Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne r 7/5 85 acej Sułowcz, Instytut Elektrotechnk, Warszawa omasz Węgel, Konrad Wenreb, omasz Stanszewsk, Poltechnka Krakowska SYSE AKWIZYCJI SYGAŁÓW DIAGOSYCZYCH DLA OCEY SAU SILIKA IDUKCYJEGO KLAKOWEGO ACQUISIIO SYSE OF DIAGOSIC SIGALS FOR SAE ESIAIO CAGE IDUCIO OOR Abstract: hs paper presents a procedure of acquston of dagnostc sgnals, needed for a comprehensve dagnostcs of squrrel cage motors. he s data obtaned from a Data Acquston Card (DAQ), measurng transducers and a database. he procedure allows the measurements of the requred quanttes and data transfer to the server va the LA etwork or the Internet. Basc dagnostc sgnals requred to evaluate the condton of the squrrel cage motor are three phase currents and phase voltages feedng the stator of the machne, measured at the same nstant. he system delvers data needed to the comprehensve dagnostc of the squrrel cage motors, especally the ones used to detect faults whch are dffcult to recognze wthout smultaneous measurements of motor currents and control of a stator voltage symmetry. Smultaneous measurement of the three currents and the three voltages s necessary for the dagnostc methods, based on the analyss of the specfc features of the motor currents component s spectrum descrbed by the authors. hs paper contans examples of the dagnostc sgnal analyss collected and stored wth the use of the developed data acquston system.. Wstęp Szybk postęp w rozwoju komputerowych systemów, coraz nższy koszt nstalacj różnego rodzaju czujnków przetwornków oraz możlwośc transmsj danych poprzez różne meda komunkacyjne stwarza nowe możlwośc budowy stosowana systemów akwzycj sygnałów dagnostycznych dla slnków ndukcyjnych. System akwzycj sygnałów dagnostycznych pownen umożlwać przeprowadzene pomarów oraz wykonane analzy zebranych danych w celu dentyfkacj zjawsk fzycznych zachodzących w maszyne. System akwzycj danych można traktować jako zbór elementów składający sę z oprogramowana oraz sprzętu łączącego osobę przeprowadzającą pomar z badanym slnkem. Stopnowy charakter rozwoju uszkodzeń slnka potrzeba ch wczesnego wykrywana narzucają okresowe powtarzane pomarów dagnostycznych. Przy analze zebranych sygnałów ocene stanu maszyny, należy sę odneść do danych zarejestrowanych w przeszłośc. Odnesene sę do danych hstorycznych pozwala porównywać welkośc charakterystycznych cech występujących w badanych sygnałach. Powstające różnce w analzowanych sygnałach mogą śwadczyć o pojawającej sę degradacj stanu maszyny. Dlatego bardzo ważnym aspektem systemu jest gromadzene danych hstorycznych o pomarach wykonanych na obekce. W pracy zostane zaprezentowany system zberana gromadzena sygnałów dagnostycznych na potrzeby kompleksowej dagnostyk slnków ndukcyjnych klatkowych oparty o kartę pomarową DAQ, przetwornk pomarowe oraz pomarową bazę danych. System ten umożlwa wykonane pomarów oraz przesyłane danych do głównego serwera pomarowego poprzez seć LA lub Internet. Podstawowym sygnałam dagnostycznym do oceny stanu slnka ndukcyjnego klatkowego są trzy prądy fazowe trzy napęca fazowe zaslające stojan maszyny, merzone w tej samej chwl czasowej. Proponowany system dostarcza dane do kompleksowej dagnostyk slnków ndukcyjnych a w szczególnośc do wykrywana efektów uszkodzeń, które są trudne do wykryca bez równoczesnego wykonana pomarów trzech prądów zaslających oraz kontrol symetr napęć zaslających badaną maszynę. Równoczesny pomar trzech prądów napęć jest koneczny do opracowanych przez autorów metod dagnostycznych opartych o analzę stotnych cech wdma składowych symetrycznych prądów zaslających badany slnk ndukcyjny klatkowy.
86 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne r 7/5. Kompleksowy system dagnostyczny Schemat deowy sytemu dagnostycznego dla slnka ndukcyjnego klatkowego przedstawono na Rys.. Oprócz badanego obektu slnka ndukcyjnego klatkowego oraz układu akwzycj danych, przedstawony system dagnostyczny slnka składa sę z: Bazy danych, w której przechowywane udostępnane są wynk pomarów wykonanych na badanym obekce. Bazy danych wzorców dagnostycznych, w której składowane są wynk oblczeń specjalzowanych model matematycznych, uwzględnających wpływ stanu maszyny na cechy sygnałów dagnostycznych. Są tu przechowywane wzorce dla przypadków wystąpena ekscentrycznośc, uszkodzeń klatk oraz nesymetr napęć zaslających. Bazy danych wynków dagnoz, która spełna zadane archwzacj wynków dotychczas przeprowadzonych dagnoz. Bloków wnoskowana dagnostycznego, w których wykorzystuje sę logkę rozmytą, sec neuronowe oraz rozpoznawana wzorców do oceny aktualnego stanu maszyny. Bloku decyzyjnego, odpowedzalnego za wydawane zaleceń eksploatacyjnych na podstawe wynków przeprowadzonych badań dagnostycznych. Baza danych wynków dagnoz Baza danych wzorców dagnostycznych Wnoskowane z wykorzystanem sec neuronowych Kompresja danych (PCA) Blok decyzj eksploatacyjnych Wnoskowane z wykorzystanem rozpoznawana wzorców Wnoskowane z wykorzystanem logk rozmytej Wstępna obróbka danych Ekstrakcja cech ~ Badany obekt slnk Blok akwzycj sygnałów Baza danych Rys.. Schemat deowy sytemu dagnostycznego System dagnostyczny slnka ndukcyjnego, przedstawony na Rys.., dzała według następujących zasad: Przed rozpoczęcem dzałana całego sytemu dagnostycznego zostaje napełnona baza danych wzorców dagnostycznych, zawerająca wzorcowe wdma prądu uwzględnające różne rodzaje uszkodzeń dla badanych typów slnków ndukcyjnych. Za pomocą bloku akwzycj danych następuje zberane sygnałów dagnostycznych z badanego obektu slnka ndukcyjnego. Pobrane dane są przesyłane gromadzone w pomarowej baze danych. Dla aktualne wykonywanego pomaru dokonywana jest analza zarejestrowanych sygnałów dagnostycznych. Po precyzyjnym określenu prędkośc obrotowej slnka, w trakce wykonywana pomaru, następuje ekstrakcja stotnych cech z analzowanych sygnałów, na podstawe których będze postawona dagnoza co do aktualnego stanu maszyny. W bloku wnoskowana dagnostycznego odbywa sę ocena stotnych cech wybranych z analzowanych sygnałów lub zastępczych wskaźnków, utworzonych na podstawe tych cech. Ogólne ujmując wnoskowane odbywa sę przez porównane cech lub wskaźnków z analogczne wybranym przetworzonym danym zgromadzonym w baze wzorców dagnostycznych. Ocena stanu może odbywać sę z zastosowanem metod sztucznej ntelgencj. W wynku oceny charakterystycznych cech analzowanych sygnałów zostaje postawona dagnoza określająca aktualny stan pracy slnka. a podstawne aktualnych oraz poprzednch wynków dagnoz, w bloku decyzyjnym następuje wskazane zaleceń eksploatacyjnych.. System akwzycj danych Układ akwzycj danych odpowada bezpośredno za dostarczene aktualnych wynków pomarów dla etapu oceny dagnostycznej jest jednym z głównych elementów systemu dagnostycznego układu napędowego z slnkem ndukcyjnym klatkowym. Przy wykorzystanu komputera ogólnego przeznaczena klasy PC karty pomarowej DAQ, układ można zalczyć do tzw. komputerowych systemów. LE DAQ LA/Internet SQL Rys.. Schemat blokowy układu akwzycj danych
Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne r 7/5 87 Jest to zarazem jeden z najprostszych najczęścej spotykanych model, gdze centralnym elementem systemu jest wrtualny przyrząd pomarowy karta pomarowa wraz z komputerem specjalstycznym oprogramowanem. Schemat blokowy systemu akwzycj danych przedstawa Rys.. Konfguracja systemu obejmuje następujące elementy składowe: LE Przystawka pomarowa zestaw przetwornków służących do pomaru prądów fazowych napęć fazowych zaslających badany slnk. Zestaw przetwornków jest ndywdualne dobrany do danych znamonowych badanego slnka. DAQ Komputer pomarowy z zanstalowaną welofunkcyjną kartą pomarową główny element systemu akwzycj. Poprzez wykorzystane specjalstycznej aplkacj pomarowej, za pomocą komputera można zmenać parametry wykonywanych pomarów oraz przesyłać dane wynkowe do wybranego serwera baz danych. SQL Serwer baz danych komputer udostępnający zasoby w sec lokalnej lub Internet, umożlwający przechowywane wynków pomarów w relacyjnej baze danych o specjalne zaprojektowanej strukturze. WEJ L L L Przystawka pomarowa stanow układ składający sę z kompletu przetwornków elektrycznych oraz zaslacza. Zastosowany zestaw przetwornków pozwala na jednoczesny pomar trzech prądów trzech napęć fazowych zaslających badany slnk ndukcyjny. Schemat deowy przystawk pomarowej przedstawono na Rys.. Prototyp przystawk pomarowej do układu akwzycj danych zbudowano dla slnków nskonapęcowych małej mocy. Podstawowe elementy przystawk to: rzy mnaturowe przetwornk prądowe frmy LE model LS 6-P z wbudowaną zolacją galwanczną pomędzy obwodem perwotny a wtórnym. Dzęk odpowedno połączonym zwojom można uzyskać zakresy prądowe: ±6A, ±A, ±A. rzy przetwornk napęcowe frmy LE model LV 5-P, pracujące w układze z zamknętą pętlą sprzężena zwrotnego z analogowym wyjścem prądowym, przystosowane do elektroncznego pomaru napęć: stałych, zmennych, pulsujących nnych, z wbudowaną zolacją galwanczną pomędzy obwodem perwotny a wtórnym. Zaslacz mpulsowy o trzech pozomach napęć wyjścowych: +5V; +5V, -5V do zaslana przetwornków LE. Aplkacja pomarowa Dag 4 stanow zestaw funkcj programowych realzujących zadana gromadzena, przesyłu, przetwarzana analzy danych. Aplkacja została przygotowana w środowsku programowana ALAB 7.. Główny okno aplkacj pomarowej przedstawono na Rys. 4. 4 5 6 4 5 6 4 5 6 4 5 6 W LS 6-P +5 AI 4 5 6 W LS 6-P +5 AI 4 5 6 W LS 6-P +5 AI +U R R R -H +H -H +H -H +H LV 5-P + - LV 5-P + - LV 5-P + - Rp Rp Rp L L L WYJ AI4 AI5 AI6 -U +U Rys.. Schemat deowy przystawk pomarowej Rys. 4. Główne okno aplkacj pomarowej Podstawowe możlwośc aplkacj są następujące: Wykonywane jednoczesnego pomaru trzech prądów /lub trzech napęć fazowych. Przesyłane oraz składowane wynków pomarów w baze danych. Przeglądane oraz przetwarzane wynków pomarów przechowywanych w baze.
88 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne r 7/5 Wykonane pomaru następuje w momence wybrana odpowednej funkcj aplkacj pomarowej zanstalowanej na stanowsku komputerowym. Za pomocą okna dalogowego można dowolne zmenać parametry wykonywanych pomarów. Okno programu z nterfejsem do zmany opcj pomarów przedstawa Rys. 5. W trakce wykonywana pomaru, dane wartośc kolejnych pobranych próbek gromadzone są w pamęc komputera, w postac tablcy lczb rzeczywstych. atychmast po zakończenu pomaru, aplkacja dokonuje konwersj wynków do formatu umożlwającego przesłane wynków do bazy danych. Schemat blokowy dzałana algorytmu konwersj próbek przedstawono na Rys.6. SAR d n dn <= -9,9999 lub dn >= 9,9999 sn = [ ] a = nt( dn ) b = ( dn - a) * sn[] = a + a = nt(b) b = rnd((b - a) * ) + a = a + gdze: x wartość bezwzględna lczby x nt(y) część całkowta lczby y rnd(z) zaokrąglene lczby z do najblższej lczby całkowtej Rys. 5. Okno aplkacj do zmany parametrów Sygnały pomarowe, generowane na wyjścach przetwornków zamontowanych w przystawce, proporcjonalne do aktualnych wartośc prądów napęć zaslających slnk, zostają poddane próbkowanu przez podsystem A/C welofunkcyjnej karty pomarowej DAQ. Odpowedno przetworzone dane pomarowe są następne, przesyłane do pomarowej bazy danych. Eksport danych odbywać sę może zarówno poprzez seć lokalną jak Internet. Aplkacja pomarowa umożlwa obsługę wybranych kart DAQ następujących producentów: Advantech, Aglent echnologes, Kethley, easurement Computng Corporaton, atonal Instruments. W warunkach laboratoryjnych przeprowadzono badana dagnostyczne dla systemu akwzycj danych z zastosowanem -btowej karty PCL-88L umożlwającej współpracę z komputerem stacjonarnym oraz dla 6-btowej karty DAQCard-66E, umożlwającej wykonane pomarów za pomocą komputera przenośnego typu notebook. 4. Przesył składowane danych Specjalstyczna funkcja programu pozwala na wykorzystane połączena secowego (lokalnego lub nternetowego) w celu przesłana zebranych wynków do zdalnego serwera baz danych. Wszystke dane, odpowedno przetworzone przez aplkację, trafają do serwera są zapsywane w baze danych o specjalne zaprojektowanej strukturze. sn[] = sn[] + 6 a = a + dn < KOIEC sn a >= 9 a = a + a >= 9 a <= 9 b >= 9 b = b + b >= 9 b <= 9 sn[] = a sn[] = b b = b + Rys. 6. Algorytm konwersj próbek Daną wejścową stanow próbka zapsana w postac lczby rzeczywstej d n. Jako wynk dzałana algorytmu otrzymujemy trzybajtowy wektor s n. Przykładowo dla próbk o wartośc d n =,4567 otrzymujemy s n =[ 4 47]. Konwersję całej tablcy D próbek można zapsać w następującej postac: d d... dm = d d... d m D ()............ dn dn... d mn gdze: d m, d m,, d mn próbk zgromadzone dla m-tego kanału pomarowego. W wynku konwersj tablcy próbek otrzymujemy wektor (m*n*)-bajtowy. S = [ s s... sn ]... [ sm sm... smn ] () gdze: s mn trzybajtowy wektor odpowadający próbce d mn ;
Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne r 7/5 89 Proces konwersj odwrotnej wykonywany jest podczas odczytu wynków z bazy danych po wybranu funkcj analzy danych. Algorytm dzałana przedstawono na Rys. 7. W tym przypadku daną wejścową stanow wektor trzech bajtów s n, w wynku otrzymywana jest lczba rzeczywsta d n. SAR s n a = s n[] a >= 4 a <= 9 a >= 9 d n = (a-) / a = s n [] a = a - a = a - a >= 4 a <= 9 a >= 9 a = a - d n = d n + (a-) / a = s n[] dn = a + dn a = a - n = 4 obr/mn, skojarzene uzwojeń stojana w gwazdę. Slnk zaslono -fazowym układem napęć przemennych, z mejskej sec energetycznej, o nesymetr napęć zaslających ne przekraczającej.5 % wartośc napęca znamonowego. Przykładowe przebeg prądów ch wdma składowych symetrycznych przedstawono na Rys. 8. do Rys.. Ampltuda [A] - - - Przebeg czasowe prądów fazowych zaslających slnk....4.5.6.7.8.9. Czas [s] Rys. 8. Przebeg czasowe prądów stojana I A (t) I B (t) I C (t) Wdmo ampltudowe składowej symetrycznej "" prądu stojana dn >= 6 d n = -(d n - 6) 8 7 6 KOIEC dn Rys. 7. Algorytm konwersj odwrotnej próbek Algorytmy konwertujące zaprojektowane zostały w celu mnmalzacj objętośc danych zapsywanych w baze danych. nmalzację objętośc danych osągnęto dzęk zastosowanu w baze danych pojedynczego pola typu tekst. Pole to służy do przechowywana całego cągu danych. Poszczególne próbk cągu są zapsywane w postac trzech znaków - bajtów. 5. Przykład zastosowana systemu akwzycj danych Przy pomocy opracowanego systemu akwzycj danych przeprowadzono badana dagnostyczne klku slnków ndukcyjnych klatkowych z różnym typam uszkodzeń. Proponowany system umożlwł przetworzene zebranych sygnałów fazowych do ch składowych symetrycznych co znaczne poszerzyło możlwośc oceny dagnostycznej, jak to zostało wykazane poprzez analzę numeryczną w pracach [],[4]. Dane znamonowe slnków testowych: P =,8 kw, U = 8 V, I =, A, cosφ =,74, Prad I [db] 5 4 5 5 5 Częstotlwość [Hz] Rys. 9. Wdmo składowej symetrycznej prądu stojana Prad I [db] 8 7 6 5 4 Wdmo ampltudowe składowej symetrycznej "" prądu stojana 5 5 5 Częstotlwość [Hz] Rys.. Wdmo składowej symetrycznej prądu stojana
9 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne r 7/5 Prad I [db] 8 7 6 5 4 Wdmo ampltudowe składowej symetrycznej "" prądu stojana 5 5 5 Częstotlwość [Hz] Rys.. Wdmo składowej symetrycznej prądu stojana 6. Wnosk W celu osągnęca pożądanej jakośc pracy danego obektu techncznego, wymagane jest podejmowane odpowednch trafnych decyzj eksploatacyjnych. Podejmowane decyzje eksploatacyjne będą mało warygodne do momentu, gdy wynk dagnozy stanu ne będą oparte na rzetelnych danych nosących nformacje o faktycznym stane badanego urządzena. Uzyskane warygodnych danych jest możlwe tylko w trakce wykonywana pomarów przy pomocy poprawne skalbrowanych urządzeń o odpowedno dobranych parametrach. Zaprezentowany w nnejszym artykule system akwzycj sygnałów dagnostycznych odpowada za dostarczene poprawnych danych, na których oparte są dalsze etapy dagnozy stanu podejmowana decyzj eksploatacyjnych zapewnających optymalną pracę wybranego układu napędowego z slnkem ndukcyjnym klatkowym. Wspomnane decyzje ułatwa zwększene lczby równocześne merzonych sygnałów dagnostycznych, gdyż możlwym staje sę użyce welu różnych algorytmów przetwarzana oceny sygnałów. Zarówno elementy składowe systemu akwzycj danych jak komputerowa aplkacja pomarowa zostały zaprojektowane przygotowane z uwzględnenem charakterystyk merzonych sygnałów. Wzęto pod uwagę możlwość szybkej neskomplkowanej wymany na nny model takch elementów jak karta pomarowa czy przetwornk pomarowe. Prorytetowe znaczene ma przy tym mnmalzacja kosztów systemu, co osągnęto mędzy nnym dzęk wykorzystanu powszechne stosowanego komputera klasy PC jako urządzena sterującego welofunkcyjną kartą pomarową oraz jednocześne gromadzącego przetwarzającego zberane dane pomarowe. Przedstawone w artykule przykładowe wynk potwerdzają zgodność przyjętych założeń konstrukcj funkcjonowana bloku akwzycj danych jako elementu składowego systemu dagnostycznego. 7. Lteratura []. elnk R., Sułowcz., Wenreb K., Węgel.: Koncepcja systemu teledagnostycznego dla urządzeń napędowych. Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne, r 66, Wydawnctwo BOBRE Komel, Katowce, str. 85-9. []. awrock W.: Komputerowe systemy pomarowe. Wydawnctwa Komunkacj Łącznośc, Warszawa. []. Sobczyk.J., Wenreb K., Sułowcz.: Dagnostyka slnków klatkowych bazująca na składowych symetrycznych prądów stojana. SE, Prace aukowe IPE Poltechnk Wrocławskej, r 49, Sera: Studa aterały r, Dagnostyka maszyn elektrycznych, str.8-6. [4]. Wenreb K., Sułowcz., Węgel.: enwazyjna dagnostyka wrnka maszyny asynchroncznej. Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne, r 69, Wydawnctwo BOBRE Komel, Katowce 4, str. 5-4. [5]. Wenreb K., Sułowcz., Petryna J.: Kompleksowa analza uszkodzeń wrnka w maszynach ndukcyjnych metodą rozdzału wdma prądu stojana studa numeryczne oraz wynk badań. Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne, r 6, Wydawnctwo BOBRE Komel, Katowce, str. -8. Autorzy mgr nż..sułowcz ) pesulow@cyf-kr.edu.pl dr nż.. Węgel ) pewegel@cyf-kr.edu.pl dr nż. K. Wenreb ) pewenre@cyf-kr.edu.pl mgr nż.. Stanszewsk ) tost@o.pl ) Instytut Elektrotechnk w Warszawe, Samodzelna Pracowna Dagnostyk Układów Elektromechancznych w Krakowe, ul. Jana Pawła II 7, -864 Kraków ) Poltechnka Krakowska, Wydzał Inżyner Elektrycznej Komputerowej, Instytut Elektromechancznych Przeman Energ, Katedra aszyn apędów Elektrycznych -55 Kraków, ul. Warszawska 4