謝鋒云, 王玲嵐, 閆少石, 汪 淦, 李 剛

(1.華東交通大學 機電與車輛工程學院,南昌 330013,E-mail:xiefyun@163.com;2.軌道交通基礎設施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室, 南昌 330013)

在當今的工業(yè)領(lǐng)域,電機作為關(guān)鍵的傳動設備[1],為了確保電動機在使用過程中的安全性,必須對其進行安全檢查與維護[2-4]。我國當前的維修模式屬于“計劃修”。所謂計劃修,就是在設備未發(fā)生故障之前就進行修理,這就是在設備未發(fā)生故障之前就進行修理,這種模式通常來說是定期的,修理的范圍和零部件也是固定的[5],因此這種方式總是存在檢修過?；虿蛔愕娜秉c。南京工程學院的朱建中的團隊研發(fā)出了基于嵌入式web服務器的電機監(jiān)測系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)將嵌入式的服務器與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合后,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合構(gòu)成遠程監(jiān)測方案。采用Http技術(shù),建立起具有B/S架構(gòu)的遠程電機監(jiān)測系統(tǒng)。嵌入式web服務器搭載在ARM處理器上,在ARM處理器上實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議。所開發(fā)的電機監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低的特點,并能在LAN與WAN之間實現(xiàn)信息的同步。

浙江大學的陳啟偉設計了一款基于WiFi和GSM技術(shù)的電機監(jiān)測系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)的硬件層基于ARM處理器,外接RS485接口,集成了WiFi和GSM兩種遠程傳輸模式。該系統(tǒng)以WiFi作為現(xiàn)場的無線網(wǎng)絡傳輸方式,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫妱訖C監(jiān)控中心,實現(xiàn)對電動機的工作狀況的實時監(jiān)控,WiFi傳輸速率高,可實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的高效的數(shù)據(jù)共享。一旦有監(jiān)測中心的工作人員無法解決的問題,數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)內(nèi)可以以GSM/GPRS的模式傳輸給相關(guān)專家,從而進行深層次分析,做出解答。這種遠程傳輸方式既節(jié)省資源,又最有效的實現(xiàn)真正的遠程傳輸。

本文針對電動機在工作中的不良工況,提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務器技術(shù)和4G技術(shù)的電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為下位機參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)和電機監(jiān)測云平臺兩部分。下位機采集傳輸系統(tǒng)通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集,單片機作為核心模塊進行數(shù)據(jù)處理,無線射頻模塊作為遠程傳輸方式,實現(xiàn)了將電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)遠程發(fā)送給上位機。上位機服務平臺依托阿里云服務器與物聯(lián)網(wǎng)建立云端數(shù)據(jù)庫及Web UI界面,實現(xiàn)了遠程監(jiān)測的目的。

1 電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計

1.1 電機監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

本試驗監(jiān)測對象是型號為YE2-100L2-4的三相異步電動機。電機監(jiān)測系統(tǒng)分為下位機參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)和電機監(jiān)測云平臺兩部分。下位機采集傳輸系統(tǒng)需要滿足以下兩個功能:

(1) 建立下位機采集傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)對電機的定子電流、電機殼溫、電機轉(zhuǎn)速以及電機振動的數(shù)據(jù)采集。

(2) 實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

電機監(jiān)測云平臺需要滿足以下幾個功能:

(1) 實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的分析。

(2) 建立上位機服務平臺及Web UI界面。

(3) 實現(xiàn)對電機的定子電流、電機殼溫及電機轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測顯示。

(4) 實現(xiàn)對電機的定子電流、電機殼溫及電機轉(zhuǎn)速的實時波形圖顯示。

(5) 實現(xiàn)對電機的運行數(shù)據(jù)的云端存儲及下載、閾值報警、狀態(tài)分析等功能。

1.2 電機監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)需求,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三部分:數(shù)據(jù)采集層、云平臺層和應用層?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 電機遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)采集層:即下位機采集傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和遠程傳輸兩個功能。硬件部分包括主控模塊、溫度傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動傳感器及無線射頻模塊,通過主控模塊連接各式傳感器對電機的運行數(shù)據(jù)進行實時采集并對運行狀態(tài)進行分析,然后通過無線射頻模塊將采集到的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)信息打包傳遞給云服務器。

(2) 云服務器層:這一層作為下位機采集傳輸系統(tǒng)與Web UI界面之間的中間層,實現(xiàn)了連接紐帶的功能。首先,下位機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)與云服務器的接口進行對接,云服務器將數(shù)據(jù)進行解析并保存在云數(shù)據(jù)庫中以供使用。然后,與Web UI界面建立連接,對云數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn),將數(shù)據(jù)實時顯示在界面中,方便用戶及時地對電機運行參數(shù)及運行狀態(tài)信息進行查看和下載。

(3) 應用層:這一層作為用戶直接與系統(tǒng)建立連接的一層,實現(xiàn)了人機交互[8]的功能。為使用Web UI界面設置權(quán)限,從而提高了系統(tǒng)的安全性。Web UI界面與云數(shù)據(jù)庫之間建立連接,可實時顯示數(shù)據(jù)、異常報警、實時顯示數(shù)據(jù)波形圖,數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的下載。

2 下位機采集傳輸系統(tǒng)的研究

2.1 下位機采集傳輸系統(tǒng)框架

下位機采集傳輸系統(tǒng)如圖2所示,當系統(tǒng)上電以后,經(jīng)過以下6步操作后,開始采集和傳輸電機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

▲圖2 下位機采集傳輸系統(tǒng)框架圖

① 對系統(tǒng)的外設進行初始化,完成對主控模塊及各項外設的使能;

② 對4G/LTE模塊[9]進行狀態(tài)檢測;

③ 下位機采集傳輸系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議[10],經(jīng)過三次握手,與云平臺建立連接;

④ 下位機采集傳輸系統(tǒng)通過傳感器對電機的溫度、電流、轉(zhuǎn)速及振動數(shù)據(jù)進行采集;

⑤ 對采集到的溫度、電流及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行復合濾波及閾值報警處理,對采集到的振動數(shù)據(jù)進行壓縮處理;

⑥ 處理過后的數(shù)據(jù)封包后發(fā)送給阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

2.2 數(shù)據(jù)軟件濾波處理

對于電機的定子溫度、定子電流及電機的轉(zhuǎn)速這三類數(shù)據(jù),在采集之后,采用中位均值[11]的軟件濾波法,去除因外界干擾等原因造成的偶然誤差,減少了錯誤報警的次數(shù)。

因此,分別對正常狀態(tài)下的電機的殼溫、定子電流及轉(zhuǎn)速進行兩次數(shù)據(jù)采集,采樣時間設置為30 min,采樣頻率設置為1 kHz,第一次不使用濾波處理,第二次使用濾波處理,對比結(jié)果如圖3所示。

▲圖3 濾波結(jié)果對比圖

2.3 遠程傳輸技術(shù)

本系統(tǒng)中的遠程傳輸技術(shù)是基于工業(yè)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)與無線射頻傳輸技術(shù)融合的傳輸技術(shù)[12]。下位機采集傳輸系統(tǒng)與云服務器端通過無線射頻模塊,將采集到的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸協(xié)議發(fā)送至云服務器端,實現(xiàn)遠程傳輸。

無線射頻模塊選擇移遠EC20模塊,使用MQTT協(xié)議進行通訊。MQTT中文名稱為報文消息隊列遙測傳送,其傳輸機制如圖4所示。

▲圖4 MQTT協(xié)議傳輸機制

MQTT協(xié)議具有實時傳遞的優(yōu)點,并且協(xié)議支持所有平臺。同時還具有以下特點[13]:

(1) MQTT簡化了消息發(fā)送的工作量。

(2) MQTT可以根據(jù)不同topic來實現(xiàn)應用消息的業(yè)務劃分。

(3) MQTT更為標準化,降低與第三方物聯(lián)網(wǎng)服務集成的工作量。

(4) MQTT最大限度減少了傳輸流量。

(5) MQTT支持TLS安全,保證數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性。

因此,選擇MQTT協(xié)議作為遠程傳輸協(xié)議,不僅可以提高消息發(fā)送質(zhì)量,還能節(jié)省成本。

2.4 小波包數(shù)據(jù)壓縮算法研究

在振動數(shù)據(jù)傳輸中,因為數(shù)據(jù)的采集頻率非常高,數(shù)據(jù)量大,而服務器每秒鐘最多僅能接收50條PUBLISH消息。因此會導致上傳數(shù)據(jù)不完整,造成振動信號缺失。所以考慮采用數(shù)據(jù)壓縮和新線程的方法,先對數(shù)據(jù)進行壓縮,然后開啟新單獨對振動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)封包和發(fā)送。

小波變化在信源編碼中已達到實用化,在信源編碼中應用小波分解最普遍的是采用二通道共軛鏡像濾波器[14]的方法,步驟如圖5所示,途中“↓2”表示使用的是二維離散小波變換中對行進行下采樣,即保留二維數(shù)組中的偶數(shù)行。

▲圖5 小波信號編碼模型

主要步驟如下:

① 對采集到的電機振動信號進行小波變換;

② 對變換后的信號的高頻系數(shù)進行量化;

③ 通過量化后的小波系數(shù),重構(gòu)信號。

由于電機的工作環(huán)境較為復雜,采集的振動信號是由噪聲、諧波疊加構(gòu)成的復雜信號,而有用信號一般為低頻信號,應分配較多的比特數(shù),高頻成分大多為噪聲,不予編碼。使用小波變換對振動數(shù)據(jù)處理,可有效地對噪聲進行剔除[15],對振動數(shù)據(jù)進行壓縮,降低無線傳輸壓力,減少下位機的負擔。

圖6和圖7分別為編號“zczd_20211220_2031”的正常狀態(tài)和編號“gzzd_20211220_2157”的故障狀態(tài)下振動信號的原始信號與重構(gòu)信號的對比圖。

▲圖6 正常信號小波重構(gòu)圖

▲圖7 故障信號小波重構(gòu)圖

信號的壓縮率是評判信號壓縮效率的一大指標,壓縮率的標志是CR,表示壓縮后信號的比特數(shù)與原信號比特數(shù)之比,公式如(1)所示:

▲圖8 三種尺度下壓縮率圖

(1)

式中:Nn為壓縮后重構(gòu)信號的比特數(shù),Ne為原信號的比特數(shù)。

信號經(jīng)小波壓縮后的壓縮率如圖8所示,由圖可知,信號壓縮率隨著尺度增加而減小,證明重構(gòu)信號的比特數(shù)降低,壓縮的效率提高,數(shù)據(jù)量減小,提高了系統(tǒng)的運行速度和遠程傳輸速度。

3 電機監(jiān)測云平臺的研究

3.1 電機監(jiān)測云平臺邏輯架構(gòu)

▲圖9 電機監(jiān)測云平臺邏輯結(jié)構(gòu)圖

電機監(jiān)測云平臺一方面要分析并保存來自下位機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù),另一方面要對數(shù)據(jù)在前端界面進行分析與展示,給用戶提供良好的Web UI界面。因此將電機監(jiān)測云平臺搭建與研究分為三個層面:用戶訪問層、邏輯層及數(shù)據(jù)訪問層,具體功能分布如圖9所示。

(1) 用戶界面層(UI層)

用戶界面層,即用戶界面。該層面是用戶與系統(tǒng)直接建立連接的工具,旨在給用戶提供一個友好、簡潔且易操作的方式與系統(tǒng)直接進行互動。通過用戶界面,用戶可以通過文字、圖表、折線等多種方式直接獲取到系統(tǒng)采集的信息。實現(xiàn)方式有多種,例如Web UI、PC端或者移動手機APP等。

(2) 業(yè)務邏輯層(BLL層)

業(yè)務邏輯層是DAL層接口和UI層接口之間的橋梁,它通過響應來自UI層的要求,作出反應,從DAL層獲取數(shù)據(jù),并向UI層中的應用反饋所需數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)訪問層(DAL層)

DAL層會對數(shù)據(jù)進行存儲,以確保數(shù)據(jù)的完整與安全;它還會響應BLL層的請求,給予訪問數(shù)據(jù)的權(quán)限。

3.2 電機監(jiān)測云平臺功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述電機監(jiān)測云平臺的邏輯結(jié)構(gòu),對其功能架構(gòu)進行相關(guān)的研究與開發(fā),具體功能如圖10所示。

▲圖10 電機監(jiān)測云平臺功能結(jié)構(gòu)圖

(1) 用戶管理功能分為用戶登錄界面和用戶賬號管理數(shù)據(jù)庫兩部分,登錄界面用來提高系統(tǒng)的安全性能,賬號管理數(shù)據(jù)庫用來儲存用戶的賬號、密碼等信息。

(2) 電機數(shù)據(jù)實時顯示功能主要包含三部分,對電機殼溫、定子電流、轉(zhuǎn)速及軸向振動進行實時地數(shù)據(jù)展示。

(3) 電機數(shù)據(jù)實時波形圖功能包含四部分,分別對溫度、電流、轉(zhuǎn)速及振動數(shù)據(jù)進行實時地波形圖展示。

(4) 電機狀態(tài)識別功能包含四部分:對電機的溫度、電流和轉(zhuǎn)速三個緩變量進行閾值分析報警;通過振動數(shù)據(jù)的特征對當前電機的狀態(tài)進行分析。

(5) 電機監(jiān)測云平臺的功能還包括數(shù)據(jù)儲存及下載功能,旨在將數(shù)據(jù)下載到本地長時間的保存或進行更加深度地研究。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及其實驗分析

4.1 硬件介紹

系統(tǒng)整體實物圖如圖11所示。

▲圖11 系統(tǒng)整體實物圖

主控模塊連接各傳感器對電機的溫度、電流、轉(zhuǎn)速及振動進行監(jiān)測。PT100傳感器的接線端連接在主控模塊上,傳感器端放置在電機的后端蓋中,監(jiān)測電機的殼溫?；魻杺鞲衅魍ㄟ^磁吸座固定,對電機振動進行監(jiān)測?；魻栯娏鱾鞲衅鞯慕泳€端直接接在主控模塊上,傳感器端固定在三相異步電機的供電線上,監(jiān)測電機的線電流,因為電機是星形連接,所以定子電流等于線電流。DK360A傳感器直接固定在電機的后端蓋上,對電機的軸向振動進行監(jiān)測。

4.2 Web UI界面應用界面

登陸成功后可看到Web UI的應用界面,如圖12所示,Web UI的應用面包含兩個窗體,左邊為菜單欄,提供給用戶方便快捷的途徑直接尋找功能,包括主界面、五種監(jiān)測時域圖及信息查看及下載功能。

▲圖12 Web UI主界面

4.3 電機運行狀態(tài)監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)試驗

為了試驗本監(jiān)測系統(tǒng)的精確程度,在使用監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測電機運行狀態(tài)的同時,使用采集卡對電機的溫度、電流和轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測,監(jiān)測時間為10 min,采樣頻率為1 kHz,采樣點數(shù)為200個,對比監(jiān)測系統(tǒng)與采集卡的監(jiān)測結(jié)果,對系統(tǒng)的監(jiān)測的精確程度進行驗證。

溫度監(jiān)測結(jié)果誤差值如圖13所示,以采集卡采集到的溫度值為基準溫度,誤差值在0.5 ℃以內(nèi),溫度監(jiān)測差值的標準差為0.28,誤差率小于1%,滿足系統(tǒng)對溫度監(jiān)測的指標需求。

▲圖13 溫度監(jiān)測結(jié)果對比圖

電流監(jiān)測結(jié)果誤差值如圖14所示,以采集卡采集到的電流值為基準,誤差值在0.06 A以內(nèi),電流監(jiān)測差值的標準差為0.03,誤差率小于1%,滿足系統(tǒng)對電流監(jiān)測的指標需求。

▲圖14 電流監(jiān)測結(jié)果對比圖

轉(zhuǎn)速監(jiān)測結(jié)果誤差值如圖15所示,以采集卡采集到的轉(zhuǎn)速值為基準,誤差值在±15以內(nèi),轉(zhuǎn)速監(jiān)測差值的標準差為6.29,誤差率小于1%,滿足系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速監(jiān)測的指標需求。

▲圖15 轉(zhuǎn)速監(jiān)測結(jié)果對比圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合無線遠程傳輸技術(shù)和傳感器技術(shù),研究并設計了基于云平臺和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電機遠程監(jiān)測系統(tǒng),完成了電機的運行參數(shù)監(jiān)測,以保證電機的運行安全。

本文對三相異步電機的故障機理進行相關(guān)分析,依據(jù)失效機制來決定其性能和性能指標的需求;對下位機采集傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究,包括軟件濾波技術(shù)及特征處理、遠程傳輸技術(shù)及遠程傳輸協(xié)議等;搭建了電機監(jiān)測系統(tǒng)的上位機服務平臺,實現(xiàn)了對下位機發(fā)送到上位機數(shù)據(jù)的解析、儲存、可視化顯示及分析等功能,完成了下位機到上位機整體數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢炌?。通過實驗將數(shù)據(jù)進行比較和誤差分析,結(jié)果顯示,所設計系統(tǒng)滿足對電機溫度、轉(zhuǎn)速及電流等指標監(jiān)測要求。