利用智能变频器实现工况监测

随着新千年的到来，我们目睹了技术的深刻变化，迎来了数字世界全新的工作方式。这就是第四次工业革命。第一次工业革命发生在 18、19 世纪，蒸汽机的发明引发了一场机械革命。19 世纪末 20 世纪初，随着大规模生产、电气化和通讯的改变，第二次工业革命展开。这一时期也被称为电气革命时代。20 世纪后期，第三次工业革命带来了半导体、计算、自动化领域和互联网的进步。这一阶段也被称为数字革命。

第四次工业革命是在数据和机器学习的推动下，计算机、人和设备相融合的产物。虽然“工业 4.0”这个词相当模糊，但可以将工业 4.0 定义为，利用整个价值链中所有的数字化可能性，实现人、设备和系统的智能联网。

在工业 4.0 的影响下，电机系统和楼宇管理系统由“自动化金字塔”向“网络化系统”转变。这意味着系统的各个部分，如电机、变频器、传感器和控制器等相互连接并连接至云端 — 云端是存储、处理、分析数据和制定决策的数据中心。

在自动化网络中，数据量至关重要。由于数据主要由传感器产生，因此现代自动化系统中的传感器数量与日俱增。电机以及风机、泵和输送机之类的从动机并非数据网络中最显著的要素。因而，需要通过传感器来收集这些机器的数据。传感器通过各种方式连接到数据网络，以充分利用这些数据。在引进先进的工况监测系统时，传感器和连接性的额外成本常常被视为障碍。

而现代变速变频器在工业 4.0 自动化网络和楼宇管理系统中开拓了新的机遇。人们通常认为，变频器就是控制电机、风机、输送机和/或泵速度的动力处理器。而今，变频器也是信息链的一部分，要充分发挥变频器内置处理能力、存储容量和通信接口的优势。

有以下几种不同的维护策略：

• 纠正性维护：产品出现故障后，进行更换。
• 预防性维护：在发生故障之前更换产品，尽管未收到产品的通知。
• 基于工况的维护：如产品的实际使用寿命与预期使用寿命不同，产品会发出警告，并指出可能的根本原因时。
• 预测性维护：在达到指定的操作时间之前，产品会发出警告，以便启动服务措施。

修复性和预防性维护是根据故障（事件）或时间进行的。因此，是在出现故障（修复性）或达到预先设定的操作时间（预防性）后予以维护。这些类型的维护不使用来自实际应用的任何反馈。

随着工业 4.0 的到来和传感器数据的可用性，现在可以实现基于工况的维护和预测性维护。此类维护策略使用实际的传感器数据，确定现有设备的状况（基于工况的维护）或预测未来的故障（预测性维护）。

基于工况的维护是基于实际应用数据的最简单、最直观的维护技术。利用获取的数据监测现有设备的健康状况。为此，要选择关键参数作为识别发展性故障的指标。设备状况通常会随着时间的推移而下滑。P-f 曲线表明了典型的下滑模式。设备不能执行预期的功能时，就会发生功能故障。基于工况的维护就是要在故障真正发生之前检测潜在的故障。

规划维护操作的优点

• 减少停机时间
• 避免意外停产
• 优化维护
• 减少备件库存

基于工况的维护其中一个组成部分就是监测设备状况。在变速应用中，应用的工况通常取决于速度。例如，速度越高，振动水平越高，虽然这种关系不是线性的。在特定的速度下甚至会发生共振，速度提高后，共振又会消失。

使用独立的系统来监测变速应用的工况非常复杂，需要知道速度及与速度相关的监测值。有利的解决方案就是使用变频器进行工况监视（“变频器作为传感器”或“变频器作为传感器中枢”），因为变频器中已经有了应用的速度信息。此外，在变频器中很容易获得关于负载/电机转矩和加速度的信息。

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而今，变频器不仅仅是简单的动力处理器。变频器能够用作传感器和传感器中枢，处理、存储和分析数据，并具有连接功能，是现代自动化系统中的重要元素。

自动化装置中往往已经配备变频器，这为升级为工业 4.0 创造了大好机会。

由此带来了执行维护的全新方式，例如基于工况的维护。有些变频器已经具备上述功能，先行者也已开始将变频器用作传感器。