陈成勇

［玺连自动化科技（上海）有限公司，上海 201306］

0 引言

工业变频器做为驱动电机作为大功率，大电流设备。在停车过程中，巨大的惯量。由于变频器电气制动，现场可变因素较多，功率电阻器状态检测不到位，缺乏对功率电阻器的有效管理，往往由于电阻器的损坏，带来变频器的损坏，或者由于变频器的刹车单元模块的损坏，带来电阻器的损坏。发现事后维修带来的重大损失之后，在变频器的运行过程中对功率电阻器磨损周期有了数据上的统计和收集，使每个电阻器都在合理的使用，在电阻器损坏之前进行更换，这样就避免了事故的发生。从而为预防维修提供可能。同时也为同类设备提供数据仿真。

1 机电设备远程运维系统需求分析

能耗制动依然作为主流制动方式之一，新型的能量反馈制动，方案尚不太成熟，且成本极高，不做论述。本文主要论述能耗制动的电阻精确选取参数。并通过物联网手段感知与传输，进行设备的匹配。机械能转化为电能，电能使变频器直流母线电压升高，然后电压值由电阻电流泄压产生热量，进行理论和实际的对比[1]。

制动电阻器的阻值理论计算R 制动电阻器的阻值：

式中：K——所需的制动转矩倍数1.2～2.0；P——所选变频器的功率；Udc2——所选变频器制动回路的斩波电压值。

制动电阻器的功率选取：Pr 制动电阻器的功率：

式中：P0——电机的功率；ΔK——制动电阻器短时工作允许过负荷倍数，具体数据根据工况查图取值；P1——系统所需的平均；h——传动效率，传动的机械系统在制动时，提供与效率相应的制动阻尼；0.2——电动机的内阻消耗了20%的制动能量。

公式中估算系数存在不确定性。目前的解决方法是主要有两种。

（1）传统的选择功率电阻器的主要依据各个变频器厂家提供的产品样册，惯量＞ED10%刹车具体参数。

（2）功率电阻器厂家粗略分为3 段小负荷ED10%中负荷ED20%，大负荷ED40%，对于生产设备具体的生产环境，生产的使用频度，使用的习惯。具体的设备没有梳理出具体的细化选型方案。

以上的方案只是粗略的解决，不能精细化分析。究竟多大功率与多大阻值合适，对于变频器调速工况运行，技术人员不能时时监看，出现问题又没有大量的数据支撑，掩盖了系统的设计缺陷，因此这就是项目需求。

2 机电设备远程运维系统设计

机器设备管理成本的变化，使用人工费用越来越高，停机损失越来越大，这是需要解决的实际问题。本系统的设计是根据大数据匹配，做出分析和决策。通过可视化预诊断判断，最终设计出点检数字化、运行可靠化的运维系统。

2.1 机电设备远程运维系统总体架构

远程运维要实现装备物联化、监控在线化、诊断智能化、维护服务协同化。要将设备的改造与运用，将传感设备结合边缘计算功能，为数据搜集、分析提供保障。远程设备监控主要3 个层次：①感知层，通过在设备的智能芯片、传感器等实现感知。②传输层，传感器、网络设备将数据通过传输层，实现设备的互联互通协同传输。③应用层，用于系统分析开发及应用。系统总体架构（图1）由服务器、无线控制器、无线网络组成[2]。

图1 系统总体架构

2.2 硬件平台搭建

基础平台支持层采集、业务逻辑层传输、系统管理表现层可视化，构管理系统的物联网架构管理系统的运行与应用结果分析等最终实现实现电阻器在线监测数据分析和以及电阻点检的综合管理。

2.2.1 电阻点检采集层

作为电阻检测系统的基础，电阻温度采集层通过温度传感器数据监测与采集。

2.2.2 网络传输层

网络传输层是连接监测层与数据管理层的桥梁，采用安全、可靠的传输网络将监测层获取的数据信息传输到管理层。

2.2.3 温控管理层

温控管理层是管理系统的核心，对由网络传输数据进行存储、处理，并点检结果进行统计分析，为用户提供系统分析和基础管理等功能。

2.3 软件体系设计

B/S 维护结构简单，可以在任何地方使用浏览器，而不需要客户端软件，上网就可以进行使用，客户端零维护，系统的拓展容易。B/S 结构的优点是显而易见的，现阶段软件系统的改进和升级越发频繁。采用spring boot 的eclipse 开发环境，采用B/S 的架构模式进行服务器端的设备采集管理开发[3]。

数据源产生：在设备主要测量的参数，设备的温度变化的趋势，温度的测量温度是现场生产中至关重要的一项数据，温度变化的趋势涉及电阻的使用寿命。数据采集进入系统匹配模板，曲线，电阻有热惯性，热量平均值，打分值90～100 分优秀，70～80 分良好，55～70 分及格，35～55 分不及格，35 分以下必须及时更换。进行提前预警、资源提前调度。温度、运行状态等，智能设置阈值，通过智能分析判断。设计概要如图2 所示。

图2 核心功能模块概要

聚类管理；来源管理；分配管理；过程透视管理；量化的分析决策支持等，实现数据统计、分析必须建立数据库。常用的数据库有MySQL、Oracle 和SQL Server。MySQL 数据库体积小、开放源代码、本系统是用MySQL 数据库开发的。软件架构的电阻设备软件功能模块如图3 所示。

图3 电阻设备软件功能模块

本文首先对电阻曲线分析，分析电阻数据采集的特点，在需求分析的基础上，结合物联网技术设计了监测管理系统架构，完成系统总体设计。监测中心服务器构架进行了设计开发，设计模块主要有实时监控、监测警示、统计分析、统计报表等。

3 项目难点与解决

3.1 典型设备初步数据建模

数据模型是数据的抽象形式，数据建模是在目标需求上将具体的对象实体抽象，然后加工与提取取出来形成的模型，常常采用实体关系图E－R 图来体现数据的逻辑关系组织结构。本系统结构如图4 所示。

图4 电阻系统数据库E－R

3.2 不同负荷模块化设计

3.2.1 电阻统计和计算模块

其中电阻统计和计算模块是重要运行核心模块，电阻运行曲线环境降额曲线如图5 所示。

图5 降额曲线

温度负荷表面温升如图5 所示，其他都是统计和储存处理功能。

3.2.2 系统温度数据运算算法

温度采集这些数据是数据量极多，原始数据存不具有价值，看不出带应有的规律性。需要对大量的数据进行运算挖掘整理。电阻温度系统统计几种运算算法，本文仅仅阐述两个简单算法。高级算法以及深度学习不在赘述。

（2）标准差是反映电阻温度变化稳定性程度或分散程度大小的数字指标。对于涉及多个电阻进行评价，平均数反应分散程度。

3.2.3 电阻运算模块功能设计

综合以上分析，以及系统难点以及核心计算方法阐述。最终形成电阻运算软件功能模块。如表1 所示。

表1 电阻运算模块功能设计

通过历史数据，后期迭代加入深度学习，使用系统算法学习电阻监测的数据，总结规律，使设备安全可靠运行。

3.3 硬件设备选择

3.3.1 温度传感器选择

温度传感器性能指标几点要求为：①射频标准。②频段为433MHz ISM 频段。③温度测量范围。④供电方式。⑤无线传输距离。⑥防护等级。

目前传感器测量温度范围-20～500℃。安装及传输看客户的工况选定。客户变频器电气刹车电阻温度运行在100～200℃为最佳状态，电阻平均温度高限位300℃，瞬间耐可冲击500℃。因此温度传感器选定上线500℃。因客户要求不同，目前方案以基恩士和昆仑海岸为主，温度传感器特殊需求可以定制[4]。

3.3.2 物联网选择

通讯方式是基于客户的现场使用环境做出选择。每个用户厂家，现场情况个异，要找到适应客户的数据采集硬件，要模式化分类，通选上分出类型客户，ZigBee 模块；NB-IoT 模块；LORA；DTU＆RTU；4G 和5G 等从而快速搭建硬件设施，模式就可以复制，为快速打入客户抢占制高点。最终确定使用无线传输方式为主，无须布线，扩容方便，管理方便。

数据的采集和传输是系统采集最重要的一部分，采集周期收集到数据，才能对系统进行有效的状态分析，根据工况环境以及使用频度的采取不同的数据采集方式，才能有效的一个判断，从而对设备进行有效的管理。

在线检测数据的采集主要通过温度传感系统，系统把所有收集的到的数据整合起来，形成曲线，实时记录每时每刻的设备数据。

4 远程运维系统设计实现

基于数据平均发热量，实时计算是一种基于热量的编程，它是一种将应用程序的行为描述为“节点”的一种方式。通过从流中的前一个节点接收消息来触发节点，并处理该消息，然后可以将消息发送到流中的下一个节点。每个节点都有明确的用途，给它一些数据，它对该数据执行某些计算，然后将其传递。网络负责节点之间的数据流。它是一种非常适合视觉表示的模型，提供了一个基于浏览器的流编辑器，可轻松使用面板中的各种节点将流连接在一起，形成一个可视化的模型（图6）。

图6 电阻运算模块功能设计

测试软件分析温度，可以分析个个时间段温度区的温度数据变化，哪些区域合格与不合格，按照分值，常出现异常区域，必须提前更换，杜绝设备停机损失，实现主动预防维护。

数据采集管理实现了实时监测，动态跟踪和监控整，实现了数据的精度，获取和处理及时化。降低设备造价成本，改善设备工况，减少维修，提高企业效益。

功率电阻器监控系统实现了预警功能模块、数据查询与统计功能模块、数据分析与安全评定功能模块等的应用。并且可以接入压力或湿度传感器类型的监测。系统具有良好的适用性和可拓展性。

该设计满足了现实需求，并充分发挥物联网技术的优势。但在运行过程中发现系统巡储存方面有所欠缺，今后随着用户的增量迭代，可以增设云服务器，云存储功能进一步改进和完善该系统。

5 结语

本文主要论述了系统的监控设计与实现，完成了项目需求部署，对于电阻本身不具有边缘计算的功能，实现了采集数据。在设计过程中不仅解决了温度问题，对后续同类设备的研发也提供了数据仿真的支撑，为后续设备开发提供借鉴。

综上所述远程运维服务减少了售后技术人员的现场维护所带来的成本，提高了设备的安全性，是信息网络技术结合制造技术的融合，使远程运维监控在智能制造服务环节得以实现。