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基于web的实验室交流电机远程数据监控与诊断系统设计

摘要:本文主要着住于针对对基于web的交流电机远程数据监控与诊断系统在虚拟平台上的开发，基于几种运用LabVIEW软件开发工具，该平台是例如转子断条、绕组短路、轴承损坏以及动/静态故障等多种交流电机的状态监测与诊断技术的集成。整个平台架构我们可以描述为一个用户友好界面、一个维护成本很低的源代码和一个针对于交流电机诊断的标准化数据库以及三个不同的实验设备。完整的系统可用过简单的网络连接在本地和远程控制模式之间切换，

一些在意大利波罗尼亚大学和法国亚眠大学之间的远程经验已经被付诸实施为了验证该系统的有效性，初步的直接应用程序是基于诊断技术应用于交流电机故障。转子断条检测的一些示例使用传统技术已经表明该平台的有效性。进一步的信息很快就会在开放的欧洲电机实验室网站:www.oelem.org。

关键字：交流电机 数据采集 数据处理 数据通讯协议 诊断技术 数字信号处理 故障检测 感应电机 远程应用程序 基于WEB的实验室

1介绍

基于网络的实验室的概念并不新鲜,因为它引入了在1980年代早期。然而,在过去的十年里互联网技术的发展已经能允许在远程应用程序上对重要程序的安全流通进行开发。当研究将所有工程领域的理论与实践结合，基于网络的实验室的原理将能实用的为研究人员和工程师提供各种位于不同实验室最新设备的网络访问权限。西班牙维戈大学电子技术系通过这样的方法开发了监测多个距离传感器的远程应用程序[1]。研究人员可以访问使用在LabVIEW环境中开发的虚拟仪器接受来自传感器的数据。运用同样的方式，西班牙海梅一世大学计算机科学工程系也开发了一个基于网络可以控制两个机器人的远程平台[2]，事实上，这项工作面临的主要挑战是如何运用远程编程控制设计能在多媒体界面上用户能灵活操控并且适宜的虚拟实验室。在[ 3 ]中，作者开发了在电力电子实验系统的基础上可以远程驱动使用互联网和万维网的远程实验室。在[ 4 ]中，描述了致力于电力电子的先进软件远程平台，该系统基于一个运用他们自己的控制技术建立的普遍电路拓扑结构，通过运用远程控制是用户能够更好地使用功率转换器。该平台包括的电力电子检测装置，基于Web的远程实验室和用户交互的远程平台三部分。以同样原理开发和实施的虚拟工程实验使用万维网实时控制交流发电机在[ 5 ]中被描述。实际上，通过使用一个标准的Web浏览器，能允许来自全国各地的研究人员在开发的虚拟实验室上对混合电动汽车电动机/发电机远程和交互实时操作。以及其他有趣的基于Web的远程实验室的的文献资料[ 6 ] - [ 9 ]。在本文中，呈现了一个基于Web的远程实验室专用交流电机的状态监测和诊断完整的虚拟互动软件。这是第一次在电机领域被提出，并致力于开发一个通用的状态监测和故障检测研究领域的平台。事实上，过去的20年里由于三相感应电机的故障诊断技术已经开发改进[ 10 ]- [ 13 ]，在电气设备的诊断，电力电子与电力传动竞技研讨会期间，西班牙已决定在欧盟12个国家将近50眼研究实验室之间建立一个致力于交流电机故障诊断数据交换的欧洲公共电机实验室。为了达到这个目的，博洛尼亚，意大利的波罗尼亚大学决定，法国亚眠大学决定共同开发一种称为OELEM链接基于Web的远程实验室应用的通用软件[ 15 ]。作为数据采集领域的标准LabVIEW元件被运用于进行开发OELEM链接。首歌项目已经集成了在不同的实验室所有的诊断技术[ 16 ] - [ 21 ]，并通过一个简单的互联网接入测试不同的电机[ 22 ]。经过两年高强度的测试和发展，综合各种功能并能允许用户运用OELEM链接在简单的平台上进行对不同远程实验室设备环境交互的许多420的虚拟设备已经被开发。

实际上不同于在[ 10 ] - [ 13 ]中排除远程控制单纯进行故障诊断工作，在线诊断需要在一个所有设备用户都能使用的实验室里直接地实验。并允许在OELEM上运用简单地网络连接实现在多种设备上进行不同的测试。因此使用者没有必要接近设备就能在远程实现控制。所以研究原不会因为经济问题只能待在他们的实验室进行数据研究而可以用OELEM连接包对不同实验室的任何特定设备进行利用。

在这之后第二部分讲介绍软件结构以及其要点，例如数据采集、数据库和交流电机领域的信号处理方法。在作者描述的已经开发的技术之外，转子故障诊断和三项感应电机的描述也已被提供，并在同一节中介绍了包括实验中使用不同设备的远程监控的结构。在第三部分中，一些电机的转子断条的有效监测案例研究也被提交

II. 平台原理

A软件

所提出的软件已在LabVIEW环境下被设计，提供了通过互联网访问远程控制设备的可能性之后。它还进行交流电机状态监测和诊断数据的控制和交换。该软件建立了几个互动窗口和图形界面（图1）使处理简化。并在用英文提供故障情况下的全部信息。灵活的结构可以整个任何其他的功能部分或建立功能部分。旨在在共同的数据库设计一个用户友好能够统一交流电机的研究能力的程序，以便网络化的研究。为此，对OELEM链接结构已被开发，利用LabVIEW软件是一种图形化的编程环境。然而，所提出的方案是非常不同于其他基于软件的解决方案。其他系统使用基于文本的语言来创建代码，而LabVIEW则基于图形化编程语言。因此，完整的程序可以可视化的组框图。包有广泛的功能库，方便编程任务。建议的程序中使用的主要功能是基于DAQ，数据分析，数据表示和数据存储。此外，一个LabVIEW程序被称为VI，因为它的行为几乎类似于一个真正的仪器连接到任何实验设置。VI的交互式用户界面被称为前面板，因为它看起来像一个真正的物理仪器。由于这一特性，它有可能用作开发用户友好的交互式界面内的任何每个VI对应OELEM软件中的功能部件。因此，OELEM链接采用允许浏览所有VI相应接口的锥体结构（图2）。

B硬件

该OELEM连接软件交换数据?OW的设置采用通过扩展总线连接的数据采集卡，通用串行总线端口，或无线连接到个人计算机（PC）。模拟输入数据采集板用于收集在测设下来自设备周围传感器的数据。此外，数字输出用于控制起停开关（开/关），负载转矩控制，或摄像头的方向等使能开关。当然，电源接口的数据采集卡连接设置是必要的（图3）。

C远程控制

之所以开发这种基于Web的应用程序原因之一是为了研究人员能广泛使用共享大学之间昂贵的设备，由于传统的实验室实验可能会受到低使用率，而现代基于Web的远程实验室不需要专人操作。不仅可以大大降低共享设备的成本，而且全天24小时都能被投用于实验。出于这些原因决定开发的OELEM链接软件的目的是整合一个基于Web的应用程序，称为OELEM链接服务器，以便在远程模式使用所有功能，如数据采集，数据库和故障诊断。OELEM链接服务器已经开发了在LabVIEW下使用互联网工具包。它是一种不同的基本功能的混合通信技术，如传输控制协议（TCP）/ IP和文件传输协议（FTP）。以下两个主要应用程序已被开发以确保任何控制设置：1）远程数据采集 2）文件数据交互。

此外OELEM网络的每一个成员都能通过安全的网络访问一个站点不同的实验室配置。因此，远程实验室可?定义为可以通过外部通信网络访问的计算机控制网站。这个远程实验室允许研究人员对设备进行实验以及测试AC电机状态监测和故障检测的不同方法。

连接着数据采集板和控制机的设备在标准接口下通过上位机连接到网络[ 23 ] - [ 26 ]，只要拥有OELEM连接的权限，任何一个客户端都能连接到这个网络。并且一旦连接就可以访问与本地主机相同的用户界面使用同样的功能。其远程控制唯一的限制就是在传输速率上不如本地主机，然而由于收集到的数据可以离线处理所以这种限制也不是很严重的缺陷。OELEM连接软件可以运用FTP协议在OELEM服务器之间进行文件传输，这个协议是传输交流网络上不可或缺的一部分，是用户之间文件数据交换的最佳方案。与其他交互协议相似，它包括服务器和客户端两个部分。直到客户端连接，服务器将作为一个等待的TCP端口。这样就可以保证不同客户端与服务器之间的数据交换。

III. 基于web的实验室案例

A.设备配置

在Jules Verne大学有三个由简单互联网连接控制适应OELEM连接软件的具体的实验设备（图4）[ 27 ]–[ 29 ]。

任何远程访问程序需要在OELEM连接软件上设置用户名和密码，每个实验室不同的软件许可证安装光盘也随之被发展。更多的信息很快将在OELEM网站上索引到。

软件允许用户如下：

1）有权限访问所有OELEM网络的不同实验室出版物；

2）访问交流电机状态监测和故障检测的内置技术；

3）可能保存或加载数据文件；

4）有权限访问OELEM数据库，包含访问历史以及各种交流电在在OELEM网络实验室成员的应用；

5）通过OELEM服务器进行数据交互；

6）生成所有可用设备的数据；

7）远距离控制设置（交流电机开/关，负载转矩控制，摄像头的方向，选择所需的传感器，以及更多）；

8）远程数据采集的具体参数；

9）使用FTP协议与数据库之间进行数据交互；

10）远程测试现有诊断技术；

11）远程测试任何新的基于用户的诊断技术。

前两个设备由用于检测电机运作时的电感三个电压传感器和三个电流传感器、一个可以用于模拟转轴负载相应的可编程的控制单元以及两1.2-kw/1.8-kw 50 Hz 220V / 380-v六/四极鼠笼式三相异步电机设备，和两个三相鼠笼式感应电机18.5千瓦，50赫兹，380 V / 660 V用于第二设备（图5）。这两个设备用于显示转子断条对感应电机的影响。设备一中：在第一个感应电机正常运行时确定参考的幅度，第二个感应机用于提示转子故障的征兆。设备二中第一个机器正常工作，第二个用于呈现连续的三个转子断条。

设备三式基于三项绕组转子感应电机，其极对数和额定功率为5.5KW。这种感应机由7.5千瓦的三相鼠笼式感应机和静态电压逆变器的额定功率为11千瓦的风力发电系统的仿真电驱动（图4）。感应电机的电压和电流通关传感器连接到终端，这些信号经调理电路和信号采集板集成到一个PC上，电流探头是由Rogowki制作一个典型的带宽为50Hz的线圈。电压传感器是特殊的变压器有着频率带宽为20千赫的差分探头。漏磁传感器在几百空气线圈周围以50KHz的带宽频率检测与漏磁倒数呈正比的电压。

B.基于Web的远程实验室使用

以“Jules Verne”大学的远程实验室为例，让我们来尝试远距离检测转子断条故障诊断技术。第一步通过IP地址或URL名称为“Jules Verne”大学网络实验室远距离连接到OELEM连接服务器。连接完成后客户端将访问与本地主机相同的欢迎面板。在输入用户名和密码吼就被授予了远程控制的权限，用户可以根据兴趣选择通过特定板控制的设备[23], [24]。以下步骤是通过一个特定的面板控制装置本身。图5显示了一个用于设置# 2的控制面板的例子。可以看出，该面板显示了几个模块，允许调整不同的参数，如启动周期，定子电流限制，负载转矩控制。另一方面，该系统使用一个简单的网络摄像头配备了一个远程可视化模块。然后，客户端将能够通过可视化设备以确保良好的远程操作并能在发生安全问题时断开连接。下一步是对设备自身进行数据采集，示例中，三定子电流、定子电压和漏磁将被测量。我们还注意到，数据采集是该软件的基本功能，由于监控和故障检测都是基于收集设备周围的关键数据。需要一些更多的参数来执行数据采集如：采样频率、样本数量、使用的设备地址，信号的数目，和信号的类型（图6）。在该例子中，采集到的感应电机的定子电流、电压和漏磁，在采样频率10 kHz和样本数N 100 000的条件下，频率分辨率Delta;为0.1 Hz。

然后接下来的步骤是所有信号的频谱分析，这个功能块的主要目的是要知道信号的频域特性视图。在稳定状态下，这是最经典的功能状态监测和故障检测方法，因为它已被用了将近的20年。频谱分析是从信号中提取出能量谱确定正常的工作状态或者了解电气/机械故障。这个功能块运用经典型号处理技术对通过快速傅里叶变换的窗口函数进行频谱运算（图7）

该软件使用一个具体的图形界面简化信号频谱分析。作为

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