基于大數(shù)據(jù)分析的智慧火電廠電動機狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷應用

艾思維 趙俊杰 吳秀峰 韓繼承 韓嘯

[摘 ? ?要]綜述了將智能傳感器應用于火力發(fā)電廠電動機的實時運行狀態(tài)、在線頻譜分析及故障位置診斷的判定，不僅能實現(xiàn)采集電動機電壓、電流、溫度、振動、運行頻率等參數(shù)，還能進一步計算電動機總耗電量、分析軸承損耗、對電動機存在的隱疾進行診斷和維護周期提醒，實現(xiàn)對電動機的實時狀態(tài)維護，提前發(fā)現(xiàn)隱患，避免電動機進一步損壞，為運維人員提供準確、可靠的設備狀態(tài)信息，以便運維人員在預防性檢修計劃中可以有效減少電動機的檢修數(shù)量、備品更換頻次。

[關鍵詞]輔機設備運行監(jiān)測;智能傳感器;實時監(jiān)測與準準診斷;過度檢修;工藝不達標

[中圖分類號]X773 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–02

[Abstract]It briefly describes the application of smart sensors to the determination of real-time operating status， online spectrum analysis and fault location diagnosis of motors in thermal power plants. It can not only collect motor voltage， current， temperature， vibration， operating frequency and other parameters， but also further Calculate the total power consumption of the motor， analyze the bearing loss， diagnose the hidden diseases of the motor and remind the maintenance cycle， realize the real-time state maintenance of the motor， find the hidden dangers in advance， avoid further damage to the motor， and provide accurate and reliable equipment for the operation and maintenance personnel Status information， so that the operation and maintenance personnel can effectively reduce the number of motor maintenance and the frequency of replacement of spare parts in the preventive maintenance plan.

[Keywords]auxiliary equipment operation monitoring; intelligent sensors; real-time monitoring and quasi-pre-diagnosis; over-maintenance; process substandard

在火力發(fā)電廠，除汽輪機、發(fā)電動機、鍋爐三大主要設備外，承擔其他輔助任務的輔機大多由電動機驅(qū)動，電動機在火力發(fā)電廠的應用十分廣泛。隨之相應的就是對于電動機設備的維護管理，在使用中，電動機及其他任何機械設備都會經(jīng)歷磨損和老化，如果不采取適當?shù)拇胧?，材料和部件都會隨著時間的推移而失效，如潤滑脂、密封墊、軸承室、擋油蓋等易損件。若不及時處理會造成輔機故障停運甚至是發(fā)電機組非正常停機，但絕大部分的故障都能通過預防性維護來避免，因此對于電動機運行狀態(tài)的監(jiān)測工作就顯得尤為重要。

隨著5G物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代的到來，為了使監(jiān)測維護工作更加簡單、便捷、易于上手，以設備治設備的監(jiān)測運維系統(tǒng)是不得不考慮的發(fā)展方向。監(jiān)測設備必須可以提供精確到點的設備運維信息。目前，對于電動機運行狀態(tài)的監(jiān)測主要依靠ITBT溫度傳感器、振動變送器等元件將狀態(tài)信號引至監(jiān)控后臺，不能實現(xiàn)電動機狀態(tài)的智能分析與判定。

隨著計算機技術、5G通信技術以及微電子技術的發(fā)展，在電動機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上的研究和應用已經(jīng)取得了長足的進步。短短十幾年間，從原始的人力監(jiān)測機制、信息故障遠傳等發(fā)展到現(xiàn)今的在線監(jiān)測分析系統(tǒng)。過去的監(jiān)測手段只有二進制1或0的判定。而智能化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它可以根據(jù)頻譜曲線后臺分析進行全天候預警，判定電動機零部件的損耗程度及潛在隱患從而提升電動機的安全穩(wěn)定性，防止電動機因過度檢修、檢修工藝不達標造成的事故停機。本文針對火力發(fā)電廠電動機的兩種運行狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷進行探討，模擬一種智能化在線監(jiān)測手段的應用前景，實現(xiàn)巡點檢數(shù)字化，數(shù)字管理推動企業(yè)精細化管理和價值提升。

1 電動機狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)存問題分析

在智能化系統(tǒng)不完善的時代，電動機的運維人員對于電動機運行狀態(tài)的監(jiān)測只能依靠人工就地測量，這種近乎原始的監(jiān)測手段不但不準確還有一定人身安全風險，但為了進一步保證對設備的有效監(jiān)測，不得不增加電動機巡檢頻次，這種方法十分耗費人力。目前大多數(shù)火力發(fā)電廠依然在采用人力檢測，利用聽音棒、測振儀、測溫槍、集成點檢儀等設備進行常規(guī)巡點檢。這種方式對運維人員的技術儲備、運維經(jīng)驗要求較高。當一個資深運維人員使用聽音棒聽到的電動機細微雜音會判斷出電動機的健康情況，但仍無法完全掌握電動機的運行時長、健康狀況、潛在隱患、哪些部件需要修理或更換、消耗性材料的使用臨界點等。越是資深的運維人員親臨現(xiàn)場巡點檢的機會就越少，但新手普通運維人員由于工作經(jīng)驗不足可能無法發(fā)現(xiàn)電動機的潛在隱患。

經(jīng)過發(fā)展，近年來電動機運行狀態(tài)實現(xiàn)了在線監(jiān)測，以某火力發(fā)電廠為例，溫度傳感器檢測電動機溫度，經(jīng)溫度變送器輸出模擬信號到信號隔離器;振動傳感器檢測分級篩振動，經(jīng)振動模塊輸出模擬信號到信號隔離器。信號隔離器輸出模擬信號到電控卡件。電控卡件計算溫度和振動值并通過以太網(wǎng)交換機向電動機綜合檢測系統(tǒng)提供溫度和振動數(shù)據(jù)。由于控制系統(tǒng)是一個集成電動機、風機、水泵等的操作系統(tǒng)，電動機各部位的溫度及振動值只能單獨出現(xiàn)在一個獨立的子畫面中，運行人員需要點開畫面中的“溫度”才能進入到此畫面，在參數(shù)監(jiān)視方面不夠直觀且不夠及時。此外，如若不特意調(diào)取歷史曲線，無法實時地分析溫度及振動值的變化趨勢。該火力發(fā)電廠的DCS在經(jīng)過智能化改造后新增了智能報警系統(tǒng)，當電動機軸承溫度過高、零配件損耗嚴重、甚至是燒損時才會彈出報警頁面，最終結果就是跳閘停運、電動機損壞，給機組整體運行方式造成極大不便。在火力發(fā)電廠，電動機的逐步智能化監(jiān)測能有效減少人員頻繁接觸而引起的安全事故，提高工作效率及人力消耗。

2 基于傳動系統(tǒng)監(jiān)測的電動機狀態(tài)智能監(jiān)測

利用一種智能傳感器收集電動機設備運行時的電壓、電流、各層面溫度、整體振動值、軸承狀態(tài)（從0-1位的判定進化至0-16-64位的多方面狀態(tài)判定，依次變差）、運行轉速（實際轉速，通過磁場傳感器監(jiān)測）、運行小時、啟動次數(shù)、供電頻率（實測值）、3個方向的振動值、電動機總耗電量、電動機輕微故障提醒、電動機銘牌數(shù)據(jù)值等信息，可以與運維人員的手機或者安裝在現(xiàn)場的藍牙網(wǎng)關通過藍牙網(wǎng)絡發(fā)生數(shù)據(jù)交換，收集到的數(shù)據(jù)通過手機網(wǎng)絡或藍牙網(wǎng)絡上傳到云端安全服務器，云端服務器通過后臺數(shù)據(jù)庫進行模擬，對現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)對比數(shù)據(jù)庫中類似異常數(shù)據(jù)進行配對分析，將現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的后果進行分級并發(fā)至手機APP或用戶專享網(wǎng)頁供用戶判定。用戶數(shù)量及權限均可由使用者靈活定義。網(wǎng)絡結構如圖1所示。

智能傳感器的軟件由兩部分構成，一部分是手機APP，手機APP是運維人員對電動機進行點檢的重要工具，也是運維人員及主管領導查看電動機狀態(tài)的重要工具，手機APP上可以顯示最近一次點檢的數(shù)據(jù)和結果，還能顯示APP推送的分析結論和建議并進行進一步人為分析，可以看到該電動機的銘牌數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡狀態(tài)以及序列號和版本信息。用戶在軟件上直接可以通過信號燈分辨電動機狀態(tài)和各參數(shù)狀態(tài).

智能傳感器硬件及安裝由1個智能傳感器、1個楔形底座、1個條形支架、若干螺絲組成，智能傳感器內(nèi)含低能耗藍牙傳輸裝置、內(nèi)置高電量電池、數(shù)據(jù)存儲器、3方向振動傳感器、磁場傳感器、噪聲傳感器，可以收集電壓、電流、溫度、振動等參數(shù)。在不改動電動機原設計的前提下，方便快捷地實現(xiàn)傳感器的安裝。

當電動機驅(qū)動機械系統(tǒng)時，它經(jīng)歷由齒輪、皮帶、軸承等和其他電動機的壽命周期內(nèi)變化的條件所引起的負荷變化。由這些因素引起的負荷變化進而導致電動機供電電流的變化。從其變化程度反映相應設備的運行特征，從而診斷與評估當前設備運行的健康狀況。在電動機運行狀態(tài)下，電壓、電流傳感器可方便地測試三相電流和電壓參數(shù)，評價供電電源、電動機及其驅(qū)動的負荷機械問題，自帶的軟件包含特殊的專家智能診斷電動機及其負荷的動態(tài)運行特征，在不需任何人工分析的情況下給出自動評價的結果報告，同時為電氣、機械和狀態(tài)監(jiān)視人員提供進一步分析診斷的平臺。幫助運維人員早期檢測電動機存在的問題，完成及時維修和避免嚴重的電動機損壞。

3 基于電動機定、轉子監(jiān)測的電動機狀態(tài)智能監(jiān)測

電動機狀態(tài)智能化監(jiān)測傳感器的多元化應用，不僅可以在傳動系統(tǒng)中發(fā)揮作用，還可以實現(xiàn)在電動機正常運行狀況下對定、轉子線圈進行實時監(jiān)控。以往對電機定、轉子線圈的監(jiān)控只局限于三相匝間預設的ITBT元件，監(jiān)測手段單一的只有溫度?，F(xiàn)在智能化監(jiān)測傳感器已經(jīng)可以實現(xiàn)全方位立體化防控監(jiān)測手段，通過局部放電監(jiān)測可以實時監(jiān)測到繞組外絕緣放電及繞組外絕緣老化情況。這樣可以有效地監(jiān)測到電動機實際使用壽命及更換周期，讓運維人員及時做好備品備件、備用電動機的儲備工作，避免因無備品而造成的機組非計劃降出力，甚至長時間非停。

4 結束語

針對火力發(fā)電廠電動機運行狀態(tài)智能化監(jiān)測與診斷，本課題主要分析探討了利用智能傳感器及大數(shù)據(jù)后臺分析系統(tǒng)實現(xiàn)智能化監(jiān)測與診斷，改變以往由人工巡檢監(jiān)測的現(xiàn)狀，實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)智能化升級，提高監(jiān)測與診斷的準確性與機組安全穩(wěn)定性，創(chuàng)造很大的經(jīng)濟效益。

（1）實現(xiàn)在線監(jiān)測之前需人工就地測溫或測振動，耗時耗力，對于火力發(fā)電廠眾多的電動機，逐個人工測量是不現(xiàn)實的。實現(xiàn)在線監(jiān)測后，雖然一定程度上節(jié)省了人力，后臺實時顯示更是實現(xiàn)了設備管理自動化，但由于測點眾多，無法直觀地顯示在主界面上，依然給運行監(jiān)視人員監(jiān)盤造成不便。

（2）利用集成傳感器，能進一步監(jiān)測所有重要部件包括轉子、定子、軸承、冷卻器、碳刷、滑環(huán)、齒輪箱及負載等參數(shù)，有利于運維人員根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時發(fā)現(xiàn)電動機故障，提前消除潛在隱患，在預防性維護計劃里，維護人員能獲得明確的建議。這意味著類似部件磨損等問題可以在預定的停機時間內(nèi)獲得解決，而無需等到故障的實際發(fā)生，這能很好地避免計劃外停機并且降低成本。

（3）由于提高了設備運行的可靠性，實現(xiàn)了少停電、多供電，便于實現(xiàn)狀態(tài)檢修，減少因年度計劃預試小修而造成的重復性停電;可以在不停電狀態(tài)下，進行設備參數(shù)監(jiān)測。在線監(jiān)測還有利于對設備的缺陷進行跟蹤分析，及時掌握電動機部件老化的趨勢，可遠距離隨機監(jiān)控，實現(xiàn)絕緣狀況連續(xù)監(jiān)測。該項技術的推廣應用，為實現(xiàn)狀態(tài)檢修，提高電力設備健康水平，也為減員增效，提高經(jīng)濟效益和社會效益創(chuàng)造了前提條件。

（4）電動機在線監(jiān)測和診斷實施的結果是減少了現(xiàn)場的工作量，特別是減少了因為定期檢修帶來的停運的次數(shù)，因而使得供電的可靠性得以明顯提高。減少由于維護和檢修而造成的供電可靠性降低的問題。采用電動機設備在線監(jiān)測技術減少了設備的檢修工作量和設備操作，從而減少了誤操作的概率，對確保人身安全和設備安全十分有利。

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