CN1217473A - 直流电机故障专家诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机故障专家诊断方法。它主要是由数据采集和故障诊断两个组成部分来实现的。诊断***可分为现场诊断***(近端计算机)和远程诊断***(远端计算机),它们之间采用调制解调器和电话线组成的远程通讯连接,实现远程诊断。本发明方法的知识采用产生式规则表达方法,内部结构有知识库、推理机、综合数据库、知识获取程序、解释程疗和人机接口等部分组成,对直流电机能进行在线数据采集和状态监视,故障诊断,技术计算,标准查询以及数据显示和记录。本发明在工业上应用,有显著经济效益。

Description

直流电机故障专家诊断方法

本发明涉及一种直流电机故障专家诊断方法，具体地说是采用计算机通过数据采集装置和专家知识对直流电机进行运行参数和状态参数采集和监视、故障诊断、技术计算、标准查询，以及数据显示和记录。

日本《东芝评论》杂志1987№ 5《东芝大型直流电动机诊断用专家***》一文，公开了一种直流电机故障专家诊断方法。它采用TOShiBAC-7/70型控制用计算机和MYEXPERT-Ⅱ“外壳”，该外壳应用图表处理语言LISP-7。推理知识的叙述有三种：演释推论、归纳推论、和确定对策。根据MYEXPET-Ⅱ知识库编程器来移植知识网络便可构成知识库。根据监测***所搜集的电机运行的状态数据，通过MYEXPERT-Ⅱ接口输入到推理机构。该专家***能进行换向和线圈的故障诊断以及异常扭矩的判断。包括该专家***在内，目前国内外直流电机故障诊断方法，存在的主要问题是功能少，诊断项目单一或仅几项，诊断可靠性需要进一步提高，而且不能进行远程诊断。

本发明的目的是提供一种直流电机故障专家诊断方法，通过数据采集装置将安装在电机各部位上的传感器检测得到的各种状态参数和从电控柜取得的运行参数，以及它们的允许限值输入计算机，建立数据库；基于专家提供的实践经验和领域知识，利用开发工具EXSYS构筑推理机，建立知识库，以计算机为载体构成具有数据采集和处理装置的直流电机故障诊断专家***。这个***能实现直流电机进行在线数据采集和状态监视，对各种类型的91种故障进行诊断，对电机的电磁参数，换向参数和绝缘寿命进行计算，对世界各国直流电机标准进行查询，并能实现远程故障诊断。

本发明的目的是这样实现的：

1、数据采集和状态监视。安装在电机各个部位的各种传感器将电机运行时产生的各种状态信息，如温度、振动、换向火花、绝缘电阻、电流、转速等，转换成电信号，获取电机运行信息；再由检测模块将这些带有状态信息的模拟量进行A/D转换，将它们变成数字量信号；然后由采样控制器将这些转换后的数字量信号，通过通讯接口以数据，通讯方式传输给诊断计算机，储存在数据库中，供显示或诊断时调用。数据类型包括即时采样数据，一分钟平均值数据，五分钟平均值数据、一分钟最大值数据，五分钟最大值数据，电流均方根值及报警数据。当需要时，上述各种运行参数和状态参数也能对运行中出现的一些故障先兆症状进行连续监视。

2、故障诊断。

依据安装在电机各个部位上的各种传感器采集到的各种状态信息和运行信息，经过A/D转换，采样控制器、通讯接口成为各种状态数据和运行数据，以及通过人机界面输入人工观察信息进行故障推理与诊断，即通过人机对话方式实现交互式故障诊断。而扭振诊断是根据特征来判别的。知识库中存有扭振故障知识和各种扭振典型图谱，诊断时可把所记录的电机扭振实际时域波形，与典型扭振图谱进行对照，人工输入征兆，即可由专家***诊断得出结果，包括原因和处理意见等。此外还可通过分析扭振特征、振型和频率确定扭振发生原因，进一步通过动力学分析，计算轴系扭振时的力矩放大倍数(TAF)以确定其危害性。

3、技术计算。在计算机知识库内存储有计算式集，在输入直流电机规格，性能参数，主要几何尺寸后，可对直流电机的换向性能参数，电磁参数进行计算；在输入运行参数后，可对直漉电机绝缘寿命进行推算。计算结果可打印成计算结果报告。

4、标准查询。在计算机数据库中存储与直流电机有关的电机基本技术条件、振动检测、绝缘评估，试验方法等国家标准、各国标准和国际标准，可十分方便地查询并进行硬拷贝。

5、远程故障诊断。数据采集装置采集的状态数据通过近端计算机以数据文件方式通过电话线传输给远端计算机，两者之间用调制解调器和通讯软件进行数据通讯。远端计算机根据现场检测数据即可进行远距诊断。

本发明的优点是，利用数据采集装置取得诊断所需的状态信息，通过人机界面进行人机对话，实现交互式诊断。通过监测和诊断，早期发现故障征兆，及时迅速地对故障作出诊断，减少事故停机发生和维护费用。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步论述。

图1为本发明方法的***组成图。

图2为本发明方法的振动检测原理图。

图3为本发明方法的电压量输入参数检测柜图。

图4为本发明方法的温度检测柜图。

图5为本发明方法的湿度检测柜图。

图6为本发明方法的绝缘电阻检测柜图。

图7为本发明方法的软件连接图。

图8为本发明方法的用户界面集成图。

图9为本发明方法的故障诊断操作程序柜图。

图10为本发明方法的技术计算操作程序柜图。

图1为本发明方法实施例的***组成图。它主要由安装在直流电机各个部位上检测状态参数的传感器1、采集电机运行参数的电控柜2、数据采集装置3、近端计算机4，远端计算机5和远程通讯6组成。数据采集装置3是获得即时运行信息的设备。根据工作原埋，其构成可分为传感器与变送器、信号转换与处理，以及电源***三部分组成。其主体是一个模块化数据采集***(MicroDAC)。温度检测、电流检测、换向火花检测、绝缘电阻检测等都构成一个检测单元。***内每一个检测单元均由一个独立模块来控制。信号的采集过程如下：现场运行中电机的各种运行参数和状态参数信号，经过传感器、互感器、变送器和其他测量装置送入各对应的检测模块，模块首先根据不同的信号将它们作滤波、缓冲、调理、放大等预处理，然后将信号作V/F转换再将转换后的脉冲频率信号作光电隔离处理、光电隔离后的数字量信号传送至数据采集装置控制器(Micro DAC Controller)的缓冲区存放起来，等待主机(诊断计算机)来取数。数据类型包括即时采样数据、一分钟平均值数据、五分钟平均值数据、一分钟最大值数据、五分钟最大值数据、电流均方根值及报警数据。控制器与计算机以RS422方式进行数据通讯，控制器是根据主机的采样指令进行数据采集，通过通讯接口将数据传送至主机。

图2为本发明方法数据采集装置3的振动检测原理图。它主要由测振传感器7、变送器8，模拟量光电隔离模块9和高速数据采集板10组成。在接通220V AC电源后，变送器8首先为安装在电机轴承座上的测振传感器7提供DC24V工作电源。当轴承振动时，传感器7内敏感元件承受振动信号而产生电压，这一电压信号与振动信号波形完全相同，它经过阻抗变化和放大后由传感器7输出，经变送器8输入接口输入变送器8，因此在变送器8输入接口端子的电平实际上是DC24V上叠加了一个交变电压信号(振动信号)，变送器8输入接口和输出接口是以并联形式出现的，但它们之间有一个隔离电容，因此在变送器8的输出接口上输出的信号已隔除了直流成分，输出的是一个交流电平信号，即振动信号。这一振动信号送入模拟量光电隔离模块9作光电隔离，隔离后的信号送入高速数据采集板10，经过A/D转换后，再将数字信号存放在Micro DAC控制器的缓冲区内，等待计算机将数据取走。计算机则根据诊断的需求，以采样指令文件规定的方式取走这些数据，在计算机内对这些数据进行各种处理。

图3为本发明方法数据采集装置3的电压量输入参数检测柜图。电压量输入参数是从电控柜上取得的标准直流电压信号。它直接进入对应的模拟量直流电压输入模块11，在模块内经过滤波与缓冲、放大、V/F转换、光电隔离后，输入Micro DAC控制器的缓冲区内存放，等待计算机把数据取走。这类信号还有：换向火花、电枢电流、转速、励磁电流等。

图4为本发明方法数据采集装置3的温度检测柜图。电机测温元件12以三线制方式通过输入插接座13把信号输入温度检测模块14，在模块内经过滤波与缓冲、放大、V/F转换，光电隔离后，输入Micro DAC控制器的缓冲区内存放，等待计算机把数据取走。

图5为本发明方法数据采集装置3的湿度检测柜图。湿度传感器15是一个对湿度十分敏感的电容器，温度传感器16是一个铂电阻，它们各自通过变送器17和18将信号输出。变送器17和18用DC24V供电、输出信号是4～20mA电流。输出信号直接输送至两个电流输入模块19和20，模块对信号进行滤波与缓冲、放大，V/F转换和光电隔离后，输出至Micro DAC控制器的缓冲区内存放，等待计算机把数据取走。

图6为本发明方法数据采集装置3的绝缘电阻检测柜图。绝缘电阻的极化指数P·f的检测是以离线方式进行的，即检测必须在电机停机状态进行。绝缘仪表是一块经标定的晶体管兆欧表。当直流电源和绝缘检测电源供给后，进行检测时，计算机发出绝缘检测指令后，MicroDAC的开关量输出模块21输出一开关量，接通继电器22的继电器22线圈回路，使继电器22和23吸合，绝缘检测器24的电源回路和测量回路同时接通。开始用1000V名义电压对电机主回路进行绝缘检测，到达60秒时，通过电压输入模块25，将检测数据输出至MicroDAC控制器，记录绝缘电阻值。测量继续进行，当到达10分钟时，记录10分钟时测量值，再计算绝缘电阻10分钟测量值与1分钟测量值之比，即为绝缘的极化指数P·I。当计算机记录了10分钟测量值后，立即输出停止采样指令，此时开关量模块21中止开关量输出，使继电器22和23失电，绝缘检测器24停止工作，并同时打开了测量回路，测量结束。

数据采集装置3采用R422通讯方式，由一根四芯屏蔽电缆或两对双绞线与近端计算机4连接，进行通讯。

近端计算机4是一个具有完整故障诊断功能的***。它由主机、键盘、鼠标、CRT、打印机组成。主机主频90MHZ、内存16MB、硬盘为1000MB，配有3.5英寸软盘，4倍速的CD-ROM，以及声卡、视卡等多媒体配置。

诊断时的工作过程如下：

(1)发出采样指令。根据诊断项目的需要，计算机发出采样指令，使数据采集装置3根据采样指令指定方式进行数据采集。

(2)信号显示及数据处理。计算机显示器上能显示各种采样方式的画面，即时的状态参数和时域波形，当状态参数超限时，将自动报警。***也能根据需要，对状态参数进行数据处理，如计算负荷电流的均方根值，对振动信号FFT分析。

(3)人工输入信息。直流电机故障诊断所需的有些信息，无法通过传感器和数据采集装置直接输入计算机的。举例说，如换向器皮膜状态，绝缘变色和异味，电刷磨损和破损，换向器灼痕等信息，目前还不能用传感器输入，需通过用户界面以人机对话方式输入，以此为诊断提供更详细和确切的数据和依据。诊断中人工输入数据是不可缺少的。

(4)状态识别和故障诊断。这是本发明方法诊断***的主要功能。故障诊断时，根据输入的各种状态信息，调用其内部的功能模块(如推理机、知识库、数据库等)，对各种状态进行识别，对故障进行诊断，作出解释，并打印成诊断报告输出。

近端计算机4内部结构是由数据库、知识库、推理机、知识获取、数据采集、故障处理和用户界面等部分组成。有关软件均装在光盘或软盘中。

图7是本发明方法的软件连接图。其中Windows-95是操作程序，Visual Basic是语言——编程工具，Win Word 6.0是显示和文件汉化软件，Dmes-SKB是供标准查询的各种标准以及知识库等应用软件，Vborog是供数据采集用(包括压缩和非压缩)应用软件，Dmes Main是***主应用软件，包括数据采集，故障诊断、标准查询、技术计算、数据建立、知识库等全部应用软件，EXSYS是***开发工具并存有全部规划的27个知识库。选择Exsys专家***开发工具，形成电机换向、绝缘、振动、扭振故障诊断的知识库。因为Exsys专家***开发工具的知识库，推理机规划的组成，是使用产生式规则的方法，所以电机换向故障诊断采用《故障分类剔除法》、《常发故障排除法》、《相关支持判断法》，振动和扭振故障诊断采用《重合加权支持判断法》，这样在诊断时面对诸多影响因素，使真正原因突出，其他原因则因可信度不高而退于次要地位，明显确定故障原因。

所有故障均用下列代数表达式：

1-[(1-概率值1)×(1-概率值2)]=最终概率值

上述***软件是在DOS6.0以上版本软件环境下进行的。

本发明方法最终是通过用户界面完成的。

图8是本发明方法的用户界面集成图。分组文件菜单是本发明故障专家诊断方法的全部功能控制模块，画面上有数据采集，故障诊断，技术计算，标准查询等功能的肖像。当选中任一功能肖像时，***立即进入所选中功能窗口下运行。在任一功能窗口下可继续根据需要打开下一层窗口，执行下一步的功能。***无论在任何一种功能下运行，每个画面都明确指示可选择的内容和项目。

诊断过程采用人机对话交互式诊断，计算机对各种可能的故障原因及相关的因素进行提示，操作者可以通过自己掌握信息进行选择，不确切信息可以不作回答，不论操作者任何选择，***都能作出诊断。但是，诊断结果与操作者输入信息的详细和准确程度有关。输入结果详细、准确，诊断结果可信度和命中率就高；输入信息不确切或很少，诊断结论就稍模糊些。

***有大量的画面，程序和文件，操作过程中还有很多诊断结果，计算结果，采集电机运行的各种参数和查询到的技术标准，所有这些都可用打印机打印出来。作为例子

图9为本发明方法的故障诊断操作程序框图。

图10为本发明方法的技术计算操作程序框图。

上述用户界面，利用菜单驱动，主要使用鼠标操作，操作简单，使用方便，窗口层次清晰，画面易于理解。近端计算机4使用OPTIMA144型Modem调制解调器和电话线组成的远程通讯6与远端计算机5连接，进行通讯。远端计算机5位于距离现场几公里以外的诊断室内。

远端计算机5与近端计算机4具有相同的配置、结构、功能和操作方法。

Claims (7)

1、一种直流电机故障专家诊断方法，其特征是，通过各类传感器和检测单元1、电控柜2，数据采集装置3，近端计算机4，远端计算机5和远程通讯6，实现电机换向、绝缘、振动、湿度和温度、电流、电压、转速等运行参数和状态参数的现场和远程数据采集和监视，故障诊断，技术计算，标准查询，数据显示和记录。

2、根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述的振动数据采集是通过测振传感器7，变送器8，模拟量光电隔离模块9和高速数据采集板10，将采集数据存放在Micro DAC控制器的缓冲区内，等待计算机取走。

3、根据权利要求1所述的专家诊断方法，其特征在于，专家***开发工具采用商用专家***开发工具Exsys开发软件，将专家知识通过Exsys推理机，人机对话进行振动和扭振故障诊断。

4、根据权利要求1所述的专家诊断方法，其特征在于，电机换向、绝缘、振动和扭振，分别采用《相关支持判断法》、《分类故障剔除法》、《常发故障排队法》和《重合加权支持判断法》提高故障诊断命中率。

5、根据权利要求1所述的专家诊断方法，其特征在于，电机换向参数计算，绝缘寿命推算是由计算机内知识库储存的计算式集，通过用户界面选用技术计算，再输入电机的规格、性能参数，主要几何尺寸后，执行计算，并可打印结果。

6、根据权利要求1所述的远程通讯，其特征在于，通过使用OPTIMA144型MODEM调制解调器和电话线，使近端计算机与远端计算机连接，进行远距离通讯，实现远程故障诊断以及状态监视。

7、根据权利要求1所述的标准查询，其特征在于在数据库中存有有关直流电机的国内外各类标准以便随时调出，供观察、查询并可打印输出任何标准。

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