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怎样看待电机的状态监测技术

www.cechina.cn2017.12.28

  电机,在工业生产中起着非常重要的作用。然而,大家有没有注意到,尽管产业升级所带来的技术进步正在将电机的性能和品质不断推向新的高度,可是我们使用电机的方式,却几乎在它问世的这一百多年间没有什么太大的变化:连续运转CONTROL ENGINEERING China版权所有,直到“寿终正寝”。


  同时,在提升电机使用寿命、确保其长时间稳定运行方面,除了繁琐复杂的人工检修和排查,我们在电机的维护和保养方面所采取的措施也仍然是非常有限的。


  这其实会带来一个很严重的问题,就是极高的设备风险成本。因为我们知道,作为设备机械动力源的电机,其安装使用和维修更换的过程往往是极为耗时、费力的www.cechina.cn,一旦出现任何故障或损坏造成设备停产,总是会给企业带来不小的经济损失,包括:设备停机导致产能效率下降,以及因电机损坏而发生设备二次损伤...等等。


  因此,根据设备与电机的当前和历史工作状态,提前对可能出现的故障状况作出相应的预判,并有计划的对设备和电机进行维护保养,就显得十分必要了。


  不过,这种对电机运行状态的监控,并不仅仅是我们通常意义上所说的过电流报警和过温保护。因为无论是电机过流还是过温,其背后的故障原因往往是十分复杂的,很难基于这些报警信息快速采取有效的纠正措施。


  尤其是对于很多因机械传动异常(如振动或磨损)而造成的电机损坏,往往需要经过长期运行后才可能会引发故障CONTROL ENGINEERING China版权所有,此时电机发出的过温/过流报警,通常是没有太大意义的,因为其本体(轴、轴承、绕组、编码器...)很可能已经受到一定程度的损伤了;并且,如果不查明故障根源www.cechina.cn,就对其实施复位操作或产品更换,设备再次停产几乎是不可避免的。


  要确保电机的长时间稳定运行,我们真正需要的是,对包括:电流、温度、扭矩、振动...等各类电机运行状态的实时信息和历史数据,进行交叉比对和趋势分析,基于对电机运行健康状况的评估,为设备的运维保养制定相应的计划和流程,并采取行动。


  换句话说,从电机反馈给设备系统的应该是一系列实时的动态数据,而不仅仅是一两个简单的状态信息或报警。


  对电机进行状态监测,比较常见的做法,是通过加装专用的传感器,测量电机本体的温度和振动等级。


  并借助专门的仪器设备对监测数据进行实时记录和分析;或者将传感器直接接入专业的状态监测系统,用以分析和评估电机运行的健康状况和历史趋势。


  这其实已经是一种极为成熟的电机状态监测解决方案了,不少专业的厂家都能够提供完整的产品体系,功能也十分齐全。不过,对于大部分企业用户来说,它的应用成本就显得太高了。加之技术方案往往较为复杂,通常只有在一些对风险把控极为严格的重要场合才会使用(如:发电机组、风机、泵站...等)。


  为了降低电机状态监测的应用门槛,提升系统的易用性,针对通用型低压电机,一些自动化厂商开始提出所谓“智能电机”的概念和产品。


  首先,对于内部已经集成了位置编码器的伺服电机来说,其实是可以利用连接在机械传动轴上的伺服反馈,实施电机状态监测的。


  例如,市面上一些采用数模混合反馈(如:HIPERFACE Stegmann、EnDat 2.1... )的伺服电机,就能够在实时动态输出高精度位置/速度信息的同时,通过其数字通讯端口向设备控制系统反馈一些电机静态/动态运行数据,包括:电机换相转子位置、编码器内部温度、产品电子铭牌标签、电机硬件参数...等等。


  而这些年和在编码器技术上的应用,已经开始让电机反馈逐渐突破了通讯速率和数据带宽的限制。比如我们之前提到的 HIPERFACE DSL 伺服反馈协议,其数据传输率达到 9.375MBd,传输周期最短仅为 12.1 μs。这让编码器在反馈位置、速度...等运控信息的同时,还能够承载更多有关电机运行状态的数据信息。


  近期新面市的一些高性能电机产品,如上图所示的 Premo 集成高精度减速机伺服电机上CONTROL ENGINEERING China版权所有,就已经搭载了基于 HIPERFACE DSL 数字式电机反馈的集成状态监测技术。


  由于电机的运控反馈和状态信息是在同一条数据回路上进行传输的,因此,用户有机会将电机的实时位置信息,与电流、转速、加速度等运控数据、传感器反馈的各种电机状态信息,放在同一个数据库和时间轴上进行同步比对和交叉分析的,例如:传动轴在特定位置(角度)的振动幅度...等等。这将有助于提升电机故障诊断的准确性和设备系统的运行效率。


  基于这种高速数字式反馈技术,用户还可以通过在电机(传动轴)编码器上扩展传感器端口模块(如上图中的 SensorHub),在不增加任何外部硬件接线的情况下,将包括绕组温度、振动加速度和频率、轴承受力、扭矩反馈...等在内的各类传感信号,接入设备的传动和控制系统,从而实现更全面的电机状态监测。


  而对于那些采用开环控制的普通低压电机来说,则可以通过在本体上加装一块内置无线数据通讯模块的状态监测传感器,来检测其温度、振动...等运行状况。


  然后将检测数据通过蓝牙、Wi-Fi ... 等数字通讯方式,传送到移动智能终端(手机、Pad...等)和厂家的云端服务平台(如:Ability、MindSphere),进行系统分析。


  这不仅让用户可以在移动智能终端上实时查看电机的健康状态,还能够通过网络平台,适时的向设备操作、运维人员和团队推送电机故障预警或报警信息,帮助企业实现对电机类产品的预防性维护。
  借助无线通讯技术,将现场电机的状态监测服务置于云端,其优势是显而易见的,不仅安装方便,使用非常灵活,适用于大部分普通低压电机,无论其已经或是即将投入使用;而且,目测其总体使用成本也会比以往的状态监测系统低很多。
  写在最后:
  尽管我们已经感觉到了状态监测技术在通用低压和伺服电机产品上的应用趋势,也看到了一些有价值的产品和解决方案(例如:HIPERFACE DSL 伺服反馈、WITTENSTEIN 的 Premo 电机、ABB 的 Ability Smart Sensor...),但若真正要被广大制造企业用户接受和认可,基于特定的应用场景、用于电机数据展示/分析的软件系统和操作界面,一定是不可或缺的。当然,产品和系统的成本和易用性也是至关重要的。
  从这个角度来看,未来在自动化产品和状态监测产品厂商之间的跨界合作,应该是非常值得期待的。

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