Kompleksowe zintegrowane rozwiązanie inteligentnych mikroprocesorowych urządzeń ochronnych dla przemysłowych silników elektrycznych

1. Tło projektu i główne wyzwania​

W nowoczesnej produkcji przemysłowej silniki stanowią kluczowe urządzenia napędowe, których niezawodność działania bezpośrednio wpływa na ciągłość, bezpieczeństwo i efektywność ekonomiczną linii produkcyjnych. Jednak podczas pracy silniki stają przed wieloma poważnymi wyzwaniami:

• ​Nienormatywne warunki pracy: Problemy takie jak zastojenie podczas startu lub pracy, brak fazy, nierównoważność prądu trójfazowego mogą szybko prowadzić do uszkodzenia sprzętu, jeśli nie zostaną szybko rozwiązane.
• ​Ryzyko przeogrzania: Przeładunek, niewystarczające chłodzenie lub wysoka temperatura otoczenia mogą prowadzić do przeogrzania wirowych, co jest główną przyczyną starzenia się izolacji i spalania silników.
• ​Braki w ochronie: Tradycyjne urządzenia ochronne (np. relé termiczne) mają wrodzone wady, takie jak niska dokładność wyłączania (±15% błąd), ograniczoną funkcjonalność i brak możliwości wczesnego ostrzegania, co czyni je niewystarczającymi dla inteligentnej konserwacji i produkcji o wysokiej niezawodności.

Aby sprostać tym wyzwaniom, wprowadzamy nową generację relé ochronnych opartych na mikroprocesorach, które integrują zaawansowane technologie czujników, algorytmy fuzji wielu parametrów i platformy IoT.

​II. Kluczowe komponenty rozwiązania​

To rozwiązanie skupia się na wysokowydajnych relé ochronnych opartych na mikroprocesorach, dostarczając kompleksową i predykcyjną ochronę poprzez głęboką integrację sprzętu i oprogramowania.

1. ​Technologia ochrony przez fuzję wielu parametrów​
   Przekraczając tradycyjną ochronę przeciw przeładunkowi, ta technologia wykorzystuje wielowymiarową analizę danych, aby osiągnąć precyzyjne wyłączenie i alarmy.
• ​Wysokoprecyzyjna ochrona przeciw przeładunkowi z odwrotnym czasem: Wykorzystuje algorytmy mikroprocesorowe do dokładnego symulowania charakterystyk cieplnych silnika, pokonując niestabilne wartości wyłączeń tradycyjnych relé termicznych. Zapewnia to dokładne krzywe ochronne i unika fałszywych wyłączeń lub braku działania.
• ​Ochrona przed nierównoważnością prądu sekwencyjnego ujemnego: Monitoruje równowagę prądu trójfazowego w czasie rzeczywistym. Gdy nierównowaga przekroczy ustawioną wartość progową (np. 15%), system automatycznie wykrywa brak fazy lub poważną nierównowagę i uruchamia alarmy lub działania ochronne, aby zapobiec przeogrzaniu wirnika i fluktuacjom momentu obrotowego.
• ​Analiza widma drgań (opcjonalnie)​: Zintegrowane czujniki drgań analizują charakterystyki spektralne łożysk silników i mechanizmów transmisyjnych, efektywnie identyfikując wczesne awarie mechaniczne, takie jak zużycie łożyska, luźne śruby i nieprawidłowe ustawienie. Umożliwia to połączenie ochrony elektrycznej i mechanicznej.

​Wyniki zastosowania: W dużej rafinerii petrochemicznej w Chinach to rozwiązanie zmniejszyło awarie silników spowodowane problemami elektrycznymi i mechanicznymi o 67% i powiązane koszty konserwacji o 42%.

1. ​Inteligentny system predykcyjny i wczesnego ostrzegania o wzroście temperatury​
   Wykorzystuje zaawansowane modele algorytmiczne, aby proaktywnie zapobiegać ryzyku przeogrzania, przesuwając akcent z „reaktywnego naprawiania” na „proaktywne zapobieganie”.
• ​Zasada działania: Wbudowany model termiczny równoważny silnikowi dynamicznie oblicza wzrost temperatury wirowej i zużycie zdolności cieplnej, integrując prąd obciążenia, historyczne dane operacyjne i wejścia czujników temperatury otoczenia.
• ​Wczesne ostrzeganie: Jeśli prognozowany trend wzrostu temperatury wirowej zbliża się do granicy oceny izolacji, system wydaje sygnał wczesnego ostrzegania 10 minut wcześniej, pozwalając operatorom na wystarczający czas do interwencji, planowanego zatrzymania lub dostosowania obciążeń.

​Wyniki zastosowania: W dużym hucie stalowym ta funkcja pomyślnie zapobiegła wielokrotnemu spaleniu silników spowodowanemu awariami systemu chłodzenia i nagłymi przeładunkami. Dokładność predykcji temperatury wyniosła 91% w praktyce.

1. ​Bezprzewodowy monitoring IoT i diagnostyka na platformie chmurowej​
   Umożliwia zdalną konserwację i cyfrowe zarządzanie, znacznie poprawiając efektywność operacyjną.
• ​Bezprzewodowa transmisja danych: Urządzenie ochronne integruje moduły komunikacji sieci szerokopasmowej niskiej mocy (LPWAN) (np. LoRa) do bezprzewodowej transmisji kompleksowych danych operacyjnych silnika (prąd, napięcie, temperatura, alarmy, status) na platformę chmurową bez złożonego kablowania.
• ​Zdalna diagnostyka i konserwacja: Inżynierowie i menedżerowie mogą uzyskać dostęp do platformy chmurowej za pomocą komputera PC lub aplikacji mobilnych, aby monitorować stan zdrowia wszystkich silników w czasie rzeczywistym, otrzymywać alerty i informacje o awariach oraz wykonywać zdalne diagnostyki i analizy.
• ​Eksploracja wartości danych: Zbierane na platformie dane historyczne mogą być wykorzystane do analizy trendów degradacji wydajności sprzętu, optymalizacji cykli konserwacji i wdrożenia predykcyjnej konserwacji, dostarczając wsparcie oparte na danych dla decyzji produkcyjnych.

​Wyniki zastosowania: W cementowni średni czas reakcji na awarie został zmniejszony z 2 godzin do mniej niż 15 minut po wdrożeniu systemu monitoringu IoT. Operatorzy mogli natychmiast uzyskać informacje o awarii i potencjalne przyczyny, znacznie redukując czas rozwiązywania problemów i obniżając nieplanowane przestoje o 58%.

​III. Podsumowanie zalet rozwiązania​

• ​Więcej precyzji: Algorytmy mikroprocesorowe zastępują struktury mechaniczne, zapewniając precyzyjną ochronę bez fałszywych wyłączeń lub braku działania.
• ​Większa kompleksowość: Integruje ochronę elektryczną, cieplną i mechaniczną, obejmując szeroki zakres typów awarii.
• ​Więcej proaktywności: Ostrzegania oparte na modelach zapobiegają wypadkom przed ich wystąpieniem, a nie reagują po fakcie.
• ​Więcej inteligencji: Architektura IoT umożliwia łączenie urządzeń, wspiera zdalny monitoring i analizę dużych danych, stanowiąc podstawę dla inteligentnej produkcji i cyfrowych fabryk.