Реферат по теме выпускной работы

Разработка методики и алгоритмов оперативного контроля и диагностики состояния электрических двигателей в распределенной АСУ ТП

Содержание

Актуальность темы

В настоящие время на производствах широко используется сложное силовое оборудование, требующего постоянного контроля для предотвращения аварийных ситуаций. Стоимость его ремонта и простоя на много выше, чем стоимость систем, которые могут предотвратить аварии или существенно уменьшить нанесенный ущерб. Применение современных вычислительных систем позволяет решать задачи различного характера связанные с мониторингом параметров контролируемых объектов, оптимизировать режимы работы, определять оптимальные условия эксплуатации, прогнозировать развитие состояния оборудования.

Наиболее распространенными силовыми механизмами являются электрические двигатели. В реальных условиях производства, они сильно подвержены износу из-за тяжелых условий эксплуатации. Для контроля параметров электродвигателя используются автономные устройства контроля и защиты АЗД, АЗД-К, КОРД.У, разработанные ООО НПП АМИ [1].

Аппарат защиты электродвигателей АЗД обеспечивает защиту двигателя при следующих аварийных ситуациях:

• незавершившемся пуске;
• технологических перегрузках;
• заклинивании (опрокидывании);
• обрыве фазы питания.

Аппараты контроля работы и защиты электродвигателей КОРД.У в зависимости от выполняемых функций имеет несколько вариантов исполнения:

• КОРД.У1 - для защиты двигателя при опрокидывании и незавершившемся пуске;
• КОРД.У2 - для защиты двигателя при технологических перегрузках;
• КОРД.У3 - совмещает функции КОРД.У1 и КОРД.У2;
• КОРД.У4 - выполняет функции КОРД.У3 и дополнительно максимально-токовую защиту.

Аппарат защиты электродвигателей на базе микроконтроллера АЗД-К обеспечивает выполнение расширенных функций по сравнению с АЗД. Благодаря использованию микроконтроллера появилась возможность реализовать новые функции и более гибкие алгоритмы контроля и защиты двигателей. Ниже перечислены функции защиты электродвигателя, выполняемые устройством, при возникновении различных ситуаций:

• незавершившемся пуске;
• технологических перегрузках;
• заклинивании (опрокидывании);
• неполнофазном режиме работы (АЗД-К2)
• обрыве фазы питания (АЗД-К2) (срабатывание аппарата при пропадании тока в одной или двух фазах);
• потере производительности («сухого хода» насоса);
• перегреве;
• снижение сопротивления изоляции на землю (при работе с датчиком утечки на землю типа ДУЗ1).
Аппарат с помощью подключения внешнего устройства индикации, позволяет визуализировать некоторые параметры двигателя.

Однако такие устройства не позволяют осуществлять автоматизированный и оперативный контроль состояния электрического двигателя с рабочего места оператора. Кроме того, не предусмотрена возможность получения и хранения информации об условиях эксплуатации и состоянии двигателей в течение длительного периода, что не позволяет определять тенденцию износа и прогнозировать остаточный ресурс. С увеличением количества двигателей существенно возрастает сложность контроля.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является решение задач определения тенденции износа и прогноза остаточного ресурса двигателя, осуществление постояного контроля, хранение состояний и условий эксплуатации в течение длительного времени. Решение проблемы повышения эффективности эксплуатации электрических двигателей возможно с помощью предлагаемой автоматизированной системы управления (АСУ) структура которой представлена на рис 1.

Основные задачи, которые подлежат решению:

• Методика и алгоритмы диагностики электродвигателя;
• Методика и алгоритмы энергетического контроля электродвигателя;
• Контроль и диагностика состояния электродвигателя в реальном времени;
• Методика и алгоритмы спектрального анализа токов [6, 7];
• Практическая реализация устройства защиты электродвигателя;
• Создание практической реализации компьютерной сети [2, 3];

Предполагаемая научная новизна и планируемая практическая ценность

Научная новизна:

• Предложен общий подход к реализации типовой системы;
• Разработана методика и алгоритмы спектрального анализа токов;
• Разработана методика и алгоритмы энергетического контроля двигателя;
• Проведена сравнительная оценка существующих алгоритмов защиты электродвигателей;

Практическая ценность:

На основании проведенных исследований и полученных результатов будут разработаны, аппарат защиты электродвигателя, электрическая сеть RS-485 с использованием протокола ModBus и распределенная автоматизированная система управления электродвигателями с целью внедрения в производство работоспособного продукта.

Обзор наиболее близких исследований и разработок касающихся темы, среди магистров ДонНТУ:

Исследования по теме "Разработка методики и алгоритмов оперативного контроля и диагностики состояния электрических двигателей в распределенной АСУ ТП в ДонНТУ ведутся давно и благодаря этому были достигнуты хорошие результаты, но полностью никто не охватывает тему моей магистерской работы. В данном направлении занимались многие магистры, аспиранты и студенты. В числе вышеперечисленных такие преподаватели как Лукашова Л. С. [1] [2], Муратова И. А. [3], Сухоруков А. В. [4], Федюк О. А. [5], Мишлаков Д. А. [6], Мурашов Е. А. [7], Хижняк В. А. [8], Божко В. В. [9], и другие. Благодаря магистерским и статьям, написанным этими людьми, были получены новые решения проблем в области интеллектуальных систем защиты электродвигателя.

Обзор исследований по теме в Украине

В Украине данная тема не нова, этим направлением занимаются такие университеты как Донецкий национальный технический университет, Киевский политехнический институт, Харьковский политехнический университет и другие. Также этим вопросом занимаются разные компании Украины такие как АМИ [1], KEM [2], Элит-Монтаж [3], Укргазгеоавтоматика [4], Электромобил [5], Бинар [6], ЭлектроСталь [7], ТехноДОМ [8] и много других.

Обзор исследований по теме в мире

Тема распределенные системы очень актуальна сейчас в мире, так как ростут производства и нужно контролировать большие исполнительные механизмы и обеспечивать нормальную их работу. Ведущими странами по развитию параллельного моделирования и разработке моделирующих систем являются Соединенные Штаты Америки, Великобритания, Германия и Украина. Также в последнее время этому вопросу стали больше уделять внимание и остальные развитые страны.

Результаты магистерской работы

Аварии электродвигателя

Прежде чем приступить к решению проблемы рассмотрим типы отказов, которые можно разделить на две категории — электрические, механические.

Электрические отказы:

• Пробой изоляции между фазами. Приводит к короткому замыканию в обмотке. При коротком замыкании обмотки статора наблюдаются сильные вибрации двигателя переменного тока, которые прекращаются после отключения его от сети, сильное гуденье, не симметрия токов в фазах, быстрый нагрев отдельных участков обмотки. В случае короткого замыкания обмотки фазного ротора наблюдается такой же эффект, как при нарушении изоляции между контактными кольцами и валом.
• Обрыв проводников обмотки статора. Это приводит к не симметрии токов и быстрого нагрева одной из фаз (в крайнем режиме — обрыл фазы, ротор не вращается или его частота вращения имела, наблюдается сильный шум и быстрый нагрев двигателя).
• Обрыв стержня коротко замкнутой обмотки ротора. Приводит к повышенным вибрациям, уменьшению частоты вращения под нагрузкой, пульсациям тока статора последовательно во всех фазах.
• Витку короткие замыкания обмотки статора или ротора. Приводит к избыточному нагреву электрической машины при номинальной нагрузке.
• Недопустимое снижение сопротивления изоляции. Может быть следствием сильного загрязнения изоляции, увлажнения и частичного разрушения, вызванных старением изоляции.

Основные аварийные режимы электродвигателей возникают:

• Обрыв фаз – 50 %.
• Затормаживание ротора – 20 %.
• Технологические перегрузки – 10 %.
• Понижение сопротивления изоляции – 10 %.
• Нарушение охлаждения – 10 %.

Статистические данные по механическим авариям электродвигателя:

• Повреждения элементов статора - 38 %
• Повреждения элементов ротора - 10 %
• Повреждения элементов подшипников - 40 %
• Другие повреждения - 12 %

Статистические данные взяты со следующих источников: компания ЭлектроМотор [1], электронный журнал "Новости Электротехники" №1(31) 2005 [2]

Методы защиты электродвигателя

Алгоритмы анализа параметров двигателя является основным алгоритмом работы системы мониторинга. Именно в результате работы системы по данному алгоритму формируется заключение о фактическом состоянии электрического двигателя и прогноз его технического состояния в последующие моменты времени.

• Энергетический метод
• Метод ударных импульсов
• Фазо-временной метод
• Метод электрических импульсов
• Вибродиагностика
• Спектральный анализ токов

Метод ударных импульсов

Метод ударных импульсов SPM был впервые разработан в 1969 году. С течением времени метод SPM был дополнен и усовершенствован, и в настоящее время он позволяет оценивать условия смазки даже неповрежденных подшипников. Поэтому технический персонал может не только вовремя обнаруживать возникающие повреждения тел и дорожек качения, но и предотвращать само их появление путем поддержания и улучшения условий смазки — самой главной причины выхода из строя подшипников.

На сегодняшний день метод ударных импульсов SPM стал всемирно признанной философией, используемой для обеспечения надежности работы оборудования.

Основные задачи применения метода ударных импульсов SPM:
• получение заблаговременного предупреждения об ухудшении условий смазки подшипников для осуществления своевременной замены смазки по ее фактическому состоянию;
• получение заблаговременного предупреждения об ухудшении условий работы подшипников вследствие различных внешних воздействий для принятия своевременных мер по устранению этих воздействий (например, перегрузки, существенного дисбаланса, несоосности и т. п.);
• получение заблаговременного предупреждения о появлении дефектов подшипников для планирования своевременных замен подшипников;
• сведение к минимуму простоев оборудования;
• сведение к минимуму рисков отказов оборудования и обеспечение надежности его работы.

Измерения по методу ударных импульсов SPM могут выполняться с помощью ряда переносных диагностических приборов и с помощью стационарных диагностических систем фирмы SPM Instrument наряду со спектральным анализом ударных импульсов SPM Спектр, измерениями интенсивности вибрации по стандартам ISO, спектральным анализом вибрации EVAM и другими измерительными функциями.

Функциональные возможности и допускаемые параметры настроек метода ударных импульсов SPM в большинстве случаев почти одинаковы для различных приборов и систем, исключая определенную разницу между LR/HR и dBm/dBc. Просим Вас при выборе диагностического оборудования всегда обращать внимание на технические данные конкретных измерительных устройств [8].

Вибродиагностика

Вибрация − это механические колебания тела около положения равновесия. Идеальная машина, не должна создавать механических колебаний, так как в ней вся энергия должна превращаться в полезную работу. На практике при работе любых механических и электромагнитных систем возникают колебания, вызванные остаточным дисбалансом, расцентровкой, отклонениями в элементах зацепления, зазорами и т. д., что приводит к рассеиванию энергии в виде механических колебаний. Поэтому вибрация - один из самых информативных параметров который может быть применен для контроля текущего технического состояния механизмов роторного типа без их разборки в процессе изготовления (испытаний), эксплуатации, ремонта и наладки.

Мы привыкли уже к тому, что контролируем, например состояние двигателей внутреннего сгорания по давлению, температуре, расходу масла, компрессии и т. д. то есть по определенным диагностическим признакам и только после этого принимаем решение об их техническом состоянии, производстве определенных наладочных или ремонтных работ.

Для механизмов роторного типа (турбины, турбокомпрессоры, электродвигатели, генераторы, насосы, вентиляторы, и т. д.) основными источниками диагностической информации, характеризующим текущее техническое состояние механизмов являются сигналы вибрации. Обусловлено это тем, что вибрация являясь следствием взаимодействия различных сил в самом механизме, несет в себе информацию о состоянии как механизма в целом, так и его отдельных кинематических связей, узлов и деталей. При этом теория и практика анализа вибросигналов к настоящему времени столь отработана, что можно получить достоверную информацию практически по любому дефекту монтажа, изготовления или износа.

В данной работе будут расмотренны два метода защиты электродвигателя: энергетический (контроль напряжения, контроль тока, контроль температуры двигателя) и спектральный анализ токов.

Эти два метода дают полную защиту электродвигателя от аварий которые перечислены выше. Энергетический метод будет выполнятся оперативно, а спектральный анализ будет проводится через фиксированое время и некоторые параметры этого метода будут сравниватся с оперативными данными энергетического метода.

Заключение

В результате проведенной на данный момент работы, создана теоретическая модель системы сбора информации и контроль электродвигателя в производственных условиях. Дальнейшей доработке и углублению подлежит вопрос протоколов транспортного уровня передачи данных в проектируемом варианте сети. На данный момент близка к завершению теоретическая модель интеллектуальной системы защиты трехфазного электродвигателя. Большинство поставленных для достижения цели задач теоретически разрешены, однако нуждаются в лабораторных и экспериментальных проверках.

Примечание

При написании данного реферата выпускная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.