【摘要】  本文介紹了德國萬可電子提出的最新型電機監控預警系統方案，和電機保護模塊，及其控制原理。
【關鍵詞】 電機保護 PLC 監控預警系統

1 前言
現代生產企業中大量使用的電動機和機械系統、電氣系統不可避免的劣化并發生故障，如果有些故障不能及時發現，就可能使電機故障，產生生產停頓，并且導致昂貴的維修和停產損失。系統開始劣化初期，其特征還不是很明顯，并不是時時出現或周期性出現，能不能及時地發現，這對我們的意義非常重大。依靠嚴格的管理手段，配備足夠的人力，采用相應的電動機保護裝置可以使電動機得到一定程度的保護。在現實中常發生的是人力不足或人的責任心不強，電動機保護裝置失效或不可靠，而人們又無法知道保護裝置何時失效，仍會造成設備事故。
德國萬可電子公司提出了最新的電機保護方案——監控預警系統。在系統中提供了相應的電機檢測模塊和相應的PLC軟件，進行實時不間斷地監測電動機是否在正常工作，一旦電動機故障，或者電動機及機械設備開始劣化，PLC立即提示報警。
2 電機監控預警原理
從電機的誕生之日起，電機的監控就開始了，現在成熟的電機監控設備多種多樣。
2.1 電機運行監控
國產的許多種“電動機監控儀”或者“電機綜合保護器”可以對電機運行的各項電參數均實時顯示在“電腦”上，各項參數的歷史數據還可以保存，用戶隨時可以查閱這些數據及其趨勢曲線。電機的運行狀態（運行、停止、通訊故障、過載、過流、堵轉、三相不平衡、斷相、過壓、欠壓、短路等）均能一目了然，各種故障還發出聲光報警。這是傳統的監控方式，它能忠實的記錄電機的狀態，但是無法進行預警，而且受到產品質量的制約。
有些電機是采用變頻器控制的，很多工程師就認為變頻器就有電機保護功能了，其實這是個誤區。不錯，變頻器可以對電機有電壓電流的保護和監控，但是無法感知振動等機械方面的狀態。
2.2 電機預警系統原理
電動機是否運行在最佳的狀態一直是用戶關心而又無法確定的問題，設備管理者一直希望知道使用中的設備在什么時候會發生故障，如何能最經濟地提高設備運轉率。理論上只要我們有大量的設備正常運行的數據，同時不斷地比較現在的數據，就能判斷出設備異常與否。通過采集單元獲得的電動機運行參數隨時都被存儲在計算機的歷史數據庫中，系統根椐這些參數自動計算，給出電動機全運行過程的經濟運行分析，并自動做出該動力設備最佳狀態的參數，依據長期連續記錄參數作出的方案，可以解除用戶的擔心，使電動機的監控非常的準確。現在也有設備及技術可以解決這個問題，但投入很大，不具備經濟性。
萬可公司提供的“電動機監護預警系統”解決方案正是基于這種理論，專門為解決這些問題而開發的。由于有了大量的歷史數據為依據，當機械設備或電動機本身發生劣化時，電動機的運行參數必然發生與歷史數據不同的變化，計算機總是不斷地將采集回來的數據與歷史數據比較，經專家系統軟件分析后自動發出設備異常報告，提醒設備維護人員的注意，使設備故障在蔭芽狀態就被發現，從而提高了設備的運轉率。由于設備運行異常得到及時發現，將可避免設備的重大事故。
3 WAGO電機監測預警系統
創建于1951年，總部座落于德國的MINDEN市的WAGO公司，是德國專業從事以獨創的籠式彈簧壓力技術為特征的電連接器、電子模塊和現場總線輸入/輸出系統的跨國公司。現場總線分布式輸入/輸出自動化控制系統WAGO - I/O – SYSTEM 750（IP20）系列及755（IP67）系列支持PROFIBUS，DeviceNet, Modbus, Interbus, CANBus, LonWorks, Ethernet 等多種國際認證的各種總線協議和工業以太網，還支持串行接口的通訊。這為電機監護預警系統并入到各種總線系統中去建立了良好的硬件基礎。
德國萬可電子公司提供最新的電機監護預警系統，其底層為電動機監控模塊，負責實時采集電機運行電參數（電流、電壓的值及振動等），模塊采用專用芯片及PLC技術，可靠性高，抗干擾能力強，適應惡劣環境，實現多項電動機經濟運行參數的測量及數字化總線傳輸。完全開放的通訊協議為用戶或第三方系統集成商便捷的構建自己的系統。還可以配置上位計算機、電動機管理軟件，可以出色的完成電機設備故障預警等豐富功能，滿足企業關心的設備故障，降低設備故障率，杜絕重大設備事故，實現設備管理自動化的需求。
主要有以下基本控制功能。
①監控電機工作電流，工作溫度。
②監測電機振動，對振動的記錄。
③存儲和調用預先設定的電機工作參數值。
④可以監控電機的工作狀態。
利用以上的有關信息可以判斷電機的有關工作狀態。
3.1 WAGO電機檢測模塊
判斷電機的工作狀態一般需要以下幾個模塊：
電流檢測(0~1/5A)--750-475；溫度檢測(RTD/TC)--750-461或469；振動沖擊檢測750-645模塊等。

 
圖一、 實物圖

下面分別做介紹：
3.1.1 電流檢測(0~1/5A)--750-475
模擬量輸入模塊接收有效值為0-1A的AC或DC電流信號，該模塊測量電流的均方根(rms)值，并以100μA的分辨率顯示。該模塊由內部系統電源供電（通過內部數據總線），輸入通道為電隔離的差分輸入。現場側與內部系統之間同樣電隔離。電流檢測模塊是為了監控電機電流的異常變化。注意負載電流不要超過額定值。

圖二、 750-475圖

3.1.2 溫度檢測(RTD/TC)--750-461/469
為了監測電機的溫升不能超過額定值，溫度檢測(RTD/TC)模塊一般是采用750-461（熱電阻輸入模塊）或750-469（熱電偶），把電機的溫度數據送到PLC中。
750-461熱電阻(RTD)輸入模塊，可直接與兩個PT型或Ni型電阻傳感器連接。該模塊可以連接2線制或3線制傳感器。該模塊自動線性化整個溫度范圍。傳感器故障由紅色LED指示。綠色LED指示該模塊工作準備就緒而且與總線適配器之間的通訊無故障，屏蔽端直接連接至DIN導軌。750-469：熱電偶輸入模塊，具有信號中斷監控功能，可以直接連接兩個熱電偶。利用冷端補償實現對接線端偏移電壓的補壓。其它同750-461模塊，不再累述。這兩個模塊可以依據需要任選一個。
 
圖三、 750-461和750-469圖

3.1.3 振動沖擊檢測750-645
2通道的振動速度/軸承狀態監控模塊，此模塊用于機械振動在線監控，并在振動超出上限報警輸出。模塊采集兩種最重要的參數用于機械狀態分析：振動速度和沖擊脈沖。振動速度是對機械振動能量的測量，而振動壓力則是影響機械的良好指示器。依據ISO 10816-3標準規定計算準則，測量振動的實際值分成四個不同性質的種類。軸狀態計算基于高頻沖擊脈沖，沖擊脈沖是短脈沖，它隨機械對滾動元件或接觸表面的損壞而減少。標準沖擊脈沖分為三個不同種類，對軸的狀態描述分為：“好”、“受限制”、“壞”。測量計算能夠早期檢測出磨損趨勢曲線。本模塊連接Prüftechnik Codiction Monitoring GmbH振動傳感器，利用Tandem-Piezo傳感器可以同時測量機械振動和高頻沖擊脈沖。
 
圖四、 750-645圖

3.2 電機預警系統軟件
對于電機整體而言，故障出現是隨機的，是不確定的。在軟件中可以采取多種形式的監控，具體采用哪種形式或是多種并存根據工程師的設計。
下圖給出電機故障監控簡圖。對應的黃線是預警信號，紅線是報警信號。到達不同的信號邊緣，對應的輸出就出現，而且數據實實記錄。這就是PLC進行監控的優點。
 
圖五、 電機故障監控簡圖
下圖是電機保護軟件的圖示。可以清楚的看到故障出現的時間和維持的時間強度。
 
圖六、 電機保護軟件圖
3.3 WAGO電機檢測特點介紹
電機檢測預警系統有以下幾個特點：
1、 可預見性，按要求維護(在問題出現之前，模塊可以檢測到設備的不良前兆)；
2、 預先維護可以根據檢測模塊的監測延長或提前維護周期，變更了傳統的維護周期的概念。
3、 減小維護成本，保證可操作性，檢測模塊的使用可以做到連續監控 (24×365)；
4、 速度檢測 (Velocity Measurement) ：監測機器上的振動部件或元件由于受到外界不平衡因素的影響而造成振動；
5、 沖擊測量 (Shock Puls Measurement) ：監測傳動軸承的狀態；
1) 可預見性的維護——顛覆傳統維護概念。
電動機的定期保養、大修是保證設備壽命和生產連續無故障運行的基礎，傳統一般采用定期保養、大修的方式，但也許有部分電機運行遠未到時間，就進行維護，造成了人力和財力的浪費。預警系統將電動機的運行時間自動記錄在案，何時應維護保養，何時應大修，時間到了會自動發出報告。由于提供了歷史數據曲線查詢，可以對任一臺電機的運行狀態進行詳細分析，便于正確找出設備的隱患或故障原因。預先維護可以根據檢測模塊的監測延長或提前維護周期，變更了傳統的維護周期的概念。
2) 替代了人工的日常維護
電動機的日常維護對減少和避免電機在運行中發生故障是相當重要的，傳統的維護，其中最重要的環節是巡回檢查和及時排除任何不正常現象的引發根源。出現事故后認真進行事故分析，采取對策。而檢測模塊的使用可以做到連續監控24小時×365天；預警系統可以在故障未發生之前就進行報警。
3) 高可靠性。
系統采用了“分布式控制”的概念，既便于電機系統的中央監控，又避免了“中央集中式監測控制系統”可靠性差的致命弱點。由于采用預置信息“分布式控制”，當系統中某個模塊出現故障，只是與該模塊相關的功能失效，而不影響網絡其它模塊正常運行。從維護的觀點來看，這種“分布式控制”的概念，既有利于快速故障定位，又提了大量電機群體控制系統的“容錯”水平。同時，由于采用高性能的器件，周密的電路保護措施使該產品即使在最惡劣的環境下都具有極高的可靠性。
4) 可觀的“節能”和“延長電機壽命”效果。
系統能對所監控的電機根據需要預先設置，實現自動合理的電機管理功能。電機損壞的致命原因：電網過電壓、過電流、溫升過熱、機械沖擊，都在系統監控范圍內。
5) 安裝簡便，操作直觀。
電氣維修工程師僅需接受簡單的培訓，就能很快管理電機監控系統，并取代原有電機監控器等，而且系統的重組和今后的維護十分方便。
6) 網絡控制，便于管理升級。
監控系統是基于網絡，利用網絡實現遠程控制，集中控制，無線遙控，電腦控制，定時控制，網絡控制等多種控制方式，并提供電機的啟動停止異常記憶等智能化操作和管理。
電機的日常維護對其正常運行固然非常重要，但運行中的電機往往會遇到許多突發情況：如短路、過載、斷相等。為了使電機在出現這些情況的條件下不至于被損壞，必須采取一些運行保護措施保持電機定期檢查。需要大量的人力物力完成，而其不是實時在監控。
4 結束語
電機出現已經有百年的歷史了，自從它的誕生之日，人們就在尋找多種的方法，對電機進行監控。德國萬可提供的這種最新型電機監控預警系統方案，供大家參考。希望在未來，有更多的更好的電機產品出現。