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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于PLC和SCADA的异步电机故障识别与保护

Sujith John Mathew1, B.Hemalatha2
  1. 印度泰米尔纳德邦金奈SRM大学仪表与控制工程系研究生
  2. 印度泰米尔纳德邦金奈SRM大学仪表与控制工程系助理教授
有关文章载于Pubmed,谷歌学者

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摘要

如果不进行监控，交流感应电机工作时出现的问题是很常见的。这里实现了一个保护系统，我们使用它来监控交流感应电机在正常状态和跳闸状态下的工作。如果由于电机通常发生的故障，如定子故障、转子故障、轴承故障、偏心故障等，导致任何问题变得明显，我们可以改变输入电压和电流，使电机恢复正常状态，或者我们可以在损坏电机的定子和转子组件之前关闭电机，使其无法恢复。因此，避免了电机的意外故障，防止整个工业过程突然关闭，这可能对附近工作的人造成危险，并有助于节省可能由上述问题引起的不可预见的支出。

关键字
交流感应电机，跳闸情况，定子故障，转子故障

介绍
感应电机是复杂的机电设备，在大多数工业应用中用于将电力从电力转换为机械形式。感应电机作为机械设备的一部分，在世界范围内被广泛应用。这种电机是坚固的机器，用于一般目的，以及在危险地区和严重的情况下。广泛有用的感应电机的规定包括泵，运输，机械仪表，扩散机，压力机，升降机，和捆扎用品。此外，在不安全地区的征用包括石化和普通天然气工厂，而对感应电机的严重环境规定包括谷物升降机、碎纸机和煤电厂的齿轮。此外，驱动发动机是非常可靠的，要求低支持，并有中等高的熟练度。此外，感应电机的功率范围广泛，从许多瓦到兆瓦，满足了大多数机械方法的创造需求。
尽管如此，感应电机在工业申请中容易受到各种各样的问题的影响。在初始阶段未被区分的电机故障可能是灾难性的，感应电机可能遭受严重损害。因此，未检测到的电机故障可能演变为电机故障，从而导致生产停产。就损失的加工时间、支持时间和浪费的原油而言，这种停产是过度的。
电机故障是由机械和电气故障引起的。机械应力是由过载和突然的负载变化带来的，这可以产生轴承故障和转子棒断裂。再者，电气故障通常与电源有关。感应电机可以从一致频率正弦电源或可调速交流驱动器供电。尽管如此，当由交流驱动器供电时，感应电机更容易发生故障。这是因为定子绕组上的额外电压应力、高频定子电流分量和感应轴承电流，由交流驱动器启动。此外，电机过电压可能发生在电机和交流驱动器之间电缆连接的长度。最后一种效应是由反射波瞬态电压引起的。这种电气故障可能导致定子绕组短路，导致电机完全故障。
根据概述所述，异步电动机故障包括轴承故障、定子绕组匝间短路、转子棒断和端环故障。大约五分之二的故障是由轴承故障引起的。定子绕组匝间短路占已报告故障的三分之一左右。转子棒断裂和端环缺陷约占感应电机故障的10%。

文献调查
分析了交流异步电动机出现的各种故障。可能发生的故障有转子故障、定子故障、偏心故障、轴承故障、负载故障。先进的信号处理技术已用于检测故障[12]。定子电流谱特征分析多用于故障识别，该方法采用定子电流的功率谱[2]。物理参数，如振动，噪声，扭矩和温度是使用传感器测量的，所有这些参数在检查电机[3]的正常工作是至关重要的。PLC用于异步电动机的保护，它可以同时监测多个参数。

提出的方法
因此，这里设计了一个系统，使用可编程逻辑控制器(PLC)和传感器来测量与感应电机有关的不同参数，如电流、电压、温度、速度和振动，以防止发生在感应电机中的故障。在电机运行期间，所有这些参数都在SCADA的帮助下不断监测，如果发生任何故障，将会有一个或多个参数发生变化，我们可以采取必要的预防措施，从而防止损坏感应电机。

电机常见故障及其诊断
感应电动机在运行过程中会发生许多故障。这些错误如果不被发现，可能会导致灾难性的故障。常见的内部故障可分为电气故障和机械故障两类。

A.电气故障:
以下是感应电动机中常见的电气故障。
1)转子故障:转子故障的几个原因是
a)在生产中的钎焊过程中，不均匀的冶金应力可能会与保持架组件结合在一起，这些同样会在操作中导致故障。
b)在电机启动时，当热应力施加在转子杆上时，转子杆可能无法在其所占据的槽内纵向移动。
c)较重的端环会产生膨胀离心力，从而对杆件产生危险应力。
由于上述原因，转子杆可能会受到损伤，同时还可能发生转子不平衡的情况。转子保持架不对称导致转子电流分布不对称。正因为如此，对一个转子棒的伤害会导致周围棒的伤害，这样损伤就会扩散，导致各种棒裂纹。如果出现断裂的情况，这种情况发生在棒材中，断裂的棒材会过热，这可能导致棒材断裂。因此，包围棒将携带更大的电流，因此他们受到相当大的热应力和机械应力，这也可能开始开裂。原本流进断条的大部分电流现在将流进附近的两条横条。因此，巨大的热应力可能会进一步损害转子层合板。
2)定子故障:许多综述指出，35- 40%的感应电机故障与定子绕组绝缘有雷竞技苹果下载关。电机的定子转矩故障会导致大量的电流流动，从而在短转矩中产生不合理的热量。用于电机绝缘的天然材料会因热过载和循环、绝缘材料上的瞬态电压应力、机械应力和污染而解体。事实上，如果电机工作温度超过其极限，最好的绝缘材料可能会迅速下降。作为一个可靠的指导原则，定子绕组温度每升高10摄氏度，绝缘寿命就会降低50%。
加速绝缘故障的两个机械问题是转子振动，由于不平衡，分离或磨损的轴承，气隙偏心，和转子杆断。

B.机械故障:
以下是感应电机中最常见的机械故障。
1)气隙偏心:气隙偏心是感应电机转子的基本故障。这一缺陷产生了振动和骚动的问题。在健康的机器中，转子与定子孔中心对齐，转子的旋转中心点与定子孔的几何中心相同。当转子不在中心对准时，不平衡的径向力(不平衡磁拉力或UMP)会导致定子与转子的摩擦，从而对定子和转子造成伤害。
2)轴承故障:轴承是电机的常规部件。它们被用来允许轴的旋转运动。事实上，轴承是机器故障的最大原因。轴承由两个圈组成，称为内圈和外圈。放置在滚道中的一组球或移动部件在这些环内旋转。轴承上的持续应力导致疲劳失效，通常是在轴承的内圈或外圈。小块从轴承上脱落，称为剥落或剥落。这些故障导致轴承的剧烈运行，产生明显的振动和增加的噪音水平。轴电压和电流也是轴承故障的额外来源。这些轴电压和电流是由磁通扰动如转子偏心造成的。 High bearing temperature is another explanation behind bearing failure. The bearing temperature ascent might be brought on by degradation of the grease or the bearing. The variables that can result in the bearing temperature ascent include winding temperature ascent, motor operating speed, and temperature distribution within motor and so on. Continued stress causes parts of the material to break loose, producing confined weariness phenomena known as flaking or spalling. Once began, the influenced area extends quickly contaminating the grease and bringing about localized overloading over the whole circumference of the raceway. Contamination and corrosion are the key factors of bearing failure in light of the harsh environments present in most industrial settings. Bearing corrosion is produced by the vicinity of water, acids, and deteriorated lubrication. Under and over-lubrication are additionally some different reason for bearing failure. The unnecessary heating causes the grease to break down, which lessens its capability to lubricate the bearing components and quickens the failure process.
3)负载故障:在一些请求中，例如飞机，齿轮的稳定质量可能对保护人类生命至关重要。因此，负载故障(特别是齿轮故障)的检测一直是机械工程中一个重要的研究领域。电机经常与机械负载和齿轮耦合。这种机械装置可能发生一些故障。这种故障的例子是耦合不对中和有缺陷的齿轮系统耦合负载到电机。

可编程逻辑控制器
可编程逻辑控制器(plc)，也称为可编程控制器，是计算机家族中的一员。它们被用于商业和工业应用。在1978年被NEMA(国家电气制造协会)命名为“可编程逻辑控制器(PLC)”并定义为电子设备之前，它被称为“序列控制器”。PLC的操作如下:
步骤1。读取外部输入信号，如键盘、传感器、开关和脉冲的状态。
步骤2。利用微处理器，根据第1步读取的输入信号的状态和值，进行逻辑、顺序、定时器、计数器和公式的计算，并预写保存的程序，得到相应的输出信号，如被控机器或程序继电器操作的开启或关闭，以控制自动机器或制造过程。公式根据步骤1中读取的输入信号的状态和值，预写程序保存，得到相应的输出信号，如被控机器或程序的继电器操作的打开或关闭，以控制自动机器或程序的制造。
图像
PLC还可以通过编辑或修改外围设备(个人电脑/手持编程面板)来维护和调整生产程序。PLC常用的编程语言是梯形图。随着电子技术的发展和应用要求，PLC具有更强的功能，如位置控制、网络等。输出/输入信号是DI(数字输入)，AI(模拟输入)，PI(脉冲输入)，DO(数字输出)，AO(模拟输出)和PO(脉冲输出)。因此，PLC在特色产业中扮演着重要的角色。在本研究中，PLC通过模拟输入测量感应电机的电流、电压、温度、振动和速度。此外，它持续地筛选输入，并根据梯形逻辑程序启动输出，该程序旨在在感应电机运行期间发生任何故障时提醒用户。
这里使用的PLC是台达电子公司生产的台达DVP-EX系列。EX系列是目前成本最低的模拟微处理器。它共有20个MPU点(8DI/6DO, 4AI/2AO)。除了支持数字输入和输出外，EX系列还内置了多个模拟I/O通道，并集成了多种通信协议，用于构建完整的控制网络。EX系列适用于各种小型PLC应用。与微控制器相比，PLC具有许多优点，因此被广泛使用。PLC的响应时间比微控制器快得多。PLC可以同时处理多个输入。PLC的梯形逻辑程序比为微控制器开发的程序更简单，耗时更短。

感应电机保护系统
如图2所示，所提出的保护系统框图。它包括电压和电流的测量，绕组温度，转子的振动和速度。该保护系统可分为硬件、测量和软件三大类。每个小组的任务将在下面几节中提到。
图像

答:硬件
在这里，一个0.5马力1500转的单相感应电动机连接到保护系统。该系统使用单极双抛继电器，在电机面临任何损坏警告时停止电机，并在温度和振动超过某一设定值时发出警报。它还包括一个5伏直流电源电路，由降压变压器、桥式整流器和稳压器组成，得到一个5伏直流电源，作为温度传感器、振动传感器和红外传感器的输入电压。

b .测量
电压和电流的测量分别用电压互感器和电流互感器完成。桥式整流器与电压互感器和电流互感器连接，以将交流值转换为直流。这些模拟值现在被发送到PLC的模拟输入。对于温度测量，使用LM35传感器，转换比为10 mV，每个1◦C增加温度，温度的模拟值被发送到PLC的模拟输入，对于振动测量，使用压电传感器，其中产生的电压与电机的应力或振动成正比，该电压被给予PLC的模拟输入，对于转子速度测量，使用红外传感器，其中速度的数字值被发送到PLC的数字输入。

c软件
1) DELTA WPL SOFT For PLC
采用Delta WPL Soft V2.30或V.2.33软件设计PLC的梯形逻辑。一旦梯子逻辑程序在计算机上准备好，它被装入PLC使用RS-232电缆。一般来说，不同类型的plc需要单独的软件。但是阶梯逻辑的原理对所有人都是一样的。
图像
PLC的软件。PLC软件的主要区别在于常开、常闭等元件的寻址。WPL软件是台达DVP系列PLC用于WINDOWS计算机的程序编辑器。除了通用的PLC编程和WINDOWS编辑功能(如剪切、粘贴、复制、多窗口显示等)外，WPL Soft还提供了各种注释编辑以及其他特殊功能(如寄存器编辑与设置、文件访问与保存、联系人监控与设置等)。雷竞技网页版
2) Kepserver EX
Kepserver EX编程是Kepware技术的结果。这是用于将梯形逻辑与SCADA连接的最佳编程之一。本产品可与各种类型的PLC进行接口。Kepserver EX是一个32位的windows应用程序，它提供了一种方法，将来自各种工业设备和系统的信息和数据带入windows PC上的客户应用程序。Kepserver EX属于“服务器”应用程序。听到“客户端/服务器应用程序”这个表达在许多软件规程和业务部门中交叉使用是非常正常的。在精简的业务中，它通常意味着在各种应用程序之间共享制造或生产数据，这些应用程序从人机界面编程和信息古董程序到庞大的MES和ERP应用程序。
3) SCADA
SCADA是监督控制和数据获取的首字母缩写。英维思公司的Wonderware Intouch编程项目使程序的图形化表示操作简单。人机界面(HMI)编程请求指示了制造环境的图形表示。用于使产品在HMI供应窗口中显示为可视组件的设备、材料和方法。工厂管理员与应用程序的图形界面协作，以筛选和监督组装方法。
图像
人机界面或HMI是一种向操作员显示过程信息的设备，操作员通过它控制方法。HMI通常连接到SCADA框架的数据库和编程项目，以提供倾斜、症状信息和管理数据，例如，计划的维护策略、物流数据和特定传感器或机器的分项原理图，并掌握系统故障排除助手。HMI系统通常以图形方式将数据显示给操作人员，即副本图。这意味着操作者可以看到被调节装置的示意图。SCADA系统的HMI包通常包含一个绘图程序，操作员或系统支持人员利用该程序来改变这些点在界面中的表示方式。这些表示可以像屏幕上的红绿灯一样简单，它代表了现场真实红绿灯的状态，也可以像多投影仪显示器一样令人难以置信，显示高层建筑中所有电梯的位置或路线上所有列车的位置。大多数SCADA使用的关键部分是警报处理。当警告事件发生时，系统会筛选是否满足某些警报条件。当发现警告事件时，将采取一个或多个操作(例如，启动一个或多个警报指示器，可能还会启动电子邮件或快速消息，以便通知管理员或远程SCADA管理员)。

结论
在这个项目中，设计了一个保护系统，以保护感应电机免受所有可能的故障。传感器被用来监测温度、振动和速度。系统中使用电流互感器和电压互感器分别检查电流和电压。假设电机在线运行过程中出现任何错误，计算机上会显示警告信息，然后电机停止。当一个不明确的缺陷发生时，电机停止而不发出任何警告。因此，缺陷可能被操作员描述和发现。该测试成功地定位了缺陷并弥补了它们。基于PLC的保护系统远远优于其他使用定时器、接触器、电流和电压继电器的保护系统。雷竞技网页版基于单片机的保护系统采用模数转换卡。因此，通过使用PLC可以消除所有上述组件，操作人员将能够可视化电机及其电气参数的操作。

参考文献


















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