پیشنهاد جامع و یکپارچه رеле‌های محافظ هوشمند مبتنی بر میکروپردازنده برای موتورهای صنعتی

1. پیشینه پروژه و چالش‌های اصلی

در تولید صنعتی مدرن، موتورها به عنوان تجهیزات قدرت اصلی عمل می‌کنند که قابلیت عملکرد آن‌ها مستقیماً بر پیوستگی خط تولید، ایمنی و کارایی اقتصادی تأثیر می‌گذارد. با این حال، موتورها در طول عملکرد با چالش‌های متعدد و جدی مواجه هستند:

• شرایط غیرعادی عملکرد: مشکلاتی مانند توقف در حین راه‌اندازی یا عملکرد، از دست دادن فاز و عدم تعادل جریان سه‌فاز می‌توانند به سرعت منجر به خرابی تجهیزات شوند اگر به موقع رسیدگی نشود.
• ریسک‌های بیش از حد گرم شدن: بارگیری بیش از حد، خنک‌سازی ضعیف یا دمای محیط بالا می‌تواند منجر به گرم شدن پیچشی شود که عامل اصلی قدیمی شدن عایق و سوختن موتور است.
• نقایص محافظت: دستگاه‌های محافظت سنتی (مانند رله‌های حرارتی) دارای نقاط ضعف ذاتی مانند دقت پایین در قطع (±15٪ خطای) ، کارایی محدود و فقدان قابلیت هشدار مقدماتی هستند که آن‌ها را برای نگهداری هوشمند و تولید با قابلیت اطمینان بالا نامناسب می‌کند.

برای مقابله با این چالش‌ها، ما یک نسل جدید از رله‌های محافظتی مبتنی بر میکروپروسسور معرفی می‌کنیم که تکنولوژی حسگر پیشرفته، الگوریتم‌های ترکیبی چند پارامتری و پلتفرم‌های IoT را یکپارچه می‌کند.

II. مولفه‌های اصلی راه‌حل

این راه‌حل حول رله‌های محافظتی مبتنی بر میکروپروسسور با عملکرد بالا متمرکز است که از طریق یکپارچه‌سازی عمیق سخت‌افزار و نرم‌افزار محافظت جامع و پیش‌بینی‌کننده ارائه می‌دهد.

1. تکنولوژی محافظت ترکیبی چند پارامتری
   با فراتر رفتن از محافظت بیش از حد جریان سنتی، این تکنولوژی از تجزیه و تحلیل داده‌های چند بعدی برای دستیابی به قطع و هشدار دقیق استفاده می‌کند.
• محافظت بیش از حد جریان با زمان معکوس با دقت بالا: از الگوریتم‌های میکروپروسسور برای شبیه‌سازی دقیق مشخصات حرارتی موتور استفاده می‌کند و مقدار قطع ناهمگون رله‌های حرارتی سنتی را غلبه می‌کند. این امر منحنی‌های محافظت دقیق را تضمین می‌کند و از قطعات غلط یا عدم عملکرد جلوگیری می‌کند.
• محافظت عدم تعادل جریان سه‌فاز منفی: به صورت واقعی تعادل جریان سه‌فاز را نظارت می‌کند. وقتی عدم تعادل از آستانه تنظیم شده (مثلاً 15%) بیشتر شود، سیستم به صورت خودکار عدم تعادل یا عدم تعادل شدید را تشخیص می‌دهد و هشدار یا اقدامات محافظتی را برای جلوگیری از گرم شدن روتر و نوسان گشتاور فعال می‌کند.
• تجزیه و تحلیل طیف لرزش (اختیاری): حسگرهای لرزشی مجتمع تجزیه و تحلیل مشخصات طیفی باربر و مکانیزم‌های انتقال موتور را انجام می‌دهند و به طور موثر خرابی‌های مکانیکی مراحل اولیه مانند پوشش باربر، پیچ‌های سست و عدم ترازی را شناسایی می‌کنند. این امر محافظت الکتریکی و مکانیکی ترکیبی را امکان‌پذیر می‌کند.

نتایج کاربردی: در یک کارخانه پتروشیمی بزرگ در چین، این راه‌حل خرابی‌های موتور ناشی از مشکلات الکتریکی و مکانیکی را 67٪ کاهش داد و هزینه‌های نگهداری مرتبط را 42٪ کاهش داد.

1. سیستم پیش‌بینی و هشدار مقدماتی هوشمند افزایش دمایی
   از مدل‌های الگوریتمی پیشرفته برای جلوگیری از ریسک‌های گرم شدن قبل از وقوع استفاده می‌کند و از "اصلاح واکنشی" به "پیشگیری مقدماتی" تغییر می‌دهد.
• اصل کار: مدل حرارتی معادل موتور داخلی به صورت پویا افزایش دمای پیچشی و استفاده از ظرفیت حرارتی را با یکپارچه‌سازی جریان بار، داده‌های عملکرد تاریخی و ورودی‌های دمای محیط از حسگرهای خود محاسبه می‌کند.
• هشدار مقدماتی: اگر روند پیش‌بینی شده دمای پیچش به حد مجاز عایق نزدیک شود، سیستم 10 دقیقه قبل از وقوع هشدار مقدماتی می‌دهد که فرصت کافی برای مداخله عملگران، برنامه‌ریزی توقف مرتب یا تنظیم بار را فراهم می‌کند.

نتایج کاربردی: در یک کارخانه فولاد بزرگ، این عملکرد به طور موفقیت‌آمیز چندین سوختن موتور ناشی از خرابی سیستم خنک‌سازی و بارگیری ناگهانی را جلوگیری کرد. دقت پیش‌بینی دمایی در عمل 91٪ بود.

1. نظارت IoT بی‌سیم و تشخیص پلتفرم ابری
   امکان نگهداری دوردست و مدیریت دیجیتال را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی کارایی عملکرد را افزایش می‌دهد.
• انتقال داده‌های بی‌سیم: دستگاه محافظ از ماژول‌های ارتباطی شبکه گسترده-نیروی پایین (LPWAN) (مانند LoRa) برای ارسال بی‌سیم داده‌های عملکرد موتور جامع (جریان، ولتاژ، دما، هشدار، وضعیت) به پلتفرم ابری بدون نیاز به کابل‌بندی پیچیده یکپارچه می‌شود.
• تشخیص و نگهداری دوردست: مهندسان و مدیران می‌توانند از طریق کامپیوتر یا برنامه‌های موبایل به پلتفرم ابری دسترسی داشته باشند تا وضعیت سلامتی تمام موتورها را به صورت واقعی نظارت کنند، هشدارها و اطلاعات خرابی را دریافت کنند و تشخیص و تجزیه و تحلیل دوردست انجام دهند.
• استخراج ارزش داده‌ها: داده‌های تاریخی که در پلتفرم تجمع می‌یابند می‌توانند برای تجزیه و تحلیل روند تخریب عملکرد تجهیزات، بهینه‌سازی چرخه‌های نگهداری و اجرای نگهداری پیش‌بینی‌کننده استفاده شوند و پشتیبانی داده‌محور برای تصمیمات تولیدی فراهم کنند.

نتایج کاربردی: در یک کارخانه سیمان، مدت زمان پاسخ به خرابی‌ها پس از نصب سیستم نظارت IoT از 2 ساعت به کمتر از 15 دقیقه کاهش یافت. عملگران می‌توانستند به طور فوری اطلاعات خرابی و دلایل احتمالی آن را دریافت کنند و به طور قابل توجهی زمان رفع خرابی را کاهش دادند و توقف‌های غیرمنتظره را 58٪ کاهش دادند.

III. خلاصه مزایای راه‌حل

• دقیق‌تر: الگوریتم‌های میکروپروسسور ساختار مکانیکی را جایگزین می‌کنند و محافظت دقیق بدون قطعات غلط یا عدم عملکرد را تضمین می‌کنند.
• جامع‌تر: محافظت الکتریکی، حرارتی و مکانیکی را یکپارچه می‌کند تا محدوده گسترده‌ای از انواع خرابی را پوشش دهد.
• پیشگیرانه‌تر: هشدارهای پیش‌بینی‌کننده مبتنی بر مدل از وقوع حوادث قبل از وقوع آن‌ها جلوگیری می‌کند، نه پس از وقوع.
• هوشمندانه‌تر: معماری IoT امکان اتصال دستگاه‌ها، نظارت دوردست و تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ را فراهم می‌کند و به عنوان پایه‌ای برای تولید هوشمند و کارخانه‌های دیجیتال عمل می‌کند.