1 用于供水和污水處理應(yīng)用的變頻器新功能

作為功率電氣轉(zhuǎn)換的變頻器已經(jīng)使用了半個多世紀(jì)，今天，超過20%的電機采用了變頻器進(jìn)行驅(qū)動。使用變頻器的主要原因在于降低了能源的消耗。然而，在供水和污水處理應(yīng)用中采用變頻器還有其他原因，如工藝控制（保持恒定的水壓，從而避免高壓引起的泄漏）、避免水錘或優(yōu)化水井開采等。

自從引入微處理器來控制變頻器以來，在原有功能功率處理基礎(chǔ)上增添了其他功能。例如，變頻器能夠在污水處理應(yīng)用中控制泵的運行，能夠進(jìn)行多泵控制，以及繞過某些頻率以避免共振。在工業(yè)應(yīng)用中，通過將運動控制集成在變頻器中，變頻器正在接管越來越多的PLC功能。工業(yè)4.0的發(fā)展，在這些附加功能的基礎(chǔ)又帶來了新的飛躍。工業(yè)4.0具有信息和互聯(lián)功能，所以我們開始將變頻器用作智能和網(wǎng)絡(luò)傳感器。

圖1 工業(yè)4.0意味著從自動化金字塔向網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的過渡

2 電機和變頻器系統(tǒng)中的工業(yè)4.0

工業(yè)4.0是一個通用術(shù)語，其含義為第四次工業(yè)革命，其特征是萬物互聯(lián)（繼第一次工業(yè)革命——機械化，第二次工業(yè)革命——電氣化和第三次工業(yè)革命——自動化之后）。雖然這個詞有些模糊，但可以將工業(yè)4.0定義為：“利用整個價值鏈中所有的數(shù)字化可能性，實現(xiàn)人、設(shè)備和系統(tǒng)的智能互聯(lián)”。這種趨勢為電機系統(tǒng)帶來的影響在于，從所謂的“自動化金字塔”向互聯(lián)系統(tǒng)的遷移，參見圖1（左）。這意味著系統(tǒng)的各個部分，如電機、變頻器、傳感器和控制器等相互連接并連接至云端——在云端存儲、處理、分析數(shù)據(jù)和制定決策，參見圖1（右）。

圖2 變頻器用作傳感器

3 變頻器用作傳感器

在變頻器應(yīng)用中，變頻器內(nèi)置微處理器和總線通訊選項，再結(jié)合電流和電壓傳感器，開辟了一些新的應(yīng)用機會。此外，還可以幾乎沒有任何成本地連接更多傳感器（如振動和壓力傳感器）。因此，變頻器可以用作工況監(jiān)測智能傳感器（圖2）。這些信息數(shù)據(jù)提供了各種應(yīng)用，例如系統(tǒng)優(yōu)化、能效優(yōu)化和基于工況的維護(hù)。下一節(jié)我們將探討傳感器集成和基于工況維護(hù)的一些例子。

4 嵌入式工況監(jiān)測

工況監(jiān)測是一種用于監(jiān)測設(shè)備運行狀況的技術(shù)。為此，要選擇關(guān)鍵參數(shù)作為表征故障的指標(biāo)。設(shè)備狀況通常會隨著時間的推移而變差。圖3顯示了一種典型的下滑模式，也稱為PF曲線。設(shè)備無法提供預(yù)期功能時，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)生之前檢測出潛在故障。這種情況下，可以在功能故障之前規(guī)劃維護(hù)措施，其諸多優(yōu)勢如下：縮短停機時間，避免非預(yù)期生產(chǎn)停止，維護(hù)優(yōu)化，備件庫存降低等。

圖3 表示功能故障之前部件工況的P-F曲線。

4.1振動水平監(jiān)測

許多機械故障都會產(chǎn)生某種振動，例如軸承磨損、軸不對中、不平衡等。因此，振動監(jiān)測已成為監(jiān)測旋轉(zhuǎn)設(shè)備的成熟先進(jìn)技術(shù)。監(jiān)測方法有很多種，從基本的簡單監(jiān)測到高度復(fù)雜的監(jiān)測。一種廣泛使用的方法是振動速度RMS監(jiān)測。該方法基于振動傳感器所測量振動信號的RMS值。許多機械故障都對振動RMS有顯著的影響，例如不平衡、軸不對中和松動。然而，變速應(yīng)用中的挑戰(zhàn)是振動與實際轉(zhuǎn)速的相關(guān)性。機械共振是典型的例子。機械共振總是存在的，監(jiān)測系統(tǒng)必須以某種方式來進(jìn)行應(yīng)對。通常，故障檢測級別會設(shè)置為最壞的情況，以避免誤報。這就降低了沒有共振的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的檢測精度。

如果為變頻器安裝并連接一個合適的振動變傳感器，變頻器則可以將傳感器信號與轉(zhuǎn)速等變頻器內(nèi)部信號，或者與應(yīng)用相關(guān)的其他信號相關(guān)聯(lián)，從而提供先進(jìn)的監(jiān)測。變頻器可以早期檢測故障，并提供關(guān)于系統(tǒng)運行狀況的交通燈信息（參見圖3），以防止功能故障?？梢栽谙乱粋€可能的維護(hù)中斷之前，系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)運行的同時，提前準(zhǔn)備和安排維護(hù)。

正常和故障狀態(tài)下的振動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)測的實際應(yīng)用而變化。因此，需要一個學(xué)習(xí)期。這可通過不同方式實現(xiàn)。第一種方法是學(xué)習(xí)運行初期的正常振動水平。即在應(yīng)用正常運行的同時，變頻器學(xué)習(xí)振動，而不影響運行。

收集到足夠的數(shù)據(jù)時，變頻器開始監(jiān)測振動。第二種方法，變頻器可以執(zhí)行識別運行。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。使用第二種方法的可能性取決于具體的應(yīng)用。例如在供水系統(tǒng)中，泵在調(diào)試時不允許全速運行。

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

圖4 感應(yīng)電機驅(qū)動小型泵的測試裝置。安裝在基板上電機旁邊的振動傳感器（黑色/橙色）。

圖4顯示了一個驅(qū)動小型泵的感應(yīng)電機測試裝置。使用紅色手柄稍微抬高基板，可以產(chǎn)生一個角誤差。在電機的基板上安裝了一個振動傳感器來演示這個概念。4-20mA傳感器模擬信號已連接至變頻器的模擬輸入。

圖5 兩種場景下的測試數(shù)據(jù)（振動RMS值(mm/s)與轉(zhuǎn)速RPM）：無故障（黑色，“基準(zhǔn)線”）和故障（綠色，“偏離線”）

圖5顯示了測試結(jié)果示例。顯示了在兩種場景下測量的振動(mm/s)與電機轉(zhuǎn)速(RMS)的關(guān)系。在第一種情況下，系統(tǒng)運行狀況良好。在此狀態(tài)下，執(zhí)行了基線測量。根據(jù)測量的基線確定警告和報警閾值。對于故障場景，使用紅色手柄稍微抬高電機基板，產(chǎn)生了軸不對中，參見圖5，故障狀態(tài)下測量的振動以綠色顯示。

在上面的示例中，變頻器可以清楚檢測到此故障。對于其他應(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，振動也與轉(zhuǎn)速相關(guān)。監(jiān)測時甚至還需要考慮共振點。不平衡、松動等其他故障類型會產(chǎn)生不同的模式。

4.2電氣特征分析

電機和應(yīng)用的狀況也可以通過電氣特征分析來進(jìn)行監(jiān)測。這項技術(shù)已經(jīng)研究了多年。早期的研究涉及直接在線機器，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空間的增加，這些技術(shù)現(xiàn)在可以作為產(chǎn)品功能集成到產(chǎn)品中。

圖6 電氣特征分析

圖6說明了這一基本概念。故障狀態(tài)指標(biāo)可以從電機電流和電壓信號中提取。電流和電壓的頻率分量可能與電機或應(yīng)用故障有關(guān)，如軸不對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提供必要的信號。這些信號可用于監(jiān)測目的。因此，不增加額外的傳感器成本。信號處理和分析技術(shù)在這方面起著重要作用。

作為電機控制器的變頻器可以關(guān)聯(lián)特定的電流諧波等監(jiān)測值，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)，變頻器就知道何時可以執(zhí)行有意義的頻譜計算。與振動水平監(jiān)測一樣，還可以將監(jiān)測值與電機轉(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。

4.3泵中的負(fù)載監(jiān)測

如上一節(jié)所示，變頻器會測量電機電流和電壓，其主要目的在于使用這些測量值來控制電機?；倦娏骱碗妷簻y量值用于計算電機功率、能量、實際電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩等各種參數(shù)。這些值可可用于監(jiān)測泵等設(shè)備的電機負(fù)載。

在負(fù)載取決于電機轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)矩估計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)。與之前功能一樣，也存在與電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián)性。監(jiān)測過程中，變頻器可以檢測過載和欠載情況，這可能是由于泵應(yīng)用中的故障導(dǎo)致的，如：污垢、砂化、葉輪破裂、磨損或其他。在空氣壓縮機中，它可以檢測泄漏，在風(fēng)扇應(yīng)用中，它可以檢測空氣過濾器堵塞。簡而言之，任何對負(fù)載有影響的異常情況都可以通過這種方式監(jiān)控。

執(zhí)行工況監(jiān)測變頻器的障礙是價格。在過去，只有關(guān)鍵系統(tǒng)才會配備工況檢測，而現(xiàn)在，在不那么關(guān)鍵但仍然重要的應(yīng)用中，變頻器也可以完成此任務(wù)。

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

“在這種情況下，調(diào)試是相當(dāng)容易的。我們升級了控制卡并啟用了SW許可證。第二步是安裝Hansford振動傳感器，設(shè)置CBM參數(shù)，并啟用對電機繞組、振動和負(fù)載包膜的監(jiān)測?！钡し鹚巩a(chǎn)品經(jīng)理Virgil Lupu說道。

“該項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，同時體驗這些新的可能性，為未來創(chuàng)造新的策略。對喜力來說，檢測這些壓縮機非常重要，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補充。

5 結(jié)束語

工況監(jiān)測可用于實現(xiàn)基于工況的維護(hù)——這是從修正性和預(yù)防性維護(hù)的演變而來的。但是工況監(jiān)測依賴于傳感器數(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，則這是一個有價值的數(shù)據(jù)源，可以用于工況監(jiān)測，節(jié)省不必要的費用。