引言

2020年9月，國(guó)資委舉辦國(guó)有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)活動(dòng)，在加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新、全面推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面發(fā)出重要通知。提出以智能制造為主攻方向，加快建設(shè)推廣智能工廠，著力提高生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率和聯(lián)網(wǎng)率，加快形成動(dòng)態(tài)感知、預(yù)測(cè)預(yù)警、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行能力。水泥制造行業(yè)作為國(guó)民基礎(chǔ)建設(shè)中最重要的建筑材料之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有重要作用。尤其是生產(chǎn)過(guò)程中負(fù)荷占比最大、工作環(huán)境最復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)，其穩(wěn)定運(yùn)行是生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力保證。推動(dòng)具有自我感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)的電動(dòng)機(jī)智能化管理意義重大。

電動(dòng)機(jī)作為水泥行業(yè)電力系統(tǒng)中的重要用電設(shè)備，它的可靠性、安全性直接關(guān)系著企業(yè)的生產(chǎn)安全與穩(wěn)定。在水泥生產(chǎn)工藝中，僅破碎機(jī)、球磨機(jī)及風(fēng)機(jī)類負(fù)載就占據(jù)了整個(gè)生產(chǎn)用電的90％以上。

目前電動(dòng)機(jī)的故障監(jiān)測(cè)主要通過(guò)人工巡檢或在大中修檢查發(fā)現(xiàn)，存在一定的誤差和滯后性。雖然部分大型電機(jī)出廠時(shí)已內(nèi)置了測(cè)溫、測(cè)振傳感單元，但由于大部分電機(jī)工作模式復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，采集的數(shù)據(jù)難以直觀反應(yīng)電機(jī)狀態(tài)，數(shù)據(jù)利用率不高。

據(jù)2016中國(guó)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景分析報(bào)告指出，全國(guó)每年被燒毀電機(jī)數(shù)量高達(dá)20萬(wàn)臺(tái)以上，每年花費(fèi)的維修費(fèi)用在20億元以上，因電機(jī)故障造成的直接損失高達(dá)數(shù)百億，電機(jī)故障引起的次生危害更是難以預(yù)計(jì)。在電機(jī)故障類型中，定子絕緣故障占比36％，軸承故障占比40％，轉(zhuǎn)子斷條開(kāi)裂占比10％，其他故障占比14％。以上故障類型在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，依靠日常巡檢難以完全發(fā)現(xiàn)而預(yù)防性試驗(yàn)及檢修維護(hù)的周期又相對(duì)固定，不能根據(jù)設(shè)備的健康狀況及時(shí)地進(jìn)行檢修，容易造成“病難分期、小病大治、無(wú)病亦治、有病不治”等問(wèn)題，造成極大的人力、物力、財(cái)力浪費(fèi)。其中，分期檢修更是難以根除設(shè)備隱患，不能滿足電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行的要求。而搶修(非計(jì)劃?rùn)z修)時(shí)，往往設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的問(wèn)題，這種無(wú)序的停產(chǎn)會(huì)給生產(chǎn)組織造成被動(dòng)，同時(shí)伴隨可能的設(shè)備損壞和人身傷害。在水泥行業(yè)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況下，更易造成事故，這與安全生產(chǎn)的宗旨也是相悖的。

電機(jī)故障的發(fā)生具有一定的規(guī)律性，其故障發(fā)展是漸進(jìn)的，經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展階段最終演變成為事故。針對(duì)于此，通過(guò)合理的手段，在電機(jī)故障的初發(fā)階段進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警，運(yùn)檢人員提前進(jìn)行安排檢修，就可以避免事故，減少故障損失。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組通入三相對(duì)稱交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流(轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路)，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。

而電機(jī)在出現(xiàn)故障時(shí)，這種故障會(huì)影響到自身的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并最終反應(yīng)到定子電流的某些頻率分量上。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的頻譜分析，就能實(shí)現(xiàn)故障的監(jiān)測(cè)。

2.1 電流頻譜數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)使用高頻霍爾傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖1)，其具有測(cè)量精度高(100kHz)、響應(yīng)速度快(微秒級(jí))等特點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)采樣的需求。開(kāi)口式的霍爾元件直接卡接線纜出線位置，可就近安裝在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，無(wú)需對(duì)電機(jī)本體進(jìn)行任何操作，同時(shí)避免拆卸一次線纜的繁瑣。基于霍爾效應(yīng)的非介入式采集手段，無(wú)需對(duì)電機(jī)主回路進(jìn)行任何更改，安全可靠。

圖1 高頻霍爾傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

2.2 電機(jī)故障特征提取

相比于電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的基頻信號(hào)，其故障特征(尤其是初發(fā)故障特征)很細(xì)微，并且處于噪聲干擾的環(huán)境中，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、大型設(shè)備投切等，很難被捕捉及應(yīng)用。電機(jī)智能監(jiān)測(cè)終端采用先進(jìn)的降噪技術(shù)(一種自適應(yīng)的基波抵消辦法)、頻譜校正技術(shù)等，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，識(shí)別出具有電機(jī)故障特征分量的信號(hào)，并將特征信號(hào)上傳至后臺(tái)軟件進(jìn)行分析處理。

2.3 故障識(shí)別與診斷

依托電機(jī)故障機(jī)理模型及大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)故障的精準(zhǔn)判斷。系統(tǒng)針對(duì)電機(jī)的不同故障類型建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)字仿真回路，包括電機(jī)匝間短路、電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條、氣隙偏心異常等故障類型。通過(guò)將采集到的特征信息與故障模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障的初期診斷。

由于電機(jī)工作環(huán)境、負(fù)荷狀態(tài)、生產(chǎn)廠商、投運(yùn)時(shí)間具有較大的差異性，難以用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)衡量電機(jī)健康與否。系統(tǒng)依托大數(shù)據(jù)技術(shù)，針對(duì)每一臺(tái)電機(jī)會(huì)建立自有模型，隨著電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)量的累積，數(shù)據(jù)進(jìn)行自我校正，通過(guò)“橫向比較，縱向分析”的解決策略，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障的精準(zhǔn)判斷。

利用信息化和智能化相關(guān)技術(shù)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的分析，建立判斷模型，自動(dòng)完成從數(shù)據(jù)采集到狀態(tài)判斷的過(guò)程，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，不斷修正判斷模型和參數(shù)，達(dá)到更加精準(zhǔn)的判斷效果，真正實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障的精準(zhǔn)判斷。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)給出對(duì)應(yīng)檢修建議，同時(shí)調(diào)出檢修對(duì)象的位置、銘牌信息、投運(yùn)時(shí)間、歷史故障記錄、檢修記錄等情況，協(xié)助運(yùn)維人員檢修，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)全生命周期的管理。

根據(jù)傳統(tǒng)的巡檢方式，巡檢人員每天巡視兩次，顆粒度較大，難以發(fā)現(xiàn)隱患。某水泥企業(yè)2019年11月對(duì)其廠站內(nèi)部分重要電機(jī)進(jìn)行了頻譜分析監(jiān)測(cè)，截至當(dāng)前已正常運(yùn)行11個(gè)月，在此期間系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間每2h主動(dòng)巡檢一次。傳統(tǒng)巡視與頻譜分析的電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)巡視對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 某水泥企業(yè)依托頻譜分析的電機(jī)在線監(jiān)測(cè)前后對(duì)比

通過(guò)對(duì)該企業(yè)在實(shí)行頻譜分析的電機(jī)在線監(jiān)測(cè)模式前后對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)智能化分析及決策，該企業(yè)在電機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量與穩(wěn)定性方面有了很大的改善。首先是電機(jī)非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)大大減少，電機(jī)故障的發(fā)現(xiàn)與處理都更為及時(shí)，電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。其次更利于運(yùn)維、檢修工作的協(xié)調(diào)，極大地提高了企業(yè)人力資源的有效利用率，該企業(yè)運(yùn)維與檢修工作人員實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)，但同時(shí)勞動(dòng)效率提高了60％。由于電機(jī)在線監(jiān)測(cè)的持續(xù)開(kāi)展及對(duì)設(shè)備的分析、處理能力的提升，站內(nèi)電機(jī)管理水平明顯提高，同時(shí)也大大節(jié)約了該企業(yè)的運(yùn)行成本。由此可以看出，基于頻譜分析的電機(jī)智能化管理系統(tǒng)打通了設(shè)備管理的“最后一公里”，將設(shè)備智能化管理延伸至用電最末端，意義重大。

加快推進(jìn)智能制造，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是水泥企業(yè)全面可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。具有自我感知、自我診斷的電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)將逐步擺脫傳統(tǒng)巡檢模式的弊端，為企業(yè)用戶的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

作者：李小鵬

來(lái)源：《珠海萬(wàn)力達(dá)電氣自動(dòng)化有限公司》

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