工業(yè)4.0時(shí)代

科技的飛速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了人、設(shè)備和系統(tǒng)的智能互聯(lián)。變頻器也在這場(chǎng)新的工業(yè)革命中，不斷升級(jí)為可用作工況監(jiān)測(cè)的智能傳感器。幫助企業(yè)全方位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障。并且掌控最佳維護(hù)期，降低成本損失，實(shí)現(xiàn)工業(yè)效益最大化。

嵌入式工況監(jiān)測(cè)

工況監(jiān)測(cè)是一種用來監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)。所以，在工況監(jiān)測(cè)中要選擇關(guān)鍵參數(shù)作為表征故障的指標(biāo)。通常設(shè)備狀況會(huì)隨著時(shí)間的推移而變差，圖1顯示了一種典型的下滑模式，也稱為PF曲線。當(dāng)設(shè)備無法提供預(yù)期功能時(shí)，就表示發(fā)生了功能故障?；诠r維護(hù)的理念是，要在故障真正發(fā)生之前檢測(cè)出潛在故障。這樣就可以在出現(xiàn)功能故障之前規(guī)劃維護(hù)措施，其諸多優(yōu)勢(shì)如下：縮短停機(jī)時(shí)間、避免非預(yù)期生產(chǎn)停止、維護(hù)優(yōu)化、備件庫存降低等。

01、振動(dòng)水平監(jiān)測(cè)

許多機(jī)械故障都會(huì)產(chǎn)生某種振動(dòng)，例如軸承磨損、軸不對(duì)中、不平衡等。因此，振動(dòng)監(jiān)測(cè)已成為監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的成熟先進(jìn)技術(shù)。監(jiān)測(cè)方法有很多種，包括基本的簡單監(jiān)測(cè)和高度復(fù)雜的監(jiān)測(cè)。

其中一種被廣泛使用的監(jiān)測(cè)方法是振動(dòng)速度RMS監(jiān)測(cè)。該方法基于振動(dòng)傳感器所測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的RMS值。許多機(jī)械故障都對(duì)振動(dòng)RMS有顯著的影響，例如不平衡、軸不對(duì)中和松動(dòng)問題。

然而，變速應(yīng)用中的挑戰(zhàn)是振動(dòng)與實(shí)際轉(zhuǎn)速的相關(guān)性。機(jī)械共振就是典型的例子，機(jī)械共振總是存在的，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須以某種方式來進(jìn)行應(yīng)對(duì)。通常，故障檢測(cè)級(jí)別會(huì)設(shè)置為最壞的情況，以避免誤報(bào)。這就降低了沒有共振的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)精度。

如果為變頻器安裝并連接一個(gè)合適的振動(dòng)傳感器，就可以把傳感器信號(hào)與轉(zhuǎn)速等變頻器內(nèi)部信號(hào)，或者與應(yīng)用相關(guān)的其他信號(hào)相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而提供先進(jìn)的監(jiān)測(cè)。變頻器可以在早期檢測(cè)故障，并提供關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)行狀況的交通燈信息（參見圖1），在實(shí)現(xiàn)下一個(gè)可能的維護(hù)中斷之前，這個(gè)系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)運(yùn)行的同時(shí)，并提前準(zhǔn)備和安排維護(hù)。

機(jī)械設(shè)備正常和故障狀態(tài)下的振動(dòng)水平還取決于傳感器的類型、位置和安裝。此外，它還隨著要監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用而變化。

因此，變頻器需要一個(gè)學(xué)習(xí)期。這可通過不同方式實(shí)現(xiàn)。第一種方法是學(xué)習(xí)運(yùn)行初期的正常振動(dòng)水平。即在應(yīng)用正常運(yùn)行的同時(shí)，變頻器學(xué)習(xí)振動(dòng)，而不影響運(yùn)行。

收集到足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，變頻器便開始監(jiān)測(cè)振動(dòng)。第二種方法是變頻器可以執(zhí)行識(shí)別運(yùn)行。這種情況下，變頻器以收集足夠多數(shù)據(jù)的方式控制電機(jī)。使用第二種方法的可能性則取決于具體的應(yīng)用情況。例如在供水系統(tǒng)中，泵在調(diào)試時(shí)不允許全速運(yùn)行。

我們構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試裝置來演示該功能。本次測(cè)試范圍內(nèi)的故障是電機(jī)軸不對(duì)中。軸不對(duì)中會(huì)增加軸承的機(jī)械載荷，從而降低軸承的使用壽命。此外，還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生二次效應(yīng)。不對(duì)中的早期發(fā)現(xiàn)和校正可以延長軸承的使用壽命，避免停機(jī)。

圖2顯示了一個(gè)驅(qū)動(dòng)小型泵的電機(jī)感應(yīng)測(cè)試裝置。使用紅色手柄稍微抬高基板，可以產(chǎn)生一個(gè)角誤差。并且在電機(jī)的基板上安裝了一個(gè)振動(dòng)傳感器來演示這個(gè)概念。4-20 mA 傳感器模擬信號(hào)已連接至變頻器的模擬輸入。

圖3顯示了在兩種場(chǎng)景下測(cè)量的振動(dòng) (mm/s) 與電機(jī)轉(zhuǎn)速 (RMS) 的關(guān)系。第一種情況下，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。此狀態(tài)下，執(zhí)行了基線測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的基線確定警告和報(bào)警閾值。對(duì)于故障場(chǎng)景，使用紅色手柄稍微抬高電機(jī)基板，產(chǎn)生了軸不對(duì)中，故障狀態(tài)下測(cè)量的振動(dòng)以綠色顯示。

在上面的示例中，變頻器可以清楚檢測(cè)到此故障。對(duì)于其他應(yīng)用，基線數(shù)據(jù)可能有所不同。通常，即使在正常狀態(tài)下，振動(dòng)也與轉(zhuǎn)速相關(guān)。監(jiān)測(cè)時(shí)甚至還需要考慮共振點(diǎn)。不平衡、松動(dòng)等其他故障類型會(huì)產(chǎn)生不同的模式。

02、電氣特征分析

電機(jī)和應(yīng)用的狀況也可以通過電氣特征分析來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)研究了多年。早期的研究涉及直接在線機(jī)器，后面還研究了變頻器應(yīng)用。隨著當(dāng)今變頻器處理能力和存儲(chǔ)空間的增加，這些技術(shù)現(xiàn)在可以作為功能集成到產(chǎn)品中。

圖 4：電氣特征分析

圖4說明了這一基本概念。故障狀態(tài)指標(biāo)可以從電機(jī)電流和電壓信號(hào)中提取。電流和電壓的頻率分量可能與電機(jī)或應(yīng)用故障有關(guān)，如軸不對(duì)中或定子繞組故障等。電流和電壓傳感器無論如何都是變頻器的基本部件，它們?yōu)榭刂齐姍C(jī)提供必要的信號(hào)，這些信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)目的。因此，為了達(dá)到不增加額外的傳感器成本的目的，信號(hào)處理和分析技術(shù)在這方面起著重要作用。

作為電機(jī)控制器的變頻器可以關(guān)聯(lián)特定的電流諧波等監(jiān)測(cè)值，以及變頻器內(nèi)的其他可用信息。例如，了解了控制器的狀態(tài)，變頻器就知道何時(shí)可以執(zhí)行有意義的頻譜計(jì)算。與振動(dòng)水平監(jiān)測(cè)一樣，還可以將監(jiān)測(cè)值與電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載和其他相關(guān)過程數(shù)據(jù)（如水管中的壓力）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以獲得更準(zhǔn)確的故障信息。

03、泵中的負(fù)載監(jiān)測(cè)

前面講到變頻器會(huì)測(cè)量電機(jī)電流和電壓，其主要目的在于使用這些測(cè)量值來控制電機(jī)?；倦娏骱碗妷簻y(cè)量值用于計(jì)算電機(jī)功率、能量、實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩等各種參數(shù)。這些數(shù)值可用于監(jiān)測(cè)泵等設(shè)備的電機(jī)負(fù)載。

在負(fù)載取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)矩估計(jì)值可用于確定過載和欠載偏差。在基線期間，變頻器“學(xué)習(xí)”負(fù)載的正態(tài)分布，或負(fù)載包絡(luò) （如圖5所示） 。與之前的功能一樣也存在與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián)性。監(jiān)測(cè)過程中，變頻器可以檢測(cè)過載和欠載情況，這可能是由于泵應(yīng)用中的故障導(dǎo)致，如：污垢、砂化、葉輪破裂、磨損或其他。在空氣壓縮機(jī)中，它可以檢測(cè)泄漏，在風(fēng)扇應(yīng)用中，它可以檢測(cè)空氣過濾器堵塞。簡而言之，任何對(duì)負(fù)載有影響的異常情況都可以通過這種方式進(jìn)行監(jiān)控。

圖5：負(fù)載包絡(luò)曲線

04、實(shí)際工況監(jiān)測(cè)

執(zhí)行工況監(jiān)測(cè)變頻器的障礙是價(jià)格。在過去，只有關(guān)鍵系統(tǒng)才會(huì)配備工況檢測(cè)，而現(xiàn)在，在非關(guān)鍵的應(yīng)用中，變頻器也可以完成此任務(wù)。

“智能變頻器”解決啤酒廠廢水處理難題

希臘佩特雷的喜力啤酒廠就是一個(gè)例子。它的容量為340萬升，正在其污水廠進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)試點(diǎn)。在廢水處理方面，它使用了兩臺(tái)壓縮機(jī)，功率為132千瓦。電機(jī)由2臺(tái)VLT? AQUA Drive FC 202變頻器控制，以監(jiān)測(cè)電機(jī)和繞組的振動(dòng)。

“在這種情況下，調(diào)試是相當(dāng)容易的。我們升級(jí)了控制卡并啟用了SW許可證。第二步是安裝Hansford振動(dòng)傳感器，設(shè)置CBM參數(shù)，并啟用對(duì)電機(jī)繞組、振動(dòng)和負(fù)載包膜的監(jiān)測(cè)。”丹佛斯產(chǎn)品經(jīng)理Virgil Lupu說道。

“該項(xiàng)目一開始的目的是了解丹佛斯公司利用新的基于工況的監(jiān)控功能可以提供什么，同時(shí)體驗(yàn)這些新的可能性，為未來創(chuàng)造新的策略。對(duì)喜力來說，檢測(cè)這些壓縮機(jī)非常重要，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，當(dāng)局可以關(guān)閉啤酒廠。”丹佛斯全球大客戶經(jīng)理René Grywnow補(bǔ)充。

工況監(jiān)測(cè)可用于實(shí)現(xiàn)基于工況的維護(hù)，這是從修正性和預(yù)防性維護(hù)演變而來的。但是工況監(jiān)測(cè)依賴于傳感器數(shù)據(jù)；安裝額外的傳感器可能非常昂貴。然而，如果應(yīng)用中已經(jīng)使用了變頻器，則這是一個(gè)有價(jià)值的數(shù)據(jù)源，可以用于工況監(jiān)測(cè)，能夠節(jié)省不必要的費(fèi)用。

工業(yè)4.0的發(fā)展使得變頻器從純功率處理器件轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茉?，并且可以完成工況監(jiān)測(cè)中的各種任務(wù)。丹佛斯變頻器能夠幫助工廠在出現(xiàn)功能故障之前規(guī)劃維護(hù)措施，達(dá)到提前排除故障，降低成本的效果。未來，丹佛斯將繼續(xù)致力于水行業(yè)發(fā)展，并提供更多功能強(qiáng)大的產(chǎn)品，不斷為行業(yè)助力升級(jí)，幫助企業(yè)在智能化時(shí)代乘風(fēng)破浪。