Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Nr 44 Politechniki Wrocławskiej Nr 44

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Nr 44 Politechniki Wrocławskiej Nr 44 Studia i Materiały Nr Czesław T. KOWALSKI* silnik indukcyjny, monitorowanie, diagnostyka, systemy owe MIKROKOMPUTEROWY SYSTEM MONITOROWANIA I DIAGNOSTYKI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI Omówiono podstawowe problemy monitorowania i diagnostyki eksploatacyjnej napędów elektrycznych z silnikami indukcyjnymi. Zaproponowano sposób realizacji monitorowania i diagnostyki na bieżąco z zastosowaniem standardowego sprzętu komputerowo-owego. Przedstawiono strukturę sprzętową i opis oprogramowania prototypowej wersji systemu MONITOR-1.1. Możliwości diagnostyczne systemu zilustrowano przykładowymi wynikami badań. 1. WSTĘP W wielu gałęziach przemysłu coraz powszechniej są stosowane układy napędowe z silnikami indukcyjnymi. Stanowią one obecnie ponad 90% ogólnej liczby silników zainstalowanych w przemyśle w świecie [1]. Dlatego też zagadnienie wczesnego wykrywania uszkodzeń i informowania o fakcie ich zaistnienia użytkownika układu napędowego ma bardzo duże znaczenie praktyczne i ekonomicznie. Pozwala uniknąć przerw w produkcji, obniżyć koszty remontu i nakłady na bieżącą eksploatację. W eksploatacji układów napędowych podstawowe znaczenie ma prawidłowa realizacja tzw. obsługi technicznej napędu. Na obsługę techniczną składają się następujące czynności: konserwacja, kontrola i naprawa (rys.1a). Wszystkie te czynności mają na celu stwierdzenie i ocenę aktualnego stanu technicznego maszyny lub przywrócenie albo utrzymanie odpowiedniego stanu technicznego. Obsługa techniczna maszyn elektrycznych może być realizowana na różne sposoby, w zależności od rodzaju uszkodzenia, czasu eksploatacji, aktualnego stanu technicznego (rys.1b). W przypadku obsługi technicznej, powiązanej z rodzajem uszkodzenia, użytkownik nie ma żadnego wpływu na stan maszyny elektrycznej. Każdy przestój zdarza się nagle *Instytut Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław

2 70 i niezapowiedzianie, a obsługa techniczna jest realizowana dopiero po wystąpieniu uszkodzenia. Ma to w praktyce sens tylko w niektórych sektorach działalności gospodarczej (np. w drobnym przemyśle i gospodarstwie domowym). Obecnie dominuje obsługa zapobiegawcza, prowadzona w określonych odstępach czasu. W uzgodnieniu z planem produkcji, po określonym na podstawie doświadczeń, bezpiecznym czasie eksploatacji, układ napędowy zatrzymuje się, poddaje kontroli, rozbiera na elementy, wymienia części lub całe podzespoły. Metoda ta jest kosztowna, nieoptymalna i często się zdarza, że wymienia się części jeszcze dobre lub zbyt późno wymienia się części uszkodzone. Tak więc, korzyściom wynikającym z możliwości zaplanowania przestojów w eksploatacji można przeciwstawić wysokie koszty związane z taką obsługą techniczną. a) b) OBSŁUGA TECHNICZNA SPOSOBY OBSŁUGI TECHNICZNEJ NAPĘDÓW KONSERWACJA DOGLĄD OBSŁUGA czyszczenie pielęgnacja kontrola rejestracja wymiana części naprawa w zależności od uszkodzenia w zależności od czasu użytkowania w zależności od stanu Rys. 1. Obsługa techniczna układów napędowych: a) środki obsługi, b) sposoby obsługi Fig. 1. Technical maintenance of electrical drives: a) means of the maintenance, b) methods of the maintenance Koszty te można istotnie zredukować, jeżeli zaplanowany remont jest poprzedzony uzupełniającymi działaniami, takimi jak: stałe nadzorowanie pracy układu napędowego (monitorowanie); diagnostyka eksploatacyjna stanu układu napędowego realizowana kilkakrotnie w czasie eksploatacji układu. Idealnym rozwiązaniem problemu obsługi technicznej jest jej realizacja na podstawie rzeczywistego stanu technicznego układu. Według tego wariantu należy układ wyłączyć z eksploatacji tylko wtedy, gdy jego stan techniczny jest krytyczny. Jednakże systematyczna ocena aktualnego stanu technicznego maszyny (poprzez lub estymację wielkości charakteryzujących ten stan, ocenę procesów resztkowych oraz porównywanie zgromadzonych ocen z pewnym wzorcem i na podstawie trendu tych zmian postawienie prognozy) jest zagadnieniem trudnym i aktualnie rozwijanym w obszarze tzw. diagnostyki technicznej [1]. Pełna realizacja diagnostyki technicznej wymaga dużych nakładów pracy i środków. Opłaca się więc realizować ją dla kosztownych i bardzo ważnych instalacji przemysłowych. W pozostałych przypadkach natomiast celowe jest budowanie komputerowych systemów ciągłego nadzoru (monitorowania) oraz diagnostyki eksploatacyjnej układu napędowego. Zadaniem takich systemów jest określenie przybliżonego stanu technicznego układu na podstawie nieinwazyjnych ów wielkości fizycznych, dających bezpośrednio lub pośrednio informacje o stopniu zaawansowania procesów zużycia i degradacji. Przekroczenie dopuszczalnych wartości wybranych wielkości lub wskaźników jest informacją dla użytkownika o aktualnym stanie układu i terminie jego wyłączenia z eksploatacji.

3 71 W Instytucie Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, na bazie ogólnodostępnego sprzętu owo-komputerowego i własnego oprogramowania opracowano system monitorowania i diagnostyki silników indukcyjnych MONITOR-1.1. System stosowany jest w Laboratorium Badania i Diagnostyki Maszyn i Napędów Elektrycznych do celów dydaktyczno-szkoleniowych. 2. BUDOWA SYSTEMU MONITOR 1.1 Podstawowym zadaniem komputerowego systemu monitorowania i diagnostyki napędu z silnikiem indukcyjnym jest rozpoznawanie i sygnalizowanie zbliżania się stanu awaryjnego. W tym celu mierzy się i ocenia określone wielkości fizyczne oraz sprawdza czy obliczone parametry mieszczą się jeszcze we wcześniej ustalonych granicach. W przypadku przekroczenia wartości granicznych są włączane układy sygnalizacyjne i zabezpieczeniowe (włącznie z automatycznym awaryjnym wyłączaniem nadzorowanego układu). Aby możliwa była analiza stanu silnika indukcyjnego, powinny być mierzone następujące wielkości fizyczne: napięcie międzyprzewodowe, prądy przewodowe, przyspieszenie drgań, temperatura uzwojeń, prędkość obrotowa, moment elektromechaniczny. zasilanie 3 ~ falownik MSI u,i PANEL POMIAROWY prądów i napięć silnik prądnica TG drgań ω prędkości M momentu oprogramowanie "MONITOR v 1.1" T temperatury IBM PC/AT karta owa AMBEX Rys. 2. Schemat ideowy struktury sprzętowej systemu MONITOR-1.1 Fig. 2. Schematic diagram of the hardware of the MONITOR-1.1 system

4 72 Na rysunku 2 przedstawiono schemat ideowy struktury sprzętowej systemu. Oprócz układów owych, podstawowym elementem systemu jest komputer klasy IBM PC/AT z szybką kartą ową oraz oprogramowaniem sterującym i przetwarzającym. Na podstawie analizy częstotliwościowej prądów fazowych silnika jest określany stan klatki wirnika, natomiast na podstawie wartości skutecznej przyspieszenia drgań i analizy częstotliwości sygnału drgań jest dokonywana ocena stanu łożysk [3], [4]. Pozostałe wielkości, po zmierzeniu, są porównywane z wartościami dopuszczalnymi (granicznymi), wprowadzonymi wcześniej przez użytkownika. Ponadto system tworzy zbiory archiwalne z ów i analiz z zadaną częstotliwością. Można je wykorzystywać w dowolnym czasie oraz kopiować i analizować poza systemem. Oprogramowanie systemu zostało wykonane w języku TurboPascal 7.0 z wykorzystaniem biblioteki TurboVision. Menu programu ma postać wielopoziomową, otwieraną za pomocą znaków sterujących. Na rysunku 3 przedstawiono w sposób uproszczony możliwości menu głównego. Zastosowana w systemie karta owa AMBEX LC umożliwia próbkowanie przebiegów wielkości mierzonych z maksymalną częstotliwością 100 khz. W przypadku u wszystkich, przewidzianych w systemie wielkości fizycznych (dwóch napięć międzyfazowych, trzech prądów przewodowych, prędkości obrotowej, momentu, temperatury uzwojeń, przyspieszenia drgań), może okazać się, że częstotliwość próbkowania będzie zbyt mała (w szczególności sygnału drgań) i wyniki analizy będą obarczone zbyt dużym błędem. Można temu zaradzić poprzez wymianę karty owej i modułu oprogramowania związanego ze sterowaniem ami. O wykryciu przekroczenia wartości granicznej przez którąkolwiek wielkość mierzoną, użytkownik jest informowany odpowiednim komunikatem. Równocześnie, w przypadku ów automatycznych, zbiór z analizą takiego u jest zapisywany w odpowiedniej kartotece (ALARM). POMIARY ANALIZA TEKSTY WYKRESY PROGI ALARM. About Automatyczne Definicja Otw.zbioru Ilosc okien Help Nastawy FFT Okna Skala okien Drukuj Kartoteka Zegar DOS Shell Wyjscie Jednorazowe Zakresy przetworn. Oblicz. FFT Nastawy FFT Zestawienie Resize Next Zoom Title Cascade Zoom FFT Wypelnienie Wykresl Okno 1 Okno 2 Okno 3 Okno 4 Rys. 3. Ilustracja zawartości głównego MENU programu MONITOR Fig. 3. Main menu of the MONITOR software W systemie przewidziano możliwość obliczania harmonicznych według klasycznego algorytmu Fouriera lub algorytmu FFT. Użytkownik w celu dokładnego obejrzenia widma

5 73 harmonicznych może skorzystać z możliwości lokalnego powiększenia tzw. funkcji ZOOM. Aby obserwacja pracy systemu była optymalna, użytkownik może szczegółowo zaprojektować sobie liczbę okien na ekranie, w których mogą być oglądane przebiegi czasowe poszczególnych zmiennych, procentowa zawartość harmonicznych lub widmo wybranego przebiegu. Może również dokonać wydruku zawartości poszczególnych okien. Dodatkowym ułatwieniem dla użytkownika jest rozbudowany system pomocy (tzw. helpów). 3. PRZYKŁADY WYNIKÓW PRACY SYSTEMU Działanie systemu MONITOR przetestowano na stanowisku laboratoryjnym dla układu napędowego z silnikiem małej mocy STg80X4c produkcji FSE Besel zasilanym z sieci lub falownika napięcia MSI. Aby możliwe było sprawdzenie czy system prawidłowo monitoruje pracę układu napędowego, część silników miała specjalnie wprowadzone uszkodzenia, np. pęknięcia pierścienia zwierającego lub klatki wirnika. Rys. 4. Widok ogólny ekranu graficznego programu MONITOR Fig. 4. General view of the graphic screen for the MONITOR routine

6 74 Na rysunku 4 przedstawiono widok ogólny ekranu graficznego po wykonaniu kolejnej serii ów, natomiast na rys.5 i 6 odpowiednio, widma częstotliwościowe prądu stoja-na silnika z uszkodzoną klatką i pierścieniem zwierającym. Rys. 5. Widma częstotliwościowe prądu silnika z uszkodzonym prętem klatki: a pełne widmo, b powiększony fragment widma Fig. 5. Frequency current spectrum of the motor with the broken bar: a full spectrum, b zoom spectrum

7 75 Rys. 6. Widma częstotliwościowe prądu silnika z uszkodzonym pierścieniem zwierającym: a pełne widmo, b powiększony fragment widma Fig. 6. Frequency current spectrum of the motor with the broken ring: a full spectrum, b zoom spectrum Analiza częstotliwościowa prądów stojana badanych silników potwierdza fakt uszkodzenia klatki i pierścienia; w widmie pojawiają się prążki o częstotliwości określonej wzorem f = f 1 (1 ± 2s) oraz f = f 1 (1 ± 9s). Ponadto, w widmie prądu pojawiają się

8 76 dodatkowe harmoniczne o częstotliwościach 25 i 75 Hz, wywołane niewspółosiowością wirników silnika i prądnicy obciążającej. Zastosowany sprzęt owy oraz oprogramowanie umożliwiają uzyskanie rozdzielczości widma rzędu 0,2 Hz, co jest już wystarczające do określenia stopnia i rodzaju uszkodzenia. W wersji laboratoryjnej systemu MONITOR, ze względu na niską klasę zastosowanego układu u drgań, zrezygnowano z analizy częstotliwościowej drgań, ograniczając się do monitorowania wartości skutecznej przyspieszenia drgań. 4. UWAGI KOŃCOWE Na podstawie przeprowadzonych badań i doświadczeń uzyskanych w eksploatacji systemu w warunkach laboratoryjnych można sformułować następujące uwagi i wnioski: opracowany system w pełni umożliwia realizację monitorowania pracy układu napędowego z silnikiem klatkowym, co świadczy o poprawności rozwiązań w zakresie sprzętu i oprogramowania; zastosowanie podstawowych układów owych i typowego komputera z kartą ową, umożliwia budowę taniego systemu nadzorującego w czasie rzeczywistym pracę napędu; koszt instalacji takiego systemu jest wielokrotnie niższy od ceny jednej nieprzewidzianej awarii; opracowane oprogramowanie umożliwia prostą i bezpieczną obsługę oraz możliwość otrzymywania dokładnej i przejrzystej dokumentacji pracy systemu. W przemysłowych układach napędowych, szczególnie dużej mocy, użytkownikowi zależy na dużej niezawodności działania oraz uniknięciu niezaplanowanych przerw w produkcji i obniżeniu kosztów remontowych. Można to osiągnąć poprzez instalowanie prostych i stosunkowo tanich systemów monitorujących napęd oraz realizowanie jego obsługi technicznej według aktualnego stanu technicznego. Zaprezentowany system do monitorowania pracy układu napędowego z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, ze względu na uniwersalny charakter przyjętych rozwiązań sprzętowych i programowych oraz możliwość łatwej rozbudowy funkcji diagnostycznych, może być wykorzystywany w warunkach przemysłowych. LITERATURA [1] Cempel Cz., Tomaszewski F. (edytorzy), Diagnostyka maszyn. Zasady ogólne. przykłady zastosowań, Wyd. MCNEMT, Radom, [2] Kliman G.B., Stein J., Methods of motor current signature analysis, Electric Machines and Power Systems, 1992, No.20, s [3] Dierżanowski A., Hickiewicz J., Szymaniec S., Wach P., Diagnostyka stanu klatek silników indukcyjnych w oparciu o analizę częstotliwościową prądu stojana, Materiały XXIX Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Szklarska Poręba, 1993.

9 77 [4] Kowalski Cz.T., Zastosowanie mikrokomputerowych systemów owych do automatyzacji badań silników indukcyjnych, Pr. Nauk. IUE PWr., Ser. Studia i Materiały, Z.18, s [5] Goliński G., Wajman K., Mikrokomputerowy system monitorowania pracy silnika indukcyjnego, Praca dyplomowa, Inst. Ukł. Elektromasz. PWr., MICROCOMPUTER SYSTEM FOR THE MONITORING AND DIAGNOSTICS OF THE INDUCTION MOTOR DRIVES The basic problems of the monitoring and diagnostics of the induction motor drive was presented in the paper. The solution of the on-line monitoring and diagnostics tasks were proposed with help of standard computer and measuring hardware. The hardware and software of the prototype version of "MONITOR-1.1" system were described. The basic diagnostics possibilities of the system were illustrated by some experimental results. Praca była częściowo finansowana w ramach projektu badawczego KBN Nr 8 S