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基于模型的设备状态监测诊断系统MCM介绍1．MCM技术背景基于模型的状态监测诊断核心专利技术源于二十世纪八九十年代期间美国NASA科技项目的研究成果，最先应用于航天飞机主发动机，直升飞机发动机和气体透平。在2000年，应用了这一科技成果的MCM电动机状态监测器被美国《控制工程》杂志评为40个最好的产品之一并获奖。MCM电动机状态监测器应用于三相系统的预测维修，包括电动机、发电机、变压器以及它们驱动的设备或过程。MCM只通过连续在线监测电压和电流信号，就可检测潜在的机械和电气失效，提供日益恶化的机器和过程状态的早期警告，同时提供诊断结论信息。因此，MCM具有维修日程计划的能力，能够预防非计划停机和提供设备利用率。2．MCM基于模型的监测诊断原理基于模型的故障检测和诊断技术与振动和电流特征分析在基本原理上有着根本的不同。这个技术将电动机、被驱动设备和过程作为一个系统对象，三相电压作为系统输入，三相电流作为系统输出。MCM采集和处理实时电压电流信号，利用系统识别的方法计算出系统动态行为和模型参数，模型参数作为被监测的状态参数，其变化将指示系统的异常状态发生。MCM方法的主要原理是将机器或过程的数学模型的动态行为与测量的动态行为相比较，如图1所示。图1数学模型与实际系统的比较图中，u(n)是对数学模型和实际基于电动机的系统的输入电压，它是测量的电压。y(n)对应基于电动机的系统的输出，它对应测量的电流。v(n),是由模型计算出的电流。y(n)-v(n)是测量的和计算出的电流的差。模型由一组微分方程式组成，描述电动机的电动机械行为。从系统中采集的实时数据用系统识别算法进行处理，计算模型参数。驱动机械或过程的电动机被当作一个传感器，电动机以及基于电动机的系统发生的故障，或影响系统运行的异常状态，也影响模型参数。MCM首先通过采集和处理电动机数据学习基于电动机的系统一段时间，确定三相系统在各种变化条件（如负荷）下的动态行为（模型），处理数据的结果被存储在数据库中，建立一个参考模型，这个参考模型基本上由模型参数、它们的均值及其标准方差组成。当进行正常监测时，MCM处理采集的电动机数据，将测量的系统动态行为结果数据与存储在内部数据库中的数据比较，如果从采集的数据得到的结果与参考模型差别较大，MCM指示一个故障等级，等级是由差别的幅值和持续时间确定的。3相感应电动机3相感应电动机输入比较比较报警等级测量输出估计输出数学模型数学模型正常检查电源检查负荷1级报警2级报警3相感应电动机3相感应电动机输入比较比较报警等级测量输出估计输出数学模型数学模型正常检查电源检查负荷1级报警2级报警第1页图2.MCM报警等级划分MCM方法评价的是原因-结果（输入-输出）关系，它不受环境噪声或输入噪声影响，预期的和实际的行为差别过滤出和增强的仅仅是系统产生的异常，因此它允许早期和准确地报警。另外，对模型参数的进一步处理可用于系统故障诊断。这是一个只测量三相电压和电流，不需要知识库或档案，不需要专家人员，不需要耗时的数据采集和分析，而能提供全面的（机械和电气以及被驱动系统过程）故障覆盖的专家系统。有关MCM诊断能力的进一步论述参见第4节。STOP二级报警需要进行维修PERFORMMAINTENANCE一级报警做维修日程计划，检查：不平衡–不对中–轴承/轴承座–电机轴-断条–定子线圈绝缘-过润滑和润滑油封泄漏被驱动设备机械问题(齿轮箱，压缩机，风机，泵，轧机，传送机等等)–风机叶片摩擦和断裂-泵密封破坏–不正确传送带张力问题-.....等WATCHLOAD过程变化如果过程没有明显改变，检查：泄漏–阀&叶片调整-压力计故障–压力计–过滤器(风机，压缩机)OKWATCHLINE供电电压异常变化电源电压的临时变化引起，如果报警不消失，检查：谐波–电容器–电缆绝缘-电动机连接器或端子松动-接触器的接触测量测量计算参数计算参数带有新数据的数学模型带有新数据的数学模型测量测量计算参数计算参数存储结果存储结果电流电压根据默认的循环数重复该过程为状态良好的电动机建立模型为状态良好的电动机建立模型比较模型参数比较模型参数OK检查电源检查负荷报警-1报警-2学习阶段监控第2页3．MCM基于模型的方法的优势易安装：工业标准的电流和电压互感器可用作传感器，这些传感器是便宜的，易于安装，并且电气维护人员非常熟悉它们。MCM可用于任何由电动机驱动的系统，由于传感器和监测单元通常安装在控制柜，MCM不需要接近被监测的系统。易于使用：专家系统的方法使得MCM可以自动建立一个数据库，并监测模型参数的变化。故障的严重程度由仪器本身以一个简单和直觉的比例刻度给出，它不需要受过培训和专业工程师的专家知识。重复性：MCM数据是高度可重复的，外界或背景影响不会干扰MCM对系统的监测能力。全面的故障覆盖：使用一台仪器就可以监测电气和机械故障。提前报警：由于采用专家系统的方法，门限值不受系统运行状态的影响。因此MCM提供早期和准确的报警。集成到工厂自动化系统：MCM单元很容易通过标准网络电缆连接到外部采集系统进行连续监测，结合其简单的故障指示方法，使得MCM成为一个理想的工厂自动化系统单元。4．系统设计a)被测电动机设备被监测电动机四台机组的引、送、一次风机电机等关键辅机装置24台关键设备。每台机组共6台辅机分别是：两台引风机电机两台送风机电机和两台一次风机电机。b)系统组成#1机组配电室#2机组配电室RS485节点#1,服务器节点#2工厂局域网引、送、一次风机电机MCMSCADA状态监测报警，诊断信息MCMSCADAMCM6台MCMSCADAMCM6台RS485#1机组集控室#2机组集控室第3页如上显示的基于模型的设备状态监测系统由2个监测节点组成，每个监测节点由6个高压MCM监测器，1台监测工作站和1套MCMSCADA监测软件（最多可支持10个MCM模块）组成，两个节点通过我厂局域网连接成远程监测诊断系统。配电室内电机开关各对应一个监测模块，它们通过RS485现场总线分别连接到集控室的监测计算机工作台，RS485总线通过RS485-RS232转换适配器连接计算机的RS232端口。监测计算机直接连接到我厂局域网，监测计算机和网络上的其他计算机安装MCMSCADA软件，用于本地或远程诊断设备状态和故障监测分析。设定两台监测计算机工作站中的一台为服务器，存储历史数据，提供其他计算机的数据访问服务，以及发送Email报警信息。系统配置清单如下：序号型号产品名称数量1MCM01H-E-LMCM电动机状态监测器，高压122MCMSCADA-10远程监测和控制软件（支持10个MCM）23ART-MCM0001RS232-485转换接口24Precision390DELL计算机工作站2c)MCM的输入接线注意：高压PT需要3只，我厂可用6KV段PT的备用端子即可。对CT和PT的技术要求如下表：电流互感器CT电压互感器PT二次电流：5A，0.5级中/高压：IEC1851987，ANSICS71978二次电压：100V，0.5级中/高压：IEC1861987高压电动机连接图第4页d)MCM的工作模式MCM监测器是96x96x163mm方形机箱，适用于安装在控制柜面板上，仪器的LCD屏幕显示选择的物理量，状态报警信息既可显示于LCD也显示于仪器前面板LED。MCM有六种不同的工作模式:IDLE（闲置）:这是MCM的编程模式，在该模式下MCM是完全被动的并可以为一台特殊的电动机进行编程，例如象额定电流、额定电压等电机名牌值可以利用MCM前面板的键盘输入到MCM中。CHECK（检查）:在该模式MCM采集一次数据并处理该数据来计算物理参数(电流和电压的有效值rms、功率因数、有功功率等)、建模错误、电压和电流相序，然后把这些值和在编程模式下获得电机名牌值相比较，如果电机名牌值和这些测量值存在矛盾或相序不正确就会给出一个报警。在让MCM处于学习模式之前利用检查模式去探察是否MCM自身或其接线存在问题。LEARN（学习）:该模式根据一个预设的循环数字(默认值是4000)连续工作，在此期间MCM创建一个数学模型并对信号进行归类。IMPROVE（改进）:当学习阶段结束后该模式立即启动并且再次根据一个预设的循环数字(默认值是8000)持续工作，在此期间MCM在每个循环都更新该数学模型。RUN（运行）:在该命令下,MCM先启动学习模式,之后继续到改进模式并最终自动开始监控，这是MCM的自动工作模式。MONITOR（监控）:学习阶段结束后,MCM进入监控或测试阶段，在该阶段MCM根据每个新的数据组形成相应的新模型并且把新模型的参数和在学习阶段获取的模型参数相比较。因为在学习阶段获得的模型是一个统计的模型,所以这个比较也是统计性的。MCM也对电动机实际的电流和来自模型的电流进行比较，依靠这些比较MCM为用户产生报警信号。RESUME（恢复）:在任何工作模式下MCM都能被置到到Idle（闲置）模式，如果在Idle模式给出Resume命令，MCM将回到它原来离开的任何模式点。UPDATE（更新）:MCM可能学不到电动机的所有运行工况.如果此时MCM正处于监控模式而我们希望它能够学到一定的运行工况，只要简单的给出Update-更新命令即可实现,MCM将在一个预设的循环数(默认值是1500)中来更新该数学模型，当更新完成后将会自动进入监控模式。e)MCMSCADA软件主要功能MCMSCADA软件用于观察和显示来自MCM的实时数据，对MCM进行设置，存储和调用数据库数据。数据库的数据可在TCP/IP网络上进行共享，因此，通过局域或广域网可以进行远程监测和诊断。软件功能包括：趋势分析和诊断提供故障状态，诊断以及在选择时间内的有关运行参数的报告综述。得到机械参数的频率间隔并确定对应的故障，例如轴承、不平衡、松动、等等并呈现给用户。为能源消耗获得的平均值(电压，电流，有功功率，无功功率和功率因数)电源供电质量(THD，谐波，电压不平衡和电流不平衡)第5页可以在报警产生时通过e-mail按一定的时间间隔自动发送报告。工厂中基于电动机的设备和过程的利用、状态和参数可以从远程几个不同的计算机进行监测。5．MCM的监测诊断能力a)全面系统地故障覆盖MCM利用基于模型的故障检测和诊断技术。利用这项技术，对三相系统在变化的状态下（例如负荷）的预测动态行为（模型）进行确定，并与测量的动态行为相比较来监测异常变化。MCM首先通过采集和处理系统的实时数据一段时间，用系统识别算法处理数据计算预测动态行为和模型参数，系统参数的变化指示常发生，对这些参数的进一步处理用于诊断。与传统的振动和电流特征分析相比，这个方法利用原因－效果（输入－输出）关系，因此消除环境噪音或输入噪声的影响，同时预测的和实际行为之间的差别滤出和增强仅仅由系统产生的异常信息，允许早期和准确地报警。专家系统的方法不需要数据库或纪录保存，专家人员，耗时的数据采集和分析，尽管只测量电压和电流，它提供全面的（机械和电气的，以及被驱动系统的）故障覆盖。MCM将电动机作为设备的传感器，因此影响电动机或三相系统的也会被MCM感知到。MCM首先通过采集和处理电动机数据学习基于电动的系统一段时间，数据处理结果被存在MCM的内部数据库，并建立一个参考模型。这个参考模型一般由模型参数、它们的均值及其标准方差组成，当进行监测时，MCM处理采集的电动机数据并将结果与存贮在其内部数据库进行比较，如果从采集数据获得的结果与参考模型有较大差距，MCM指示一个故障等级，故第6页障的等级由这一差别的幅度和待续时间确定。b)明确的诊断信息MCM监测和比较22个不同的参数（模型参数），这些参数被分为三组，电气参数、机械参数和适和参数，下面章节进行详细解释。i.电气诊断第一组中有8个参数，叫做电气参数；它们是等效网络参数，与电动机的物理参数有关，如电感、电阻，等；它们对电动机的电气故障敏感。MCM评价和分析任何时刻的模型参数与在学习阶段获得的相同参数的均值之间的差别，这些差别被归一化相对于学习阶段获得的标准方差