杜明澤，俞乾漪

基于MSET的起重機變頻器工作狀態(tài)評估

杜明澤，俞乾漪

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

變頻器通過將工頻電源轉(zhuǎn)換成任意電壓、任意頻率交流電源實現(xiàn)電機調(diào)速，由于其調(diào)速性能優(yōu)良、高效節(jié)能等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口起重機。本文根據(jù)集裝箱起重機起升機構(gòu)作業(yè)工況特征,使用多元狀態(tài)估計技術(shù)（MSET）建立適用于起升機構(gòu)變頻器的狀態(tài)評估方法。首先,根據(jù)起升機構(gòu)變頻器工作特性建立了狀態(tài)評估向量，采用歐氏標(biāo)準(zhǔn)差作為非線性運算符，通過計算當(dāng)前觀測特征向量與歷史特征向量之間的相似性程度，得出估計殘差，進(jìn)而判斷變頻器當(dāng)前工作狀態(tài)。最后，本文以實際集裝箱起重機運行數(shù)據(jù)為例，驗證了本文所述方法簡單、實用、有效。

MSET；變頻器；集裝箱起重機；狀態(tài)評估

0 前言

隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器在港口機械方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的起重機具有精確定位、運行平穩(wěn)、起動與制動平緩、操作靈活、現(xiàn)場適應(yīng)性好、發(fā)熱損耗小等優(yōu)點，因此變頻器是起重機非常重要的部件之一。傳統(tǒng)的先出現(xiàn)故障再進(jìn)行檢測維修的方法對起重機的工作效率有較大影響，而預(yù)防性的設(shè)備維護(hù)則可以預(yù)防和發(fā)現(xiàn)設(shè)備在運行中可能給將來運行造成損壞或潛在的危害，實現(xiàn)生產(chǎn)工作不中斷的理想化狀態(tài)，生產(chǎn)效率最大化。實驗結(jié)果表明,MSET可明顯呈現(xiàn)故障狀態(tài)下的信號特征，從而正確且有效地評估變頻器工作狀態(tài)，以實現(xiàn)變頻器故障診斷的早期檢測,最大限度地降低故障損失。

本文采用多元狀態(tài)估計技術(shù)（MSET，multivariate State Estimation Technique）對變頻器運行狀態(tài)進(jìn)行評估，從而實現(xiàn)對起重機用變頻器運行狀態(tài)的早期預(yù)測、診斷。MSET作為一種非參數(shù)、非線性的多元回歸技術(shù)，最早是由美國阿爾貢國立實驗室旨在檢測核電廠中傳感器、設(shè)備以及運行參數(shù)的初始劣化點而開發(fā)的，迄今已在許多工業(yè)領(lǐng)域中取得了廣泛的成功應(yīng)用[1]。MSET對用于過程監(jiān)視的一組相關(guān)參數(shù)同時進(jìn)行分析從而對物理過程進(jìn)行相似性建模，通過局部插值計算可以做出合理地估計全局范圍內(nèi)的行為[2]。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是MSET的學(xué)習(xí)和模型構(gòu)建過程更加簡單快速，因而可更好地滿足單系統(tǒng)檢測與工業(yè)現(xiàn)場的實時性要求[3，4]。

1 起升機構(gòu)變頻器

1.1 變頻器的原理及作用

集裝箱岸邊起重機（簡稱岸橋）作為裝卸集裝箱的重要專業(yè)設(shè)備，需要頻繁應(yīng)用變頻器來實現(xiàn)港口機械穩(wěn)定高效率生產(chǎn)。變頻器的基本工作原理是通過整流器將交流變?yōu)橹绷?，使用平滑波電路將直流電平滑，利用逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，總體來說就是通過改變電機的工作電源頻率方式來控制調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，從而達(dá)到功率因數(shù)補償節(jié)能、提高運轉(zhuǎn)精度、過流/過壓/過載保護(hù)、軟啟動節(jié)能等功能。

1.2 變頻器的選擇

由于港口機械與其它傳動機械相比對變頻器需要更加嚴(yán)格的性能與安全上的標(biāo)準(zhǔn)，即需要較大的承載及過載能力和滿足頻繁的開始、停止而帶來的顯著振動與沖擊。常見的變頻器品牌有三菱，西門子，安川電機，ABB, 羅克韋爾等等。不同品牌的變頻器在相同功率下過載能力和額定電流值也不盡相同。故在選擇使用何種變頻器時，不僅要參考額定功率的大小，更要校核額定工作電流，一般選擇變頻器的功率大于電動機功率10-30%左右。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用原則，按照岸橋港機類型、調(diào)速范圍與起動轉(zhuǎn)矩等要求，決定選用合適的變頻器以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件。本文研究對象主要選取常年應(yīng)用于岸橋港機的安川VS676H5L變頻器。該變頻器是由多組功率單元并聯(lián)而成，能選擇多種運行控制方式且控制電機速度穩(wěn)定，由此在岸橋的調(diào)速控制過程中各工作單元可以相互配合，同時減少了對設(shè)備系統(tǒng)的沖擊。

2 變頻器狀態(tài)評估MSET模型

2.1 MSET建模原理

MSET的關(guān)鍵在于把各個參數(shù)正常工作狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)構(gòu)成歷史正常狀態(tài)矩陣D。假設(shè)某一過程或設(shè)備共有n個相互關(guān)聯(lián)的測點，設(shè)在i時刻時，觀測到的n個測點記為觀測向量，即

在設(shè)備正常工作時，在不同運行工況下，采集m個歷史相關(guān)測點，組成歷史正常狀態(tài)矩陣[5]

其中，每一列相關(guān)測點代表設(shè)備的一個正常工作狀態(tài)，經(jīng)過合理選擇的歷史正常狀態(tài)矩陣中的m個歷史相關(guān)測點能夠代表設(shè)備正常運行的整個動態(tài)過程。

觀測向量 為MSET模型的輸入，通過模型計算輸出的預(yù)測向量為 。對于每一個輸入觀測向量 ，MSET都會生成一個m維的權(quán)值向量W，反映了MEST模型中輸入相關(guān)測點與歷史正常狀態(tài)矩陣中各向量的相似性。

令輸出值與輸入值的殘差為ε，則

對殘差進(jìn)行極小化，求得權(quán)值向量

當(dāng)兩向量相同或相似時，距離為0或接近0；當(dāng)兩向量差異越大，其非線性運算的結(jié)果越大。

由式（4）和式（5）得

當(dāng)設(shè)備工作正常時，Xobs位于D所代表的正常工作空間內(nèi)。與D中的某些歷史相關(guān)測點距離較近，相應(yīng)的Xest具有很高的精度。當(dāng)設(shè)備有劣化趨勢時，由于動態(tài)特性的改變，Xobs將偏離D所代表的正常工作空間，此時Xest的精度會下降，殘差ε增大。

2.2 起重機變頻器觀測向量選擇

起重機變頻器故障是起重機電控系統(tǒng)故障的重要組成部分，較為嚴(yán)重地影響了起重機的工作效率。針對起重機變頻器常見故障，篩選能夠表征變頻器正常運行狀態(tài)的重要參數(shù)，以實現(xiàn)對變頻器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測評估。

起重機主要有電動機不能正常升速、過電流故障、過電壓故障、變頻器接地故障和機構(gòu)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)五大常見故障。其中機構(gòu)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)主要受起重機外部工作環(huán)境影響，因此不在文中深入討論。起重機電動機不能正常升速主要是由于變頻器輸入信號不正確、交流電源或變頻器輸出缺相以及變頻器參數(shù)中頻率或電流設(shè)定值偏小三種因素造成。變頻器在運行過程中易發(fā)生過電流故障，除變頻器自身參數(shù)設(shè)置有問題與負(fù)載原因外，電源電壓超限或缺相和振蕩過流也會導(dǎo)致過流故障。變頻器輸出時，變頻器與濾波器不匹配與起重器受潮進(jìn)水都會導(dǎo)致變頻器接地故障[6]。

表1 起重機變頻器觀測向量

綜上所述，變頻器的輸入輸出電流、輸入輸出電壓、運行頻率、電動機轉(zhuǎn)速顯然是表征變頻器工作狀態(tài)的重要參數(shù)。變頻器減速制動時間與加速時間也會影響加速轉(zhuǎn)矩影響中間制動回路電流與電壓大小。載波頻率影響變頻器機械頻率與電氣頻率共振現(xiàn)象，對振蕩過流故障有直接影響。此外，變頻器溫度也是衡量其工作狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。所以，變頻器加減速時間、載波頻率大小、變頻器溫度、室溫也是表征變頻器工作狀態(tài)的重要參數(shù)。

表2 正常狀態(tài)觀測向量

3 計算案例

3.1 歷史正常狀態(tài)矩陣D構(gòu)造

通過查找起重機變頻器使用說明書和現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)，確定觀測向量正常工況歷史數(shù)據(jù)值。對于起重機變頻器的每一個相關(guān)測點，使用相應(yīng)測量工具記錄統(tǒng)計一個月中正常工況下的數(shù)據(jù)，構(gòu)成歷史正常狀態(tài)數(shù)據(jù)集合，每次進(jìn)行狀態(tài)評估時，隨機從各個相關(guān)測點數(shù)據(jù)集合中調(diào)取的十組數(shù)據(jù)與正常工況下各點上下限值構(gòu)成歷史正常狀態(tài)矩陣。該方法能較好地覆蓋設(shè)備的正常工作空間，以降低評估誤差。

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，構(gòu)成歷史正常狀態(tài)矩陣

3.2 MATLAB計算驗證

本文使用ThinkPad T460S（酷睿i5處理器，4GB內(nèi)存），64位MATLAB2016a進(jìn)行計算驗證。計算過程如下圖所示。

圖1 MATLAB計算流程圖

MATLAB計算程序如下：

T=D';歷史正常狀態(tài)矩陣D轉(zhuǎn)置Xobs=Xobs';觀測向量Xobs轉(zhuǎn)置Eu2=zeros(10,1); for i=1∶10 Eu2(i,1)=norm((T(∶,i)-Xobs));求DT與Xobs之間的歐氏距離end Eu1=zeros(10,10); for i=1∶10 for j=1∶10 Eu1(i,j)=norm((T(∶,i)-D(∶,j)));求DT與D之間的歐氏距離end end Xest=D＊pinv(Eu1)＊Eu2;計算輸出估計值XestEk= Xobs-Xest;計算殘差 ε

選取正常工作狀態(tài)與故障情況下的兩組觀測向量Xobs1、Xobs2分別代入已建立的MSET模型中進(jìn)行計算：

計算得到殘差：

顯然，由 進(jìn)行計算得到的殘差 接近于0，則表明設(shè)備工作狀態(tài)良好，由 進(jìn)行計算得到的殘差 數(shù)值較大，則表明設(shè)備出現(xiàn)故障，需要及時查找故障進(jìn)行維修。

4 結(jié)論

本文將非線性多元狀態(tài)估計技術(shù)引入到起重機變頻器工作狀態(tài)的監(jiān)測評估之中，并采用MATLAB環(huán)境實現(xiàn)了該方法的核心計算功能。通過實際數(shù)據(jù)計算、分析，表明該方法能準(zhǔn)確有效地評估起重機變頻

器工作狀態(tài)，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，提醒工作人員進(jìn)行維修，以防止不必要的損失，提高設(shè)備工作效率。

但是不能對故障進(jìn)行具體分析，因此，下一步還需對各種異常工作狀態(tài)下的模型輸出進(jìn)行分類研究。

[1]姚 良，李艾華，孫紅輝，張振仁.基于MSET和SPRT的內(nèi)燃機氣閥機構(gòu)振動監(jiān)測[J].振動工程學(xué)報，2009,22(2):150-155.

[2]孫英杰，彭敏俊.基于MSET 和SPRT 的核動力裝置異常狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J].核動力工程，2015,36(3):57-61.

[3]賀 濤，郭群龍.基于MSET的電站鍋爐空氣預(yù)熱器狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)[J].中國科技信息，2012,(12):161-162.

[4]王 皓，趙曉蓓，楊東升.基于MSET和SPRT的導(dǎo)彈振動故障診斷[J].測控技術(shù)，2015,34(3):59-62.

[5]郭鵬等.風(fēng)電機組齒輪箱溫度趨勢狀態(tài)監(jiān)測及分析方法[J].中國電機工程學(xué)報，2011,(30):43-45. [6]陳壽文，唐先敏.起重機變頻器調(diào)試與維護(hù)中常見故障分析[J].重工與起重技術(shù)，2013,118(115):141-146.

Estimation of Crane Variable-frequency Drive Working State based on MSET

YU Qian-yi，DU Ming-ze
(Shanghai Maritime University，Logistics Engineering College，Shanghai 201306，China)

The Variable-frequency Drive (VFD) is used to convert the power frequency power to any voltage and the AC power supply with any frequency is used to realize the speed regulation of the motor. It has been widely used in port crane because of its excellent speed regulation performance, high efficiency and energy saving. According to the operating characteristics of the hoisting mechanism of the container crane, the paper develops a state estimation method based on the multivariate state estimation technique (MSET). First of all, according to the working characteristics of the VFD hoisting mechanism to establish state estimation vectors, using Euclidean Norm as the nonlinear operator and calculating the similarity degree between the observation vector and the historical feature vector to get the estimated residuals, so that it is enable to judge the working state of the VFD depend on the results. At last, take actual container cranes’ run data as an example to prove that the method described in this article is simple, practical and effective.

MSET；Variable-frequency Drive；container crane；state assessment

TP273

A

投稿日期：2017-03-05

杜明澤（1996 — ），就讀于上海海事大學(xué)；研究方向：岸橋機構(gòu)的維護(hù)與保養(yǎng)。