CN101359228B - 基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断装置包括串联的电流检测单元、信号调理单元、阈值比较单元和MCU控制单元，其诊断预测步骤：由检测装置中的MCU控制单元控制开启电磁控制单元；通过连电流检测单元检测电磁控制元件工作电流的变化曲线；将数据处理后输入阈值比较单元比较，阈值比较单元输出相应波形的信号；MCU控制单元根据输入信号判断电磁控制元件的工作状态。本发明在故障预测过程中所有变化检测方法均可用于驱动端电流波形特征量的变化特性提取；可以利用特征量的变化特性通过数据融合、神经网络等方法实现故障预测，从而实现在未发生故障的情况下对故障进行预测，提高生产效率、可靠性、可维护性以及安全性。

Description

基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法及装置

技术领域

本发明涉及检测技术，特别涉及电磁控制元件故障诊断、预测的方法及装置。

背景技术

电磁继电器作为一种自动和远距离操纵用电器被广泛应用于自动控制系统、遥测系统、电力保护系统、通讯等系统中，电磁阀作为一种将电信号转换为液压等控制信号的设备被广泛的应用于各行业的液压系统、气压等系统中。作为各应用行业的关键设备，电磁继电器与电磁阀具有相似的电气特性及机械运动特性，其安全性及可靠性直接影响其所在系统的安全性及可靠性。现有对电磁继电器和电磁阀的故障判别方法主要有：

1)从被控端及其相关物理量的变化检测其电磁继电器或电磁阀的故障，如检测电器阻抗、回路功率、气体或液体压力及检测压力、温度、浓度等相关物理量。该方法需要添加额外传感器、电气隔离线路，从而增加系统成本并降低系统可靠性，其被控端相关物理量测量困难，且易受到其它非电磁继电器或电磁阀故障因素带来的影响，从而不能准确判定电磁继电器或电磁阀故障引起误判。

2)检测驱动端线圈稳态电流有无或与期望值的偏差判断电磁继电器或电磁阀的故障状态，该方法仅对电磁继电器或电磁阀的驱动端线圈的短路及断路故障作出判定，无法对电磁继电器或电磁阀的动作过程的正确性作出准确判定。

现有电磁继电器及电磁阀的故障检测方法无法实现对其动作过程正确性的检测以及长期使用过程的疲劳程度判定及故障预测，所以在大多数应用中，主要依靠定期更换或使用过程中出现问题后进行检测和维修，从而降低了生产效率并为安全生产带来隐患。

发明内容

本发明提供一种基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法及装置。该方法采用在电磁控制元件的驱动端采集电流的变化，根据电流的变化，判断电磁控制元件是否正常工作，解决现有技术中不能准确判断电磁控制元件动作过程正确性的技术问题，并实现对电磁控制元件长期使用过程的疲劳程度判定及故障预测。

本发明解决上述技术问题的方法是：利用基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断装置，该装置包括串联连接的电流检测单元、信号调理单元、阈值比较单元和MCU控制单元，所述电流检测单元连接到电磁控制单元驱动端线圈上，所述MCU控制单元控制信号输出连接电磁控制元件，所述信号调理单元连接MCU控制单元。

该装置的诊断方法包括以下步骤：

A.由检测装置中的MCU控制单元向电磁控制元件发送控制信号，开启电磁控制单元，电磁控制元件包括电磁继电器或电磁阀；MCU控制单元还包括有计时电路。

B.通过连接到电磁控制单元驱动端线圈上的电流检测单元检测电磁控制元件工作电流的变化曲线；电磁控制元件工作电流使阈值比较单元输出信号出现第一次电平翻转时，MCU控制单元开始计时。

C.将电磁控制元件工作电流的数据处理后输入阈值比较单元比较，阈值比较单元输出相应波形的信号；步骤B中，电磁控制元件工作电流中出现波动时，步骤C中阈值比较单元转换信号时出现二次电平翻转，输出脉冲信号；电磁控制元件工作电流呈单调升降曲线时，步骤C中阈值比较单元转换信号时不出现二次翻转，输出阶梯信号。

D.MCU控制单元根据输入信号判断电磁控制元件的工作状态，步骤D中，MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形以及在设定时间内是否出现第二次电平翻转判断电磁控制元件的工作状态。步骤D中，MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形以及在设定时间内是否出现第二次电平翻转以及AD采样曲线是否为单调曲线判断电磁控制元件的工作状态。

本方法在不添加额外传感器的情况下，通过检测驱动端电流的变化实现对电磁控制元件的故障诊断和故障预测，为电磁控制元件(电磁继电器和电磁阀)的维护和维修提供依据，降低系统成本提高生产效率、可靠性、可维护性以及安全性。

步骤C中还包括以下步骤：设于电流检测单元与阈值比较单元之间的信号调理单元对电流检测单元输出的信号进行处理，MCU控制单元从信号调理单元进行电磁控制元件工作电流AD采样。步骤D中，MCU控制单元根据步骤C1采样信号曲线判断电磁控制元件的工作状态。MCU控制单元根据步骤C1采样信号曲线在工作过程中的变化状况预先判断电磁控制元件未来的工作状态。

本发明在故障预测过程中所有变化检测方法均可用于电流波形特征量的变化特性提取；可以通过一个特征量的变化特性实现故障预测，也可以通过多个特征量的变化特性通过数据融合、神经网络等方法实现故障预测。从而实现在未发生故障的情况下对故障进行预测，提高生产效率、可靠性、可维护性以及安全性。

附图说明

图1是电磁控制元件发生故障时的电流波形图。

图2a-b是电磁控制元件正常工作时的电流波形图。

图3是本发明检测装置工作原理的方框示意图。

图4是本发明检测过程的示意图。

图5是电磁控制元件后期各电流波形与标准模板差分信号能量的变化过程示意图。

图6是电磁控制元件电流波形A点和B点位置的变化过程示意图。

图7是电磁控制元件电流波形A点和B点值变化过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施例。

由图3中可知，这种基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断装置包括串联连接的电流检测单元、信号调理单元、阈值比较单元和MCU控制单元，所述电流检测单元连接到电磁控制单元驱动端线圈上，所述MCU控制单元控制信号输出连接电磁控制元件，信号调理单元连接MCU控制单元；所述MCU控制单元还包括有计时单元，计时单元可以单独设置，也可以利用MCU控制单元中软件编程及内部集成的电路来实现，电磁控制元件包括电磁继电器或电磁阀。驱动端电流检测单元检测电磁继电器或电磁阀工作电流，其输出曲线为电磁继电器或电磁阀的工作电流特性曲线，根据电磁继电器或电磁阀的工作电流阈值比较单元输出脉冲或阶梯信号进入MCU控制单元判断电磁继电器或电磁阀动作正确性以判定其是否发生故障。

由图3和图4中可知，这种基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法包括以下基本步骤：

A.由检测装置中的MCU控制单元向电磁控制元件发送控制信号，开启电磁控制单元；

B.通过连接到电磁控制单元驱动端线圈上的电流检测单元检测电磁控制元件工作电流的变化曲线；电磁控制元件(电磁继电器和电磁阀)驱动端控制线圈可等效为电感和电阻的串联，在开启和关断动作过程中，相关磁路气隙发生变化，从而在电路微分方程中出现idL/dt(i为线圈电流，L为线圈电感)附加项，该电压分量致使线圈电流产生波动，且一般不呈现单调特性或者其斜率(导数)变化较大，导致电磁继电器和电磁阀在正常开启时驱动端电流特性如图2a-b所示，且电磁继电器和电磁阀在长期使用过程中，其驱动端电流波形亦会发生缓慢变化。而出现故障时(如电磁阀运动机构受阻，继电器触点粘联等)，驱动端电流波形接近单调上升，其电磁继电器和电磁阀在故障状态下开启时驱动端电流特性如图1所示。

C.将电磁控制元件工作电流数据处理后输入阈值比较单元比较，阈值比较单元输出相应波形的信号；由电磁继电器和电磁阀正常和故障状态下的驱动端电流特性可知，当其处于正常状态时其驱动端电流将出现波动，使阈值比较单元的电平发生至少两次翻转(当检测电流大于阈值时产生一次电平翻转，当检测电流小于阈值时再次发生电平翻转)；当其发生故障时其驱动端电流呈单调上升特性，使阈值比较单元的电平仅发生一次翻转(当检测电流大于阈值时产生一次电平翻转)。当阈值比较单元的电平发生两次及以上翻转时，阈值比较单元输出脉冲信号；当电磁控制元件工作电流呈单调上升特性时，阈值比较单元输出阶梯信号。为使判断更加准确，MCU控制单元还包括有计时电路，电磁控制元件工作电流中出现第一次电平翻转时，MCU控制单元开始计时。

D.MCU控制单元根据输入信号判断电磁控制元件的工作状态，这种判断的方法可以分为以下几种：第一种是：MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形进行判断；第二种是：MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形以及在设定时间内是否出现第二次电平翻转判断电磁控制元件的工作状态。MCU控制单元检测阈值比较单元输出信号是否发生第二次电平翻转，如果没有发生且计时值没有超过设定限值则继续等待；如果没有发生且计时值超过设定限值则判断被测对象开启动作不正确并发生故障。

由图3和图4中可知，步骤C中还包括以下步骤：

C1.设于电流检测单元与阈值比较单元之间的信号调理单元对电流检测单元输出的信号进行处理，在电流检测单元对电磁控制元件工作电流进行初级处理后，信号调理单元对该信号进行进一步的调理(例如：滤波、放大等等)，使之能够满足阈值比较单元的需要。同时，MCU控制单元也从信号调理单元提取信号，对电磁控制元件工作电流进行AD采样，MCU控制单元对电磁控制元件进行AD采样采用间断式采样，从而避免在MCU控制单元存储过多的采样信息。本步骤的工作过程是：MCU控制单元发出控制信号，开启被控对象(电磁继电器或电磁阀)，如果要求对本次开启过程进行数据采集，开始对信号调理单元输出信号进行采集；在增加采样的步骤后，步骤D判断电磁控制元件的工作状态的方法还可以有第三种：MCU控制单元根据步骤C1采样信号曲线判断电磁控制元件的工作状态，AD采样数据如果呈现单调性，则判断被控对象发生故障，否则被控对象动作正常。再进一步还可以包括第四种方法，既是MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形、在设定时间内是否出现第二次电平翻转以及AD采样曲线是否为单调曲线来综合判断电磁控制元件的工作状态。MCU控制单元定期对信号调理单元输出的电磁继电器或电磁阀工作电流特性曲线进行采样，作为双保险通过对特性曲线单调性的判定判断被测对象是否发生故障，利用AD采样信号变化情况，还可以预测电磁控制元件未来的工作状态，MCU控制单元对电磁控制元件工作过程中采集的AD采样信号曲线进行分析和比较；当该曲线某个或某些特征趋于某种状态(如上升、下降、波动等)时，就可以判断被控对象处于老化状态，当老化程度进入某一限值时，被控对象应该予以更换。例如：MCU控制单元根据AD采样信号中波动区域第一个顶点A和第一个底点B的位置以及参数值变化情况，预测电磁控制元件的老化状态，同时通过对特性曲线特征量的变化特性进行分析，可以对被测对象的故障情况作出预测。

上述预测的具体实例如：以前期电磁继电器和电磁阀电流波形为标准模板，观察后期各电流波形与标准模板差分信号能量的变化过程。

令标准模板f_j＝[x_j1x_j2......x_jn]式中x_jn表示进行AD数据采集的第j电流波形的第n个采样点值

后期电流波形f_i＝[x_i1x_i2......x_in]式中x_in表示进行AD数据采集的第i电流波形的第n个采样点值

j和i满足1≤j<i。

则后期的第i个电流波形与标准模板差分信号能量E_i有：

$E_i=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(x_{\mathrm{im}}-x_{\mathrm{jm}})}^2$

随着电磁继电器和电磁阀开关次数的增加，后期各电流波形与标准模板差分信号能量的变化过程如图5所示。

随着电磁继电器和电磁阀开关次数的增加，其电流波形A点位置、B点位置变化过程如图6所示，其中虚线为B点轨迹，实线为A点轨迹。

随着电磁继电器和电磁阀开关次数的增加，其电流波形A点值、B点值变化过程如图7所示，其中实线为B点值，虚线为A点值。

根据后期各电流波形与标准模板差分信号能量、电流波形A点和B点位置、电流波形A点和B点值等电流波形特征量随电磁继电器和电磁阀开关次数的增加的变化特性，可通过阈值法、神经网络等识别方法，判定被测对象老化现象严重需进行更换，从而实现在未发生故障的情况下对故障进行预测，提高生产效率、可靠性、可维护性以及安全性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：该诊断方法包括以下步骤：

A.由检测装置中的MCU控制单元向电磁控制元件发送控制信号，开启电磁控制单元；

B.通过连接到电磁控制单元驱动端线圈上的电流检测单元检测电磁控制元件工作电流的变化曲线；

C.将电流检测单元检测的电磁控制元件工作电流数据处理后输入阈值比较单元进行波形比较，阈值比较单元以前期电磁继电器和电磁阀电流波形为标准模板，检测的电流波形与标准模板差分信号能量为特征输出相应波形的信号；

D.MCU控制单元根据输入信号判断电磁控制元件的工作状态。

2.根据权利要求1所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤C中还包括以下步骤：

C1.设于电流检测单元与阈值比较单元之间的信号调理单元对电流检测单元输出的信号进行处理，MCU控制单元从信号调理单元进行电磁控制元件工作电流AD采样。

3.根据权利要求1或2所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤B中，电磁控制元件工作电流中出现波动时，步骤C中阈值比较单元转换信号时出现二次电平翻转，输出脉冲信号；电磁控制元件工作电流呈单调升降曲线时，步骤C中阈值比较单元转换信号时不出现二次翻转，输出阶梯信号。

4.根据权利要求3所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤D中，MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形判断电磁控制元件的实时工作状态。

5.根据权利要求2所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤D中，MCU控制单元根据步骤C1采样信号曲线判断电磁控制元件的实时工作状态。

6.根据权利要求3所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤B中，电磁控制元件工作电流使阈值比较单元输出信号出现第一次电平翻转时，MCU控制单元开始计时。

7.根据权利要求6所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤D中，MCU控制单元根据阈值比较单元输出信号波形以及在设定时间内是否出现第二次电平翻转判断电磁控制元件的工作状态。

8.根据权利要求2所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤D中，MCU控制单元根据步骤C1采样信号曲线在电磁控制元件工作过程中的变化状态预先判断电磁控制元件未来的工作状态。

9.根据权利要求1所述基于驱动端电流变化的电磁控制元件故障诊断方法，其特征在于：步骤A中的电磁控制元件包括电磁继电器或电磁阀。

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