導語：變頻器的使用已經經歷了半個多世紀，其主要優點是降低了電能的消耗。隨著工業4.0的發展，變頻器的作用從純功率處理器件轉變為了自動化系統的智能元件。變頻器能夠用作智能傳感器，使其成為實施工況監測時的一種自然選擇。在本文中，我們將介紹如何將其用于供水和污水處理應用。
1 用于供水和污水處理應用的變頻器新功能
作為功率電氣轉換的變頻器已經使用了半個多世紀，今天，超過20%的電機采用了變頻器進行驅動。使用變頻器的主要原因在于降低了能源的消耗。然而，在供水和污水處理應用中采用變頻器還有其他原因，如工藝控制（保持恒定的水壓，從而避免高壓引起的泄漏）、避免水錘或優化水井開采等。
自從引入微處理器來控制變頻器以來，在原有功能功率處理基礎上增添了其他功能。例如，變頻器能夠在污水處理應用中控制泵的運行，能夠進行多泵控制，以及繞過某些頻率以避免共振。在工業應用中，通過將運動控制集成在變頻器中，變頻器正在接管越來越多的PLC功能。工業4.0的發展，在這些附加功能的基礎又帶來了新的飛躍。工業4.0具有信息和互聯功能，所以我們開始將變頻器用作智能和網絡傳感器。
圖1 工業4.0意味著從自動化金字塔向網絡化系統的過渡
2 電機和變頻器系統中的工業4.0
工業4.0是一個通用術語，其含義為第四次工業革命，其特征是萬物互聯（繼第一次工業革命——機械化，第二次工業革命——電氣化和第三次工業革命——自動化之后）。雖然這個詞有些模糊，但可以將工業4.0定義為：“利用整個價值鏈中所有的數字化可能性，實現人、設備和系統的智能互聯”。這種趨勢為電機系統帶來的影響在于，從所謂的“自動化金字塔”向互聯系統的遷移，參見圖1（左）。這意味著系統的各個部分，如電機、變頻器、傳感器和控制器等相互連接并連接至云端——在云端存儲、處理、分析數據和制定決策，參見圖1（右）。
圖2 變頻器用作傳感器
3 變頻器用作傳感器
在變頻器應用中，變頻器內置微處理器和總線通訊選項，再結合電流和電壓傳感器，開辟了一些新的應用機會。此外，還可以幾乎沒有任何成本地連接更多傳感器（如振動和壓力傳感器）。因此，變頻器可以用作工況監測智能傳感器（圖2）。這些信息數據提供了各種應用，例如系統優化、能效優化和基于工況的維護。下一節我們將探討傳感器集成和基于工況維護的一些例子。
4 嵌入式工況監測
工況監測是一種用于監測設備運行狀況的技術。為此，要選擇關鍵參數作為表征故障的指標。設備狀況通常會隨著時間的推移而變差。圖3顯示了一種典型的下滑模式，也稱為PF曲線。設備無法提供預期功能時，就表示發生了功能故障?；诠r維護的理念是，要在故障真正發生之前檢測出潛在故障。這種情況下，可以在功能故障之前規劃維護措施，其諸多優勢如下：縮短停機時間，避免非預期生產停止，維護優化，備件庫存降低等。
圖3 表示功能故障之前部件工況的P-F曲線。
4.1振動水平監測
許多機械故障都會產生某種振動，例如軸承磨損、軸不對中、不平衡等。因此，振動監測已成為監測旋轉設備的成熟先進技術。監測方法有很多種，從基本的簡單監測到高度復雜的監測。一種廣泛使用的方法是振動速度RMS監測。該方法基于振動傳感器所測量振動信號的RMS值。許多機械故障都對振動RMS有顯著的影響，例如不平衡、軸不對中和松動。然而，變速應用中的挑戰是振動與實際轉速的相關性。機械共振是典型的例子。機械共振總是存在的，監測系統必須以某種方式來進行應對。通常，故障檢測級別會設置為最壞的情況，以避免誤報。這就降低了沒有共振的轉速區域內的檢測精度。
如果為變頻器安裝并連接一個合適的振動變傳感器，變頻器則可以將傳感器信號與轉速等變頻器內部信號，或者與應用相關的其他信號相關聯，從而提供先進的監測。變頻器可以早期檢測故障，并提供關于系統運行狀況的交通燈信息（參見圖3），以防止功能故障?？梢栽谙乱粋€可能的維護中斷之前，系統仍然可以繼續運行的同時，提前準備和安排維護。
正常和故障狀態下的振動水平還取決于傳感器的類型、位置和安裝。此外，它還隨著要監測的實際應用而變化。因此，需要一個學習期。這可通過不同方式實現。第一種方法是學習運行初期的正常振動水平。即在應用正常運行的同時，變頻器學習振動，而不影響運行。
收集到足夠的數據時，變頻器開始監測振動。第二種方法，變頻器可以執行識別運行。這種情況下，變頻器以收集足夠多數據的方式控制電機。使用第二種方法的可能性取決于具體的應用。例如在供水系統中，泵在調試時不允許全速運行。
我們構建了一個測試裝置來演示該功能。本次測試范圍內的故障是電機軸不對中。軸不對中會增加軸承的機械載荷，從而降低軸承的使用壽命。此外，還會產生振動，從而可能在系統中產生二次效應。不對中的早期發現和校正可以延長軸承的使用壽命，避免停機。
圖4 感應電機驅動小型泵的測試裝置。安裝在基板上電機旁邊的振動傳感器（黑色/橙色）。
圖4顯示了一個驅動小型泵的感應電機測試裝置。使用紅色手柄稍微抬高基板，可以產生一個角誤差。在電機的基板上安裝了一個振動傳感器來演示這個概念。4-20mA傳感器模擬信號已連接至變頻器的模擬輸入。
圖5 兩種場景下的測試數據（振動RMS值(mm/s)與轉速RPM）：無故障（黑色，“基準線”）和故障（綠色，“偏離線”）
圖5顯示了測試結果示例。顯示了在兩種場景下測量的振動(mm/s)與電機轉速(RMS)的關系。在第一種情況下，系統運行狀況良好。在此狀態下，執行了基線測量。根據測量的基線確定警告和報警閾值。對于故障場景，使用紅色手柄稍微抬高電機基板，產生了軸不對中，參見圖5，故障狀態下測量的振動以綠色顯示。
在上面的示例中，變頻器可以清楚檢測到此故障。對于其他應用，基線數據可能有所不同。通常，即使在正常狀態下，振動也與轉速相關。監測時甚至還需要考慮共振點。不平衡、松動等其他故障類型會產生不同的模式。
4.2 電氣特征分析
電機和應用的狀況也可以通過電氣特征分析來進行監測。這項技術已經研究了多年。早期的研究涉及直接在線機器，后面還研究了變頻器應用。隨著當今變頻器處理能力和存儲空間的增加，這些技術現在可以作為產品功能集成到產品中。
圖6 電氣特征分析
圖6說明了這一基本概念。故障狀態指標可以從電機電流和電壓信號中提取。電流和電壓的頻率分量可能與電機或應用故障有關，如軸不對中或定子繞組故障等。電流和電壓傳感器無論如何都是變頻器的基本部件。它們為控制電機提供必要的信號。這些信號可用于監測目的。因此，不增加額外的傳感器成本。信號處理和分析技術在這方面起著重要作用。
作為電機控制器的變頻器可以關聯特定的電流諧波等監測值，以及變頻器內的其他可用信息。例如，了解了控制器的狀態，變頻器就知道何時可以執行有意義的頻譜計算。與振動水平監測一樣，還可以將監測值與電機轉速、負載和其他相關過程數據（如水管中的壓力）進行關聯，以獲得更準確的故障信息。
4.3 泵中的負載監測
如上一節所示，變頻器會測量電機電流和電壓，其主要目的在于使用這些測量值來控制電機?；倦娏骱碗妷簻y量值用于計算電機功率、能量、實際電機轉速或轉矩等各種參數。這些值可可用于監測泵等設備的電機負載。
在負載取決于電機轉速的應用中，轉矩估計值可用于確定過載和欠載偏差。在基線期間，變頻器“學習”負載的正態分布，或負載包絡。與之前功能一樣，也存在與電機轉速之間的關聯性。監測過程中，變頻器可以檢測過載和欠載情況，這可能是由于泵應用中的故障導致的，如：污垢、砂化、葉輪破裂、磨損或其他。在空氣壓縮機中，它可以檢測泄漏，在風扇應用中，它可以檢測空氣過濾器堵塞。簡而言之，任何對負載有影響的異常情況都可以通過這種方式監控。
執行工況監測變頻器的障礙是價格。在過去，只有關鍵系統才會配備工況檢測，而現在，在不那么關鍵但仍然重要的應用中，變頻器也可以完成此任務。
希臘佩特雷的喜力啤酒廠就是一個例子。它的容量為340萬升，正在其污水廠進行工況監測試點。在廢水處理方面，它使用了兩臺壓縮機，功率為132千瓦。電機由2臺VLT®AQUADriveFC202變頻器控制，以監測電機和繞組的振動。
“在這種情況下，調試是相當容易的。我們升級了控制卡并啟用了SW許可證。第二步是安裝Hansford振動傳感器，設置CBM參數，并啟用對電機繞組、振動和負載包膜的監測?！钡し鹚巩a品經理VirgilLupu說道。
“該項目一開始的目的是了解丹佛斯公司利用新的基于工況的監控功能可以提供什么，同時體驗這些新的可能性，為未來創造新的策略。對喜力來說，檢測這些壓縮機非常重要，如果系統出現故障，當局可以關閉啤酒廠?！钡し鹚谷虼罂蛻艚浝鞷enéGrywnow補充。
5 結束語
工況監測可用于實現基于工況的維護——這是從修正性和預防性維護的演變而來的。但是工況監測依賴于傳感器數據；安裝額外的傳感器可能非常昂貴。然而，如果應用中已經使用了變頻器，則這是一個有價值的數據源，可以用于工況監測，節省不必要的費用。
