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

Содержание

Актуальность

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-К 2)
• обрыве фазы питания (АЗД-К 2) (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.

Задачи, которые нужно решить в ходе магистерской работы, являются:

• Контроль состояния двигателя
• Методика и алгоритмы диагностики на основе статистических данных
• Методика и алгоритмы прогнозирования результатов на основе статистических данных
• Создание практической реализации серверной части АСУ ТП

Предполагаемая научная новизна и планируемая практическая ценность

Научная новизна:

• Предложен общий подход к реализации типовой системы
• Разработана методика и алгоритмы диагностики состояния
• Разработана методика и алгоритмы статистического контроля
• Проведена сравнительная оценка существующих алгоритмов защиты и диагностики электродвигателей

Практическая ценность: Разработка алгоритмов диагностирования технического состояния двигателей и создание распределенной АСУ ТП позволяет за счет своевременного обнаружения возникающих дефектов в процессе эксплуатации, минимизировать затраты, связанные с выходом из строя электродвигателей, а также осуществить переход от планово-предупредительных ремонтов к системе обслуживания по состоянию.

Обзор исследований по теме

По результатам поиска среди материалов портала магистров ДонНТУ были найдены работы схожие по решаемым задачам и выбранным методам их решения, однако настолько комплексно тему моей работы, никто не рассматривал. Их разработали 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]

Хотя в Украине разработано множество автоматизированных систем позволяющих решать схожие проблемы, таких как КЕМ АСУ ТП [10], АСУ ТП участка отжига [11], однако в основном такие системы не реализуют некоторые важные алгоритмы защиты и не поддерживают механизма диагностики. В частности этим занимаются Донецкий национальный технический университет, Киевский политехнический институт, Харьковский политехнический университет и другие.

За рубежом разработке инструментальных средств для уменьшения риска ведения финансово-хозяйственной деятельности промышленных предприятий уделяется много внимания и широко этим вопросом занимаются такие страны как Соединенные Штаты Америки, Великобритания, Германия ,Украина и др. В частности, разработана и запатентована "Automatic Electric C-2000 Data-Gathering and Control System". Такие системы более продвинуты и имеют развитый механизм взаимодействия с пользователем, но тут, как правило, системы делятся либо на системы контроля либо на системы диагностики, при этом стоит отметить, что системам контроля уделяется гораздо больше времени, и здесь по прежнему ведутся бурные разработки, в частности Alwin, P.E. [12], Paoletti, G.J.б, Rose, A. [13].

Аналогичные разработки в Украине

Романенко В.И., Вайнер А.И., Чебаненко В.Н., Хижняк В.Я., Кобзарь В.И, Стасевич Р.К.
Автоматизированная система защиты асинхронных двигателей
Рассмотрены принципы проектирования и работы программно-технического комплекса, основными целями которого являются: автоматическое включение/отключение двигателей, автоматическое определение факта перегрузки, отключение двигателя при перегрузках и при выходе из строя механической передачи, определение факта отсутствия двигателя, диспетчеризация и накопление данных о состоянии двигателей. Основная идея алгоритма работы системы состоит в измерении тока двигателя и его анализе в моменты пуска и работы. В статье приведены расчетные формулы, таблицы и графики, а также рекомендации при выборе аппаратного обеспечения.

Пшеницын А.В.
Управление печами отжига
Рассмтривается автоматизированная система управления отжиговыми печами, внедренная на Нытвенском металлургическом заводе.

Затеев А.С.
Промышленные коммуникации
Рассматриваются примеры применения специализированного коммуникационного оборудования в промышленных условиях.

Аналогичные мировые разработки

Автор: Sanders R.
A New Data-Gathering and Control System
Автоматическая система сбора и контроля информации C-2000 представляет текущие инновации в области управления производством. Система состоит из главной станции, расположенной в центре коммуникационной сети, связанной с некоторым количеством удалённых станций. Необычно эффективная структура сетевого сообщения, в совокупности с высокой скоростью устройства сопряжения, приводит к исключительно высокой скорости информационного обмена. Также в системе предусмотрена эффективная система безопасности сообщения. Система делится на модули как на функциональном, так и на аппаратном уровне, что позволяет ей быть эффективной при любых требованиях к размеру оборудования.

Автор: Alwin P.E.
Устройства для защиты двигателя с усовершенствованными функциями и возможностью передачи данных
Последние усовершенствования в технологиях и конструкции управления двигателями дали результат в виде использования электронных компонент в новых стартерах двигателя и в специфических реле для защиты от перегрузок. Преимущества использования электроники в пускателях двигателя включают: расширенные функции защиты против поломок различных типов, улучшенные характеристики, способность передавать информацию с контроллера или другой системы управления непосредственно на пускатель. Такая комбинация даёт возможность пользователям на участках управления производственными процессами непосредственно контролировать и наблюдать за элементами таких процессов. Это позволяет предотвратить потенциальные повреждения двигателя, минимизировать время простоя и улучшить резуальтаты производственных процессов.

Автор: Paoletti G.J., Rose, A.
Улучшение существующей защиты двигателя для двигателей со средним вольтажом
Авторы анализируют поломки двигателя и связанные с ними затраты. Возможности и ограничения старых форм защиты двигателя, таких как реле, использующих модель индукции тока, контрастируют с желаемой защитой. Возможности различных типов реле, базирующихся на микропроцессорах рассмотрены с точки зрения на них, как на подходящих кандидатов для улучшения защиты двигателя. Приведен пример проекта, разработанного как часть фундаментальной модификации, а также соответствующие экономические выкладки.

Результаты магистерской работы

В данной работе будут рассмотрены два метода защиты электродвигателя: энергетический (контроль напряжения, контроль тока, контроль температуры двигателя) и статистический ( сбор и хранение энергических характеристик, прогнозирование изменения энергетических характеристик, диагностика состояния )

Эти два метода дают надежную защиту электродвигателя от аварий, а также могут указать на нарушения его условий эксплуатации. Энергетический метод будет выполняться оперативно, а статистический начнет работать,только при накоплении достаточного количества исходной информации.

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.

Список используемой литературы

• Украинская компания НПП АМИ. Аппараты защиты и контроля электродвигателей. http://azd.ami.ua
• Томас Кюгельштадт. Статья посвящена защите узлов шин от переходных процессов. Компания Texas Instruments (TI). http://i.cmpnet.com/industrialcontroldesignline/2009/..Nodes.pdf
• Техническая коллекция Schneider Electric. Руководство по организации сети Modbus. – 2007 www.schneider-electric.ru.
• Яшкардин В. RS-485 рекомендованный стандарт электрических характеристик генераторов и приемников для использования в балансных многоточечных системах. – 2009 www.softelectro.ru.
• Гребченко Н.В., Сидоренко А.А., Бельчев И.В., Метод определения параметров изоляции присоединений электродвигателей, имеющих статическую и динамическую несимметрию // Наукові праці Донецького нац. тех. університету Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 9(128): Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ». - 2009. - c. 58-65.
• Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. – М.: Энергия, 1970. – 520 с.
• Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб., Питер, 2002. - 608 с. ил.
• Компания SPM. Метод ударных импульсов SPM для диагностики условий работы и состояния подшипников качения. http://www.spminstrument.ru/methods/spm/
• Пересада С.М., Ковбаса С.Н., Середа А.Н. Аналитическое решение проблемы идентификации параметров асинхронного двигателя // Вісник НТУ «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний збірник наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія практика». – Харків: НТУ «ХПІ», 2005, №45, т.1, – С. 47-49.
• Браславский И.Я., Ишматов З.Ш. Опыт внедрения энергосберегающих технологий на основе частотно-управляемых асинхронных электроприводов // Вісник НТУ «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний збірник наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика». – Харків: НТУ «ХПІ», 2002, №12, т.1 – С. 169-170.

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.