油田电机状态监测系统设计

油田电机状态监测系统设计

程艳菊

西安中车永电智慧驱动有限责任公司永济分公司   山西  永济     044500

摘要：电机状态监测是在对电机运行状态进行监测的基础上，对电机的运行参数和状态进行评估，为设备的维修提供决策依据。油田现场环境恶劣，设备长期处于高压、强振动状态下，且工作环境恶劣，工作环境变化大，这对电机的状态监测提出了更高要求。

关键词：油田；电机；监测系统

引言

为了确保电机运行安全、可靠，设计一套适合油田现场使用的电机状态监测系统尤为重要。本系统通过无线信号采集设备和无线传输网络将采集到的数据实时上传至服务器。服务器端通过实时数据分析和评估，对电机运行中的故障进行诊断和分析，并以报表等形式给出相应的诊断结论。系统还能够在出现故障时及时预警，能够有效保证电机运行安全。

一、系统结构

本系统采用的是以嵌入式工控机为核心，基于以太网传输的无线监测系统。整个系统由信号采集模块、数据存储与显示模块、故障诊断模块、用户管理模块等几部分组成。整个系统的结构图如图1所示。

信号采集模块采用 ZigBee技术， ZigBee是一种短距离的无线通信协议，它可以用于无线连接，不受距离和环境的影响。本系统采用了 ZigBee技术实现数据的采集与传输，这不仅能大大提高数据采集和传输效率，而且还可以提高数据传输的可靠性。

数据传输模块采用了无线以太网技术，它具有很强的兼容性，能够适应不同类型的工业现场需求。同时，还具有非常高的安全性和稳定性。

二、系统硬件组成

本系统由电机监测传感器、无线数据传输模块、云服务器三部分组成。

传感器将电机工作状态信号转换成电信号，经过调理后送到信号采集模块，再通过信号采集模块将测量到的电信号转换成数字量，并通过RS485总线传给无线数据传输模块，最后将无线数据传输模块的测量数据通过 TCP/IP协议送到云服务器。云服务器对传感器传输的数据进行统一处理，并将处理后的数据发送到云服务器。云服务器负责将云端处理后的数据传输到本地服务器，并对本地服务器进行配置，确保系统正常运行。

为保证系统稳定可靠，本系统选用了STM32F103VET6单片机作为处理器。该芯片具有功能强大、可靠性高、抗干扰能力强等特点，能够满足电机状态监测的要求。该芯片还具有数据存储功能，可存储多达10000组历史数据。

三、监测数据采集与处理

电机状态监测系统对电机状态参数的测量主要包括对电机运行过程中的振动、温度、电流、电压等参数进行监测。

通过监测设备和无线传输网络采集到电机的振动数据，并将数据保存到本地数据库，根据需要分析处理后上传至服务器端。如图2所示为某油田现场电机状态监测系统的拓扑图。

同时，根据需要，系统可以实现对电机运行数据的动态实时分析与存储，可以在线实时查看电机运行状态信息，也可以通过手机 APP、电脑网页端等多种方式进行查询和管理。

根据电机状态监测系统对电机运行过程中的振动、温度、电流、电压等参数进行监测分析后，可以为用户提供故障诊断报表、分析报告以及实时曲线图等信息，同时可以提供在线实时报警功能。当监测数据超过设定的阈值时，系统会自动报警，提醒用户及时处理异常情况，确保设备安全运行。

四、数据传输与显示

系统中采集到的数据传输到服务器端后，通过数据库存储于相应的表格中。同时，根据系统设计要求，需要在服务器端显示相应的图表，方便用户查看。

本系统采用 WinCE操作系统，软件平台采用 WinCE5.0。WinCE操作系统具有良好的移植性，可以移植到大多数 Windows系统上运行。本系统中所有设备数据都可以在 Windows中查看和管理。

本系统采用组态软件 WinCC6.0。通过 WinCC6.0可以将设备信息、报警信息等通过界面上显示出来。同时还可以对数据进行统计和分析，并可以对运行中的设备进行历史趋势分析、报表打印等操作。从而更好地为用户服务。

五、电机监测功能

1.振动监测目的

(1)利用无线加速强度感应器对电动机的加速强度进行监控，从而达到对电动机故障的警示效果。(2)利用无线加速度计对电动机的加速度进行监控，并对电动机的振动时域特征进行分析，从而实现对电动机的故障进行诊断。

2.电机温度监测功能

对电动机的线圈、铁芯、整流器、电环等重要部位进行温度监控，并对电动机的轴承进行温度监控。

电机运行温度的上升对电机的使用寿命和可靠性有很大的影响，按照 GB755.87的规定，电机温升的测量方法分为四种：温度计法、电阻法、埋置检温计（ETD）法、叠加法（也被称为双桥带电测温法）。

电动机的监控点：电动机的定子，绕组，轴承座。测量点的设置有两种方法，一种是将T101D直接安装在轴瓦暴露出来的部位，另一种方法是在轴承上安装一个特殊的测温孔，将一个温度传感器插入测温孔中，再与T101D连接。

六、报警功能设计

报警功能是指系统根据设定的条件对电机运行中的异常状态进行预警。电机故障分为多种类型，常见的故障有电机转子断线、转子不平衡、轴承过热、绕组短路等，如果不能及时发现和处理，会给电机带来严重危害。报警功能设计时主要从以下几个方面考虑：

（1）根据采集的电机运行参数是否超出设定的阈值来判断是否发生故障，当故障发生时，报警系统发出声音提醒。

（2）如果故障是由人为操作造成的，报警系统可以在监测到异常状态时，通过远程控制对设备进行停机处理。

避免由于设备长时间运行导致的过热、损坏等。

七、数据库设计

本系统的数据源主要包括设备数据和电机运行数据，其中设备数据主要包括电机型号、参数、生产厂家等信息，电机运行数据主要包括电机工作电流、电压、频率等信息。

在设计数据库时，将电机型号、参数等信息作为设备对象，将电机的电压、电流、转速等参数作为设备对象的属性。通过在数据库中建立对应的关系模型，将设备对象与数据源进行关联。同时，使用 SQL语句对所建立的关系模型进行维护。

结束语

本文设计了一种基于 ZigBee和 GPRS技术的油田电机状态监测系统，在油田现场应用中能够实时采集电机运行参数，并将采集到的数据上传至服务器端，实现了对电机运行状态的远程实时监测。系统硬件采用了 ZigBee和 GPRS技术进行通信，网络结构简单，便于后期扩展；软件部分基于C语言编写，具有良好的可移植性和可扩展性。该系统结构简单、成本低、可靠性高、实时性好，能够有效降低人工成本，提高工作效率。该系统设计思路具有一定的推广价值。

参考文献

[1]刘雪超, 仲东魁, 杜明明,等. 一种油田用电机智能监测仪及监测系统:, 2018.

[2]张波. 油田电机状态监测系统设计[J]. 石化技术, 2019, 26(5):2.