датчики вибрации ADXL202JQC;
16 - блок виртуальных виброметров;
17 - виртуальный тумблер программного управления питанием ЭД;
18 - модуль контроля качества питания ЭД;
19 - второй графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent;
20 - второе устройство сбора данных USB-6008;
21 - МОП-транзистор;
22 - электромагнитное реле;
23 - узел управления питанием ЭД;
24 - электродвигатель (ЭД).
Как видно из блок-схемы, автоматизированная система контроля технического состояния ЭД состоит из четырех иерархических уровней. Верхний уровень - I системы включает в себя: ПК - 1, который предоставляет системе аппаратные ресурсы и программу регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации - 2, которая содержит первый графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 3, блок виртуальных термометров - 7, виртуальный триггер Шмитта - 9, виртуальный тахометр - 10, виртуальный гигрометр - 12, блок виртуальных амперметров - 14, блок виртуальных виброметров - 16, модуль контроля качества питания - 18, виртуальный тумблер программного управления питанием - 17, и второй графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 19.
Программа регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации - 2 разработана в среде графического программирования Lab VIEW.
Коммуникационный уровень - II системы включает в себя первое устройство сбора данных (УСД) NI 6024 Е - 4, которое решает задачи опроса, оцифровки и трансляции сигналов с датчиков температуры фазных обмоток статора и подшипников - 6, датчика частоты вращения ротора - 8, датчика влажности воздуха - 11, датчиков тока - 13, датчиков вибрации - 15 в ПК - 1 через интерфейс PCI (на блок-схеме не показан).
Кроме того, коммуникационный уровень - II системы включает в себя узел управления питанием - 23, который содержит второе УСД USB-6008 - 20, МОП-транзистор - 21 и электромагнитное реле - 22. Узел управления питанием - 23 решает задачу управления питанием электродвигателя 24 на аппаратном уровне.
Нижний уровень - III включает в себя n-канальный модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/B - 5, который выполняет масштабирование, фильтрацию, мультиплексирование сигналов с датчиков - 6, 8, 11, 13, 15, а также обеспечивает взаимосвязь выходных параметров датчиков с входными параметрами первого УСД NI 6024 Е - 4 и интерфейс для передачи измерительных сигналов с датчиков 6, 8, 11, 13, 15 в первое УСД NI 6024 Е - 4.
Полевой уровень - IV включает в себя электродвигатель (ЭД) - 24, а также датчики температуры фазных обмоток статора и подшипников - 6, датчик частоты вращения ротора электродвигателя - 8, датчики тока - 13 и датчики вибрации - 15, необходимые для регистрации параметров ЭД - 24, характеризующих его техническое состояние.
Дополнительно полевой уровень - IV включает в себя датчик влажности воздуха - 11 для контроля влажности среды.
Автоматизированная система контроля технического состояния ЭД работает следующим образом.
При запуске системы программа регистрации параметров технического состояния - 2 инициирует циклический опрос датчиков - 6, 8, 11, 13, 15 подключенных к системе. Измерительные сигналы с терминалов этих датчиков поступают в n-канальный модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/B - 5 с целью масштабирования, фильтрации и мультиплексирования. Кроме того, модуль согласования измерительных сигналов SCXI-1102/B - 5 обеспечивает взаимосвязь выходных параметров датчиков 6, 8, 11, 13, 15 с входными параметрами первого УСД NI 6024 Е - 4 и обеспечивает передачу измерительных сигналов для аналого-цифрового преобразования. Далее оцифрованная измерительная информация передается первым УСД NI 6024 Е - 4 в ПК - 1 по интерфейсу PCI. Программную поддержку УСД NI 6024 Е - 4 в среде Windows обеспечивает драйвер NI-DAQmx (на блок-схеме не показан), который представляет собой обширную библиотеку функций. Эти функции могут вызываться из среды разработки приложений Lab VIEW. В программе регистрации параметров технического состояния ЭД в условиях эксплуатации - 2 используется первый графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 3, который позволяет генерировать NI-DAQmx код для обращения к первому УСД NI 6024 Е - 4 с целью получения оцифрованных измерительных сигналов с датчиков - 6, 8, 11, 13, 15. Далее измерительные сигналы подаются в соответствующие виртуальные приборы - 7, 10, 12, 14, 16, содержащиеся в программе регистрации параметров технического состояния - 2.
Виртуальный гигрометр - 12 получает измерительный сигнал от датчика влажности - 11, после обработки, которой, отображает значение относительной влажности воздуха в процентах на лицевой панели программы регистрации параметров технического состояния - 2. Проверка уровня влажности производится перед пуском ЭД - 24. В случае если величина влажности превысит порог в 80%, система блокирует запуск ЭД - 24 с целью предотвращения возможного пробоя изоляции фазных обмоток.
Блок виртуальных термометров - 7 регистрирует величины температур фазных обмоток и подшипников ЭД - 24 до пуска и в процессе его эксплуатации. При этом измерительные сигналы поступают от датчиков температуры - 6, встроенных в обмотки статора ЭД - 24 и от датчиков температуры - 6, подведенных к неподвижным кольцам подшипников ЭД - 24. В случае превышения величин температур над допустимым уровнем система включает светодиодную индикацию и звуковое оповещение, а при возникновении перегрева автоматически отключает питание ЭД - 24 с целью сохранения его ремонтопригодности. Система блокирует запуск ЭД - 24 пока температура не снизится до установленной величины. Система управляет питанием ЭД - 24 через узел управления питанием - 23.
Виртуальный тахометр - 10 получает измерительный сигнал от датчика частоты вращения ротора - 8 в процессе эксплуатации ЭД - 24. При этом измерительный сигнал предварительно обрабатывается виртуальным триггером Шмитта - 9 с целью подавления шумов, искажающих истинное значение частоты вращения ротора ЭД - 24. После математической обработки измерительных сигналов виртуальный тахометр - 10 отображает число оборотов ротора ЭД - 24 в единицу времени на лицевой панели программы регистрации параметров технического состояни - 2 с помощью виртуального стрелочного индикатора. Используя виртуальный тахометр - 10, система способна обнаружить анормальные режимы работы ЭД - 24, а также заклинивание ротора, при возникновении которого инициируется автоматическое отключение питания ЭД - 24. Для этого задействуется узел управления питанием - 23.
Блок виртуальных амперметров - 14 регистрирует величины токов, потребляемых фазными обмотками ЭД - 24 в процессе эксплуатации. При этом измерительные сигналы поступают с датчиков тока - 13. Используя данные блока виртуальных амперметров - 14, система способна обнаружить перегрузку ЭД - 24, обрыв фазных обмоток, перекос фаз и короткие замыкания в цепи фазных обмоток.
Отклонение показателей качества подводимой к ЭД электроэнергии приводит к появлению признаков нарушения работоспособного состояния ЭД - 24, которое может быть ошибочно воспринято как отказ. Для исключения подобных ошибок в автоматизированную систему контроля технического состояния ЭД введен модуль контроля качества питания - 18.
Контроль качества питания производится путем анализа синусоидальности кривой фазных токов ЭД - 24, для чего сигналы, поступающие от датчиков тока - 13, подвергаются разложению на гармонические составляющие.
2
Блок виртуальных виброметров - 16 регистрирует уровни вибрации ротора и подшипников ЭД - 24 по трем осям. При этом измерительные сигналы поступают от датчиков вибрации - 15. После соответствующей обработки измерительных сигналов блок виртуальных виброметров - 16 отображает на графиках такие параметры вибрации как ускорение в мм/с, скорость в мм/с и смещение в мм. Вибросигналы отображаются на графиках во временной и частотной областях.
Запуск ЭД - 24 производится программно с помощью виртуального тумблера программного управления питанием - 17, содержащегося в программе регистрации параметров технического состояния - 2. Для этого используется второй графический интерфейс настройки измерительных задач DAQ Assistent - 19, который позволяет генерировать NI-DAQmx код для управления терминалом цифрового порта второго УСД USB-6008 - 20. При включении ЭД - 24 на терминале цифрового порта второго УСД USB-6008 - 20 выставляется логическая единица, что приводит к падению величины сопротивления проводящего канала МОП-транзистора - 21. При этом на контакты управляющей обмотки электромагнитного реле - 22 подается напряжение, достаточное для замыкания питающих контактов, вследствие чего происходит подключение ЭД - 24 к сети электропитания. При выключении ЭД - 24 на терминале цифрового порта второго УСД USB-6008 - 20 выставляется логический нуль, вследствие чего сопротивление проводящего канала МОП-транзистора - 21 возрастает. При этом величина напряжения на контактах управляющей обмотки электромагнитного реле - 22 спадает ниже уровня порога отпускания, что приводит к размыканию питающих контактов ЭД - 24.
Таким образом, автоматизированная система контроля технического состояния ЭД получая от виртуальных приборов - 7, 10, 12, 14, 16 информацию о параметрах ЭД - 24, характеризующих его техническое состояние производит анализ этой информации на наличие признаков нарушения работоспособного состояния. В случае обнаружения таких признаков система сообщает об этом оператору для принятия им соответствующего эксплуатационно-технического решения.
Система способна одновременно контролировать техническое состояние до трех электродвигателей.
Использование заявляемой автоматизированной системы контроля технического состояния электродвигателя позволит обеспечить:
своевременное предупреждение отказов;
сохранение ремонтопригодности ЭД;
максимальное использование ресурса ЭД;
повышение коэффициентов готовности и технического использования;
повышение эксплуатационной надежности;
сокращение эксплуатационных расходов, связанных с уменьшением объема ремонтных работ, сокращением запасных частей и принадлежностей и экономией трудовых затрат.