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(gè)多世紀(jì)，今天，超過(guò)20%的電機(jī)采用了變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(lái)控制變頻器以來(lái)，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(yùn)行，能夠進(jìn)行多泵控制，以及繞過(guò)某些頻率以避免共振。在工業(yè)應(yīng)用中，通過(guò)將運(yùn)動(dòng)控制集成在變頻器中，變頻器正在接管越來(lái)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(lái)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(dòng)化金字塔向網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的過(guò)渡

　　2 電機(jī)和變頻器系統(tǒng)中的工業(yè)4.0

　　工業(yè)4.0是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，其含義為第四次工業(yè)革命，其特征是萬(wàn)物互聯(lián)（繼第一次工業(yè)革命——機(jī)械化，第二次工業(yè)革命——電氣化和第三次工業(yè)革命——自動(dòng)化之后）。雖然這個(gè)詞有些模糊，但可以將工業(yè)4.0定義為：“利用整個(gè)價(jià)值鏈中所有的數(shù)字化可能性，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備和系統(tǒng)的智能互聯(lián)”。這種趨勢(shì)為電機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)的影響在于，從所謂的“自動(dòng)化金字塔”向互聯(lián)系統(tǒng)的遷移，參見(jiàn)圖1（左）。這意味著系統(tǒng)的各個(gè)部分，如電機(jī)、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(chǔ)、處理、分析數(shù)據(jù)和制定決策，參見(jiàn)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(xiàng)，再結(jié)合電流和電壓傳感器，開辟了一些新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。此外，還可以幾乎沒(méi)有任何成本地連接更多傳感器（如振動(dòng)和壓力傳感器）。因此，變頻器可以用作工況監(jiān)測(cè)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(cè)

　　工況監(jiān)測(cè)是一種用于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)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(huì)隨著時(shí)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(wú)法提供預(yù)期功能時(shí)，就表示發(fā)生了功能故障。基于工況維護(hù)的理念是，要在故障真正發(fā)生之前檢測(cè)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(shì)如下：縮短停機(jī)時(shí)間，避免非預(yù)期生產(chǎn)停止，維護(hù)優(yōu)化，備件庫(kù)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(dòng)水平監(jiān)測(cè)

　　許多機(jī)械故障都會(huì)產(chǎn)生某種振動(dòng)，例如軸承磨損、軸不對(duì)中、不平衡等。因此，振動(dòng)監(jiān)測(cè)已成為監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的成熟先進(jìn)技術(shù)。監(jiān)測(cè)方法有很多種，從基本的簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)到高度復(fù)雜的監(jiān)測(cè)。一種廣泛使用的方法是振動(dòng)速度RMS監(jiān)測(cè)。該方法基于振動(dòng)傳感器所測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的RMS值。許多機(jī)械故障都對(duì)振動(dòng)RMS有顯著的影響，例如不平衡、軸不對(duì)中和松動(dòng)。然而，變速應(yīng)用中的挑戰(zhàn)是振動(dòng)與實(shí)際轉(zhuǎn)速的相關(guān)性。機(jī)械共振是典型的例子。機(jī)械共振總是存在的，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須以某種方式來(lái)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。通常，故障檢測(cè)級(jí)別會(huì)設(shè)置為最壞的情況，以避免誤報(bào)。這就降低了沒(méi)有共振的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)精度。

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

　　正常和故障狀態(tài)下的振動(dòng)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(cè)的實(shí)際應(yīng)用而變化。因此，需要一個(gè)學(xué)習(xí)期。這可通過(guò)不同方式實(shí)現(xiàn)。第一種方法是學(xué)習(xí)運(yùn)行初期的正常振動(dòng)水平。即在應(yīng)用正常運(yùn)行的同時(shí)，變頻器學(xué)習(xí)振動(dòng)，而不影響運(yùn)行。

　　收集到足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，變頻器開始監(jiān)測(cè)振動(dòng)。第二種方法，變頻器可以執(zhí)行識(shí)別運(yùn)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(jī)。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(shí)不允許全速運(yùn)行。

　　我們構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試裝置來(lái)演示該功能。本次測(cè)試范圍內(nèi)的故障是電機(jī)軸不對(duì)中。軸不對(duì)中會(huì)增加軸承的機(jī)械載荷，從而降低軸承的使用壽命。此外，還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生二次效應(yīng)。不對(duì)中的早期發(fā)現(xiàn)和校正可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命，避免停機(jī)。

圖4 感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型泵的測(cè)試裝置。安裝在基板上電機(jī)旁邊的振動(dòng)傳感器（黑色/橙色）。

　　圖4顯示了一個(gè)驅(qū)動(dòng)小型泵的感應(yīng)電機(jī)測(cè)試裝置。使用紅色手柄稍微抬高基板，可以產(chǎn)生一個(gè)角誤差。在電機(jī)的基板上安裝了一個(gè)振動(dòng)傳感器來(lái)演示這個(gè)概念。4-20mA傳感器模擬信號(hào)已連接至變頻器的模擬輸入。

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

　　圖5顯示了測(cè)試結(jié)果示例。顯示了在兩種場(chǎng)景下測(cè)量的振動(dòng)(mm/s)與電機(jī)轉(zhuǎn)速(RMS)的關(guān)系。在第一種情況下，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。在此狀態(tài)下，執(zhí)行了基線測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的基線確定警告和報(bào)警閾值。對(duì)于故障場(chǎng)景，使用紅色手柄稍微抬高電機(jī)基板，產(chǎn)生了軸不對(duì)中，參見(jiàn)圖5，故障狀態(tài)下測(cè)量的振動(dòng)以綠色顯示。

　　在上面的示例中，變頻器可以清楚檢測(cè)到此故障。對(duì)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(dòng)也與轉(zhuǎn)速相關(guān)。監(jiān)測(cè)時(shí)甚至還需要考慮共振點(diǎn)。不平衡、松動(dòng)等其他故障類型會(huì)產(chǎn)生不同的模式。

　　4.2 電氣特征分析

　　電機(jī)和應(yīng)用的狀況也可以通過(guò)電氣特征分析來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)研究了多年。早期的研究涉及直接在線機(jī)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(chǔ)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(shuō)明了這一基本概念。故障狀態(tài)指標(biāo)可以從電機(jī)電流和電壓信號(hào)中提取。電流和電壓的頻率分量可能與電機(jī)或應(yīng)用故障有關(guān)，如軸不對(duì)中或定子繞組故障等。電流和電壓傳感器無(wú)論如何都是變頻器的基本部件。它們?yōu)榭刂齐姍C(jī)提供必要的信號(hào)。這些信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)目的。因此，不增加額外的傳感器成本。信號(hào)處理和分析技術(shù)在這方面起著重要作用。

　　作為電機(jī)控制器的變頻器可以關(guān)聯(lián)特定的電流諧波等監(jiān)測(cè)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(shí)可以執(zhí)行有意義的頻譜計(jì)算。與振動(dòng)水平監(jiān)測(cè)一樣，還可以將監(jiān)測(cè)值與電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載和其他相關(guān)過(guò)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(cè)

　　如上一節(jié)所示，變頻器會(huì)測(cè)量電機(jī)電流和電壓，其主要目的在于使用這些測(cè)量值來(lái)控制電機(jī)?；倦娏骱碗妷簻y(cè)量值用于計(jì)算電機(jī)功率、能量、實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩等各種參數(shù)。這些值可可用于監(jiān)測(cè)泵等設(shè)備的電機(jī)負(fù)載。

　　在負(fù)載取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)矩估計(jì)值可用于確定過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián)性。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，變頻器可以檢測(cè)過(guò)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(jī)中，它可以檢測(cè)泄漏，在風(fēng)扇應(yīng)用中，它可以檢測(cè)空氣過(guò)濾器堵塞。簡(jiǎn)而言之，任何對(duì)負(fù)載有影響的異常情況都可以通過(guò)這種方式監(jiān)控。

　　執(zhí)行工況監(jiān)測(cè)變頻器的障礙是價(jià)格。在過(guò)去，只有關(guān)鍵系統(tǒng)才會(huì)配備工況檢測(cè)，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(gè)例子。它的容量為340萬(wàn)升，正在其污水廠進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)試點(diǎn)。在廢水處理方面，它使用了兩臺(tái)壓縮機(jī)，功率為132千瓦。電機(jī)由2臺(tái)VLT?AQUADriveFC202變頻器控制，以監(jiān)測(cè)電機(jī)和繞組的振動(dòng)。

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

　　“該項(xiàng)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(shí)體驗(yàn)這些新的可能性，為未來(lái)創(chuàng)造新的策略。對(duì)喜力來(lái)說(shuō)，檢測(cè)這些壓縮機(jī)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?！钡し鹚谷虼罂蛻艚?jīng)理RenéGrywnow補(bǔ)充。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　工況監(jiān)測(cè)可用于實(shí)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(lái)的。但是工況監(jiān)測(cè)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(gè)有價(jià)值的數(shù)據(jù)源，可以用于工況監(jiān)測(cè)，節(jié)省不必要的費(fèi)用。