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基于网络的用于交流电机监测与诊断的远程实验室
Amine Yazidi会员，IEEE，Humberto Henao，高级会员，IEEE，Geacute;rard-Andreacute; Capolino，院士，IEEE，Franck Betin，会员，IEEE和Fiorenzo Filippetti，会员，IEEE
摘要：本文论述了一个基于网络的远程应用程序致力于交流电机的状态监测和故障检测的虚拟平台的发展。该平台是基于采用LabVIEW软件的几个开发工具，各种状态监测和交流电机的电气和机械故障诊断技术已经集成如转子断条、绕组短路，轴承损坏，或静态/动态偏心。其主要特点是涉及一个用户友好界面，一个低维护的源代码和一个用于交流电机诊断的标准化数据库。该平台体系结构，以及三种不同的试验台的配置已被描述。通过使用简单的网络连接，完整的系统可以被控制在本地和远程模式，一些远程的实验已经在诸如皮卡的大学“儒勒·凡尔纳”，亚眠，法国和博洛尼亚大学，意大利博洛尼亚大学之间进行了，验证了该系统的有效性。这种原始包的直接应用是基于施加到交流电机故障的诊断技术。使用经典技术进行转子断条检测的一些例子已被提出用来显示所建议的平台的有效性。进一步的信息将很快在电机网站开放的欧洲实验室得到，网址为：www.oelem.org。
索引词 - 交流电机，数据采集（DAQ），数据处理，数据插座，诊断技术，数字信号处理，故障检测，感应机，远程应用程序，基于网络的实验室。
一．介绍
基于网络的实验室的概念已不新鲜，因为它在20世纪80年代初就已经被引入。然而，在过去的十年中，以互联网为基础的网络技术的快速进步，确实允许具有显著和安全的数据流量的远程应用程序的发展。由于所有的工程领域的研究应结合理论与实践，基于网络的实验室的原则是非常有用的，提供研究人员和工程师位于不同实验室各种虽昂贵但最新的网络接口。通过这种方式，维哥，西班牙维哥大学电子技术部，开发了远程应用程序，用于监视一些距离感应器[1]。研究人员通过使用在LabVIEW环境下开发的虚拟仪器（VIS）可以访问来自传感器的数据。以同样的方式，计算机科学系与海梅一世大学工程学院，Castelloacute;n de la Plana，西班牙，已经开发了一个可以控制两个机器人的基于因特网的远程实验室[ 2 ]。事实上，这项工作的挑战是要证明关联到一个以控制为目的的先进的多媒体用户界面远程编程是合适的，灵活的，以及有利于虚拟实验室的设计的。[3]作者在系统的基础上开发了一个为电子电力实验用的远程实验室，该系统可以通过使用因特网和万维网（WWW）服务器而能够被远程驱动。在[4]中，对于一个远程平台专用于电子电力课程的先进软件已经被描述。该系统是基于一个工具，该工具能够通过使用户借着实际的远程实验更好的使用电源转换器，从而用自己的控制技术建立一个广泛的电路拓扑结构。这个平台包括一个可重新设置的电力电子装置，一个基于网络的远程实验室，和一个用户交互的远程平台。以同样的方式，开发和虚拟工程实验室的执行已被描述，该实验室使用万维网（WWW）实现起动机/发电机的实时交互控制[5]。事实上，通过使用一个标准的Web浏览器，开发的虚拟实验室允许一个混合动力电动汽车起动/发电机远程地和从全国各地的研究人员交互地实时操作。基于Web的远程实验室中其他有趣的贡献已经最近公布了如[6] - [9]。
在本文中，一个完整的虚拟和交互的软件被呈现出来。该软件用于一个致力于状态监测和交流电机诊断的基于网络的远程实验中。它是在电机领域的首项举措，并一直致力于开发状态监测和故障检测研究领域一个共同的平台。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发展和改进，[ 10 ]-[ 13 ]
在1999年的希洪，西班牙举行的针对电子机器诊断，电力电子与电力传动研讨会期间，已决定建立一个在欧盟内部没有“墙”并致力于交流电机诊断的实验室。
主要目标是基于设置之间的数据转换，这些设置在12个国家和近50个研究实验室可用。这个虚拟实验室被称为在电机（OELEM）方面开放的欧洲实验室[14]。
为了达到这一目标，它已被位于意大利博洛尼亚的博洛尼亚大学和在法国亚眠的皮卡大学“儒勒·凡尔纳”决定，共同开发名为OELEM-Link的用于基于网络的远程实验室应用的通用软件[15]。数据采集（DAQ）软件LabVIEW被选用来开发OELEM-Link，因为它是在数据采集领域的标准之一。第一个目标已经集成在不同的实验室开发的所有的诊断技术[16] - [21]，并通过使用一个简单的因特网访问在不同的电机上测试了他们[22]。开发不同的试验需要两年的紧张工作。为了使OELEM-Link的所有通用功能集成到一个虚拟的空间，让用户在不同的设置下通过使用远程实验从而能够工作在一个简单的和互动的环境。一些420虚拟和子虚拟仪器已经制定。
这项工作与[ 10 ]-[ 13 ]中所提出的不同，[ 10 ]-[ 13 ]中的主要目标是在没有任何远程访问的情况下进行在线的电气设备诊断。事实上，在线诊断需要在那种用户在场时设置可用的实验室里直接进行试验。相反，所提出的平台，通过使用一个简单的互联网连接允许不同的测量。这个网络连接从OELEM网络的任何实验室中设置都是可用的。因此，用户出现在靠近设置的地方并不是必需的，因为不同的测试都可以被远程控制。当然，研究人员需要的数据不用在他们的实验室有任何的设置，因为经济问题可以通过采用OELEM链接包从而可以利用不同实验室任何特定的设置。
这个介绍之后，第二部分描述了软件结构和主要功能，如DAQ，数据库，和涉及到交流电机领域的信号处理方法。这时，已经由作者开发的不同的技术已被描述。此外，对于三相感应电机的转子故障诊断的描述已提供。相同的部分呈现了远程监视的结构，包括在实验中应用的不同设置的说明。在第三部分，涉及到感应电机转子断条的有效检测的案例研究的一些实验结果已提交。
II. 平台原理
- 软件
所提出的软件已在LabVIEW环境下设计出来。在这种环境下使得通过使用互联网来实现远程控制设置有了更大的可能性。它还对于交流电气设备状态监测和诊断的数据文件进行控制和交换。该软件围绕几个互动窗口和图形化界面已被创建了，（图1）显示了指导方针以方便环境处理。在第一步所有问题都被写为英文的情况下，它提供了错误的信息。这是一个灵活的结构，能够整合任何其他功能或功能集。我们的目标是设计一个用户友好的程序，能够统一研究交流电机的能力，使它们对网络研究单位共同的数据库可用。出于这个原因，OELEM-Link的体系结构已通过使用了LabVIEW软件的特性而开发。该软件在图形程序环境下被视为数据采集领域的标准。然而，拟议的方案与其他基于软件的解决方案有很大不同。其他系统使用基于文本的语言来创建行代码，而LabVIEW已经是基于图形化编程语言。因此，该完整的程序可以通过方框图而可视化。
包装拥有便于编程任务功能的扩展库。在方案中使用的主要功能是基于数据采集，数据分析，数据表示和数据的存储。此外，LabVIEW程序被称为VI因为其行为几乎是类似于连接到任何实验装置的真正的仪器。VI的交互式用户接口被称为前面板，因为它看起来像一个真实的物理仪器。由于这种最后一个特点，它有可能发展任何VI中的用户友好的交互界面。每个VI对应于OELEM-Link软件的主要功能之一。因此，OELEM-Link的使用了一个金字塔形的结构（图2），它允许很容易的浏览所有VI，因此也可以浏览所有相应的界面。
B.硬件
OELEM-Link软件通过使用DAQ板经由扩展总线，通用串行总线端口，或者与个人计算机（PC）的无线连接而改变了带有设置的数据流。DAQ板卡的模拟输入端用于收集从被测设置周围实施的传感器来的信息。此外，数字输出用于控制电源接口，而在开关设备周围开发的电源接口是为了一些设置，例如启动周期（开/关），负载转矩控制，或摄像头方向，当然，电源接口有必要将数据采集卡链接到设置（图3）。
C.远程控制
对这个基于Web的应用程序的开展其中一个主要的原因是高校的广泛使用，即研究人员之间分享昂贵的设备。由于在实验室中的传统实验的低使用率，现代基于Web的远程实验室没有必要再要专门的人来操作它。它可以通过共享的设置显着降低成本，而且它对于一整年每天24小时的实验都是可用的。由于这些原因，已决定开发OELEM-Link软件，该软件宗旨为融合一个被称为 OELEM-Link服务器的基于Web的应用程序，以便使用远程模式中的所有功能，如数据采集，数据库和诊断技术。在LabVIEW下使用互联网工具已经将OELEM-Link开发出来。它是通信技术，如传输控制协议（TCP）/ IP和文件传输协议（FTP）不同的基本功能的混合物。下面两个主要应用已开发，以确保任何设置控制：
- 远程数据采集; 2）文件交换。
此外，在一个站点不同实验室的设置可以被一个安全的访问网络OELEM中的任何成员使用。因此，远程实验室可以被定义为一个计算机控制的网站，它可以通过一个通信网络从外部进行访问。这种远程实验室让研究人员进行实验设置和测试对交流电机状态监测和故障检测的不同方法。
该设置通过标准接口（DAQ设备，通用接口总线和串行总线）和连接到因特网的主计算机被连接到DAQ板和控制计算机[23] - [26]。客户端可以是连接到互联网的任何一个计算机。并且该计算机又要能够访问附有软件许可的OELEM-Link。一旦连接，客户端可以访问相同的用户界面作为本地主机以及访问类似的程序功能。唯一的限制是数据传输在远程模式下使用的速率比本地主机慢。然而，这种限制不是大的缺点，因为所收集的数据文件可以离线进行处理。
该OELEM-Link软件使用FTP在OELEM-Link的服务器之间传输文件。该协议代表通信网络上观察到的流量重要的一部分。它是对于用户之间这些文件交换的最佳协议。作为任何交换协议，它包括一个服务器和一个客户端。服务器代表一个给定的TCP端口，并且它直到客户端连接都处于等待模式。以这种方式，数据可以在服务器和不同的客户端之间交换。
III. 基于WEB的实验室：案例研究
- 设置配置
在皮卡的大学“儒勒·凡尔纳”，三个具体的实验装置已经适应了通过简单的因特网连接的方式被控制的OELEM-Link软件（图4）[27] - [29]。
任何远程访问应用程序需要附有用户名和密码的OELEM-Link软件设置的安装。一个安装压缩盘与不同实验室请求的软件许可已经研制成功。更多信息很快将在OELEM网站出现：http://www.oelem.org.
该软件允许每个用户以下应用：
- 访问成为OELEM网络成员的不同实验室的所有出版物;
- 访问用于状态监测和交流电机故障检测的内置技术;
- 保存或载入数据文件的可能性；
- 访问OELEM数据库，该数据库包含所有收购的历史和应用在OELEM网络的任何实验室构件的交流电机的特性;
- 通过OELEM服务器交换数据文件；
- 来自所有可用设置的数据文件的生成；
- 设置的远程控制（ON / OFF交流机，负载转矩控制，摄像头的方向，需要的传感器的选择更多）;
- 使用指定的参数远程数据采集；
- 使用FTP在数据库之间进行数据文件的交换;
- 现有诊断技术的远程测试；
- 任何新的基于用户诊断技术的远程测试。
前两个设置内置有三个电压传感器以及用于监视所述感应电机操作的三个电绝缘的电流传感器。一种可以通过一个可编程控制单元的装置进行调谐的磁性制动器，已被用来模拟轴负载。两1.2-kw/1.8-kw 50 Hz 220V / 380-V六/四极鼠笼式三相感应电机用于第一设置，两个18.5Kw，50Hz和380 V / 660 V的三相鼠笼式感应电机用于第二设置（图5）。这两个设置旨在表明转子断条对感应电机性能的影响。在设置＃1中，第一感应电机是健康的，并用它来定义参考光谱。第二台感应电机提供了一个早期的转子条故障。在设置＃2，第一台机器是健康的，第二台呈现连续三个转子断条。
设置# 3是基于具有四对极并额定功率为5.5KW的三相绕线转子感应电机。这个感应机由7.5千瓦的三相鼠笼式感应机和额定功率为11千瓦的静态电压逆变器的风力发电系统的仿真驱动（图4）。对于这三个设置，感应电机的电压和电流由连接到设备端子的传感器进行测量。这些信号被用作信号调节的输入和集成到PC的数据采集板。电流探头是用50KHz的典型频率带宽的罗氏线圈建立的。电压传感器是特殊的变压器和带有20kHz频率带宽的差分探头。漏磁通传感器围绕周围的空气线圈建有几百匝50KHz频率带宽的与磁通衍生物成比例的测量电压。
B.基于Web的远程实验室应用
让我们以皮卡大学“儒勒·凡尔纳”远程实验室为例子，让我们尽量使用远程实验来测试转子断条故障检测技术。第一步是通过IP地址或皮卡“凡尔纳”大学基于Web的实验室的URL名称连接到远程OELEM-Link服务器。一旦连接，客户端将访问相同的欢迎面板作为本地主机。然后，通过给用户名称和密码，远程控制可以被授权，客户端可以选择通过一个特定的面板，以控制感兴趣的设置[ 23 ]，[ 24 ]。下面的步骤是通过一个特定的面板来控制设置本身。 图 5示出了用于设置＃2的控制面板的一个实例。可以观察到，该面板显示几个模块允许不同参数的调整，如在启动期间，定子电流限制，以及在负载转矩控制。另一方
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