CN1111285C - 直流电机故障专家诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电机故障专家诊断方法，采用计算机和系统开发工具，功能模块包括推理机、知识库、数据库，系统开发工具采用Exsys专家系统，其诊断过程包括：数据采集、信号显示及数据处理、人工输入信息、状态识别和故障诊断。计算机显示器显示采样画面，即时状态参数和时域波形，当状态参数超限时自动报警；根据输入的各种状态信息，计算机调用其内部的功能模块对各种状态进行识别，实现对直流电机的换向、绝缘、振动或扭振故障的诊断，作出解释。本方法能够对直流电机各种类型的91种故障进行诊断，并对电机进行在线状态监视。

Description

直流电机故障专家诊断方法

技术领域：

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采集数据和专家知识对直流电机进行运行参数和状态参数采集、监视和故障诊断等的方法。

背景技术：

日本《东芝评论》杂志1987№5《东芝大型直流电动机诊断用专家系统》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”也即系统开发工具，该“外壳”应用图表处理语言LISP-7，建立有推理机、知识库和数据库。推理知识的叙述有三种：演义推论、归纳推论和确定对策。知识库根据MYEXPERT-II知识库编辑器移植知识网络来构成。根据监测系统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。该专家系统能对直流电机进行换向和线圈的故障诊断以及异常扭矩的判断，共计40种。包括该专家系统在内，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。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够对直流电机各种类型的91种故障进行诊断，对电机进行在线状态监视，并能对电机的电磁参数、换向参数和绝缘寿命进行计算及实现远程故障诊断的直流电机故障专家诊断方法。

本发明的目的是这样实现的。

一种直流电机故障专家诊断方法，采用计算机和系统开发工具，功能模块包括推理机、知识库、数据库，系统开发工具采用Exsys专家系统，诊断过程如下：

1)数据采集：通过安装在电机内的传感器测得有关换向火花、绝缘电阻、振动、温度、湿度类状态参数信号并从电控柜测得电流、电压、转速类运行参数信号；

2)信号显示及数据处理：计算机显示器显示采样方式画面，即时状态参数和时域波形，当状态参数超限时自动报警，并可根据需要对状态参数进行数据处理；

3)人工输入信息：通过用户界面以人工对话方式输入直流电机故障诊断需要的其它信息；

4)状态识别和故障诊断：计算机根据各种状态信息，调用其内部的功能模块对各种状态进行识别，实现对直流电机的换向、绝缘、振动或扭振故障的诊断，作出解释。

所述的振动参数的采集过程中，对测振传感器测得的振动信号进行隔除直流和光电隔离处理后，进入高速数据采集板。

所述的绝缘电阻参数的采集是以离线方式在电机停机状态下进行的，对绝缘电阻的极化指数P·I的检测。

所述的扭振故障诊断过程为：将所记录的电机扭振实际时域波形与知识库功能模块中存储的典型扭振图谱进行对照，人工输入征兆，系统即可得出诊断结果；通过进一步的动力学分析，计算出扭振时的力矩放大倍数(TAF)，确定其危害性。

所述的知识库功能模块中存储有计算式集，通过用户界面输入电机规格、性能参数、主要几何尺寸后，可对电机的换向性能参数、电磁参数进行计算，输入运行参数后，可对电机的绝缘寿命进行推算。

所述的计算机为近端计算机，通过近端计算机将数据采集获得的状态参数和运行参数，传输给远端计算机，实现远程故障诊断及状态监视。

本发明与现有技术相比所具有的优点在于：利用数据采集取得诊断所需的状态信息和运行信息，通过人机界面进行人机对话输入直流电机故障诊断所需但又无法通过传感器和数据采集直接输入计算机的故障信息和征兆，为诊断提供更详细和确切的数据、征兆和依据，提高了诊断的可信度和命中率。即时状态参数和时域波形显示及状态参数超限时自动报警功能，实现了对电机的在线状态监视，能够早期发现故障征兆，及时迅速地对故障作出诊断，减少事故停机的发生率，降低维护费用。特别是本方法所实现的对电机电磁参数、换向参数和绝缘寿命进行计算及远程故障诊断，能够同时满足现场维护和高一层次设备管理的需要。

附图说明：

图1为本发明方法的系统组成图。

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原理图。

图4为本发明方法的温度检测原理图。

图5为本发明方法的湿度检测原理图。

图6为本发明方法的绝缘电阻检测原理图。

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框图。

图10为本发明方法的技术计算操作程序框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作进一步论述。

本发明方法的系统组成图，见图1，主要由安装在直流电机各个部位的上检测状态的检测单元也即传感器1、检测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。传感器1、电控柜2和数据采集装置3是获得即时状态参数和运行参数的设备，根据工作原理，其构成可分为传感器和变送器、信号转换与处理、以及电源系统三个组成部分。其主体是一个模块化的数据采集系统(Micro DAC)，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，系统内每一个检测单元均由一个独立模块控制。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、变送器和其他检测装置送入各对应的检测模块，模块首先根据不同的信号将其作滤波、缓冲、调理、放大等预处理，然后将信号作V/F转换，再将转换后的脉冲信号作光电隔离处理，光电隔离处理后的数字量信号传送至数据采集装置的控制器(Micro DAC Controller)的缓冲区存放，等待近端计算机来读取数据。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、均方根值数据。

数据采集装置3与近端计算机4以RS422方式进行数据通讯，两者之间由一根四芯屏蔽电缆或两对双绞线相连接。数据采集装置3根据计算机的采样指令进行数据采集，通过通讯接口将数据传送至近端计算机4。

近端计算机4是一个具有完整故障诊断功能的系统，由主机、键盘、鼠标、CRT、打印机组成。主机主频90MHZ、内存16MB、硬盘1000MB，配有3.5英寸软盘、4倍速CD-ROM，以及声卡、视卡等多媒体配置；内部结构由数据库、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。远端计算机5位于距离现场几公里以外的诊断室内，与近端计算机4具有相同软硬、件配置、结构、功能和操作方式。近端计算机4采用OPTIMA144型调制解调器和电话线组成的远程通讯6与远端计算机5进行通讯，将由数据采集装置3获得的状态参数和运行参数，以数据文件方式传输给远端计算机，实现远程故障诊断及状态监视。

图2为本发明方法的振动检测原理图。其数据采集装置主要由测振传感器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内的敏感元件承受振动而产生电压信号，这一电压信号与振动波形完全相同，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，此时在变送器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离了直流成分，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处理。

本发明方法中数据采集装置的电压量输入参数检测原理，见图3。电压量输入参数是从电控柜上取得的标准直流电压信号，直接进入对应的模拟量直流电压输入模块11，在模块11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。

本发明方法中数据采集装置的温度检测原理，如图4所示。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。

本发明方法中数据采集装置的湿度检测原理，如图5所示。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、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。

本发明方法数据采集装置的绝缘电阻检测原理，如图6所示。绝缘电阻的极化指数P·I的采集是以离线方式进行的，即检测必须在电机停机状态下进行。绝缘检测仪表24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，Micro DAC的开关量输出模块21输出一开关量，接通继电器22的继电器线圈回路，使继电器22和23吸合，绝缘检测仪表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，将检测数据输入至Micro DAC控制器，记录绝缘电阻值；测量继续进行，到达10分钟时，记录10分钟时绝缘电阻值，再计算10分钟绝缘电阻值与1分钟绝缘电阻值之比，即为绝缘电阻的极化指数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终止开关量输出，使继电器22和23失电，绝缘检测仪表24停止工作，并同时打开测量回路，检测结束。

本发明直流电机故障专家诊断方法的诊断工作过程如下：

1)数据采集：根据诊断项目的需要，计算机发出的采样指令，数据采集装置根据采样指令指定的方式进行采集后，将数据存入数据采集装置的缓冲区，然后通过通讯接口以数据通讯方式传输给近端计算机；

2)信号显示及数据处理：近端计算机显示器上显示采样方式画面，即时状态参数和时域波形，当状态参数超限时自动报警，也可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，对振动信号进行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，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，需通过用户界面以人工对话方式输入，以次为故障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：计算机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，实现对直流电机的换向、绝缘、振动或扭振故障的诊断，作出解释包括故障原因和处理意见等，并打印成诊断报告输出；

知识库功能模块中存储有计算式集，通过用户界面输入电机规格、性能参数、主要几何尺寸后，可对电机的换向性能参数、电磁参数进行计算，输入运行参数后，可对电机的绝缘寿命进行推算，打印输出计算或推算结果报告；

近端计算机可根据需要，将由数据采集装置获得的状态参数和运行参数，通过调制解调器和电话线，以数据文件方式传输给远端计算机，远端计算机以与近端计算机相同的方式进行状态识别和故障诊断，实现远程故障诊断及状态监视。同样可调用本身知识库功能模块中存储的计算式集，进行技术计算与推断，打印输出计算或推算结果报告。

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是语言编辑工具，Win Word6.0是显示和文件汉化软件，Dems-SKB是知识库等的应用软件，Vborog是供数据采集用(包括压缩和非压缩)应用软件，Dems Main是系统主应用软件，包括数据采集、故障诊断、技术计算、数据建立、知识库等全部应用软件，Exsys是系统开发工具并存有全部规划的27个知识库。选择Exsys专家系统开发工具，形成电机换向、绝缘、振动、扭振故障诊断知识库。因为Exsys专家系统开发工具的知识库、推理机规划的组成是使用产生式规则的方法，将建立人工智能专家系统的复杂过程，简化成通过人机对话输入知识和经验的过程，而且通过人机对话能够非常方便地修改、编辑知识库规则，解决了知识库的可靠性、可维护性和方便增删等问题。所以电机换向、绝缘、振动、扭振故障的诊断，能够分别采用本领域专家在进行故障诊断时常用的《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》，使得在诊断时面对诸多影响因素，能够使真正的原因突出，其它原因则因可信度不高而退于次要地位，明显确定故障原因。

所有故障的概率均采用下列代数表达式计算：

1-[(1-概率值1)×(1-概率值2)]＝最终概率值

上述系统软件是在DOS6.0以上版本软件环境下运行的。

本发明方法最终是通过用户界面完成的。图8为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、技术计算等功能的肖像。当选中任一功能肖像时，系统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，执行下一步功能。系统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的信息进行选择，不确切的信息可以不作回答，不论操作者任何选择，系统都能作出诊断。但是，诊断结果与操作者输入信息的详细和准确程度有关。输入信息详细、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。

系统有大量的画面、程序和文件，操作过程中还有很多诊断结果、计算结果，采集电机的各种参数和查询到的标准，所有这些都能用打印机打印出来。

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。

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。

Claims (6)

1.一种直流电机故障专家诊断方法，采用计算机和系统开发工具，功能模块包括推理机、知识库、数据库，其特征在于系统开发工具采用Exsys专家系统，诊断过程如下：

1)数据采集：通过安装在电机内的传感器测得有关换向火花、绝缘电阻、振动、温度、湿度类状态参数信号，并从电控柜测得电流、电压、转速类运行参数信号；

2)信号显示及数据处理：计算机显示器显示采样方式画面，即时状态参数和时域波形，当状态参数超限时自动报警，并可根据需要对状态参数进行数据处理；

3)人工输入信息：通过用户界面以人工对话方式输入直流电机故障诊断需要的其它信息；

4)状态识别和故障诊断：计算机根据各种状态信息，调用其内部的功能模块对各种状态进行识别，实现对直流电机的换向、绝缘、振动或扭振故障的诊断，作出解释。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的振动参数的采集过程中，对测振传感器测得的振动信号进行隔除直流和光电隔离处理后，进入高速数据采集板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的绝缘电阻参数的采集是以离线方式在电机停机状态下进行的，对绝缘电阻的极化指数P·I的检测。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的扭振故障诊断过程为：将所记录的电机扭振实际时域波形与知识库功能模块中存储的典型扭振图谱进行对照，人工输入征兆，系统即可得出诊断结果；通过进一步的动力学分析，计算出扭振时的力矩放大倍数(TAF)，确定其危害性。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的知识库功能模块中存储有计算式集，通过用户界面输入电机规格、性能参数、主要几何尺寸后，可对电机的换向性能参数、电磁参数进行计算，输入运行参数后，可对电机的绝缘寿命进行推算。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的计算机为近端计算机，通过近端计算机将数据采集获得的状态参数和运行参数，传输给远端计算机，实现远程故障诊断及状态监视。

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