CN103162816B - 一种基于传感器的振动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传感器的振动检测方法，包括以下步骤：步骤100：振动测量组布设传感器，组建振动测量组；步骤200：确定所述振动测量组的轮询周期或者轮询频次；步骤300：对所述振动测量组传感器进行轮询检测，采集所述交互振动测量组的传感器信息。本发明的技术方案采用分时检测的策略，使得振动检测器件配备较少，优化了对振动传感器分组布设，拓展了振动监测系统应用范围，实现了低成本设备故障的在线振动检测，可以使设计的系统低成本、高效能、安全可靠、可扩充和可维护。

Description

一种基于传感器的振动监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于传感器的振动监测方法，属于设备监测技术领域，更具体地，属于工矿企业设备的监测及控制技术领域。

背景技术

众所周知，振动监测对于运转设备故障的报警和预警有重要意义。目前，工矿企业的设备配备了较完备的设备控制系统。例如，水泥、钢铁、石油化工、电力等行业配备了先进的设备控制系统。特殊地，在矿山采掘机械、运输机械、提升机械、水泵、通风机、压风机等重要运转设备已经配备了较完备的设备控制系统，多数矿井还建成了基于矿井环网的综合自动化系统，实现了全矿井（也称为全生产区域）集中监控和综合管控，以下也简称为设备控制系统。针对工矿企业的诸多运转设备，现有振动监测系统也可以满足振动报警、趋势和分析判断的要求。例如，《装备制造技术》2010年03期的论文“浅析机械设备的振动故障检测”，介绍了设备振动检测的分类、意义、原理和方法。

现有工矿企业运转设备的振动有两种监测方法，一种是人工巡检，一种是实时在线计算机振动监测系统。在机组保护的实时性和紧迫性较低的生产区域，机组的振动检测以人工巡检为主，人工巡检是抽检、滞后、长周期的检查方式，不能满足设备振动在线监测广泛性的要求，更无法与设备控制系统同步实现报警、预警和故障诊断。现有的实时在线计算机振动监测系统是专用系统，具有实时振动监测并与设备控制系统同步的报警、预警和故障诊断功能，主要应用于国标规定的大型机组场合。在工矿企业的大量生产实际中，尤其是在矿山生产实际中，要求实时监测所有生产线运转设备和每套设备多个部件的振动状态，振动监测成为生产区域的需求。设备检修模式的进步和区域设备控制系统智能化的需求，对设备控制系统和振动监测系统提出了集成整合的要求。例如，全矿井的主扇风机、局部通风机、压风机、水泵、皮带运输机、矿井提升机、采掘机等运转设备，要求监测各个转动机构的运行状态、记录导致振动异常事件的相关信息、辅助控制决策和维修决策。这多达数百台设备要配备几千至上万路振动传感器，传感器布设、监测和分析将耗费巨额投资，阻碍了该技术应用的广泛性，也给设备控制系统配备振动监测系统增加了集成难度。

因此需要一种整体性能最优的集成方案和低成本的振动监测的技术方案，既满足工矿企业大量运转设备振动状态监测和故障诊断的要求，符合国家标准，又具有安全可靠、结构简单、使用简便的特点。

发明内容

本发明的目的在于解决低成本振动监测的问题，旨在既满足工矿企业大量运转设备振动状态监测和故障诊断的要求，符合国家标准，又安全可靠、结构简单、使用简便。

为此，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于传感器的振动监测方法，包括以下步骤：步骤100：振动测量组布设传感器，组建振动测量组；步骤200：确定所述振动测量组的轮询周期或者轮询频次；步骤300：对所述振动测量组内传感器进行轮询检测，采集所述振动测量组内传感器的信息。非限制性地，所述传感器包括振动传感器、转速传感器和温度传感器。

进一步，所述步骤100进一步包括：步骤110：针对不同的设备布设不同类型、不同数量的传感器；步骤120：对所述传感器进行分组，组建振动测量组。优选地，所述步骤120中，分组方法为：对布设的振动传感器按照设备或者部件的振动关联关系分组，每组至少一个振动传感器对应一个分时检测通道，每个振动传感器被PLC轮询控制；转速传感器和温度传感器接入PLC，并分别被归入各个组，使得振动传感器、转速传感器和温度传感器构成振动测量组。

更进一步，所述步骤200包括步骤210：PLC定制各振动测量组的轮询周期，将所述轮询周期划分为多个时间片，定制各振动测量组内每个振动传感器所分配的时间片长度。或者，包括步骤210’： PLC定制各振动测量组中振动传感器的轮询频次。

更为优选地，所述步骤300进一步包括：步骤310：按照所述PLC定制的每个振动测量组的轮询方式，按照时间片长度轮流接通各该振动测量组中的振动传感器，并行采集每个振动测量组中的各传感器信息。

此外，所述方法还包括：步骤400：接收来自传感器的信息并进行处理。示意性地，所述处理包括：（1）记录下导致振动异常事件的相关信息；（2）某个事件触发时，开始记录该事件的信息，并基于该信息分析出发生该事件的原因。

较为优选地，所述分配时间片长度的方法为：在以时间周期T_i（i=1,2,......,n）对第i个振动测量组内传感器进行轮询，对于第j（j=1,2,......,m）个振动传感器，其轮询时间片为t_ij，                                                。

或者所述轮询频次的定制方法为：在以时间周期T对n个振动测量组进行轮询，第个振动测量组的轮询周期为T_i，对于每个测量组而言，其轮询次数为f_i（i=1,2,......,n）；每一个振动测量组的轮询次数不同，。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于传感器的振动监测方法，通过分时轮询的检测方案，有利于减少振动测量模块通道、同时能够处理多路振动传感器的在线监测，通过该巧妙的构思能够大幅度降低监测成本。另一方面，针对不同重要性的设备采用不同的传感器布设策略，既可以广泛、有效的在线监测各类重要运转设备关键点的振动状态和故障诊断，又可以使设计的系统低成本、高效能、安全可靠、可扩充性和可维护。本发明对于工矿企业，尤其是对矿山的重要运转设备的故障振动监测，具有推广的实用价值，为工矿企业设备的安全运行提供了重要的技术保障。

附图说明

图1为本发明基于传感器的振动监测方法的示意图；

图2为本发明振动分析系统的示意图；

图3为全矿井或全生产区域设备控制系统和振动监测系统关联示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

首先参见图1，在本发明的第一实施方式中，提出了一种基于传感器的振动监测方法。该方法包括以下步骤：

步骤100：分组布设传感器，组建振动测量组。

设备的振动和轴转速紧密相关，设备的振动和轴承或者某些部位的温度也相关，转速越快振动频率越高、振动烈度越大，轴承温度越高振动烈度越大。因此，本发明提出振动监测方法所中，在设备上不仅配备振动传感器，还配备转速传感器、温度传感器和其他传感器，至少三种传感器信号结合起来共同检测运转设备振动的状态。也就是说优选地，所述传感器包括但不限于振动传感器、转速传感器和温度传感器。发明人根据矿井设备的安全运行的经验总结，对本发明所使用的传感器采集的信息提出了更为详细的实施方案，对于本发明最优的实施方式而言，所述传感器信息包括但不仅限于： 设备控制系统实时将运行状态参数(启/停、通/断、通过/占位、转速、温度、压力、流量、空载/重载、加速/减速/匀速）、设备参数(设备标识、部件标识、电机电气参数、轴承参数、液压参数、间隙、平衡)、事件(导致紧急停车的事件、导致故障停车的事件)、振动报警、相关报警和时间参数。这些参数特别适合于对矿井设备监测领域，能够最好地对作业机器的故障预判。

更进一步，所述的步骤100中的布设方法进一步包括：

步骤110： 针对不同的设备布设不同类型、不同数量的传感器。非限制性地，对易损期的关键运转设备密集布设振动传感器、转速传感器和温度传感器；对非易损期设备的高速、高负载、连续转动、易磨损关键部件密集布设振动传感器、转速传感器和温度传感器，在线分时检测振动状态并确定重点故障诊断目标；对其他运转设备只在必要部位布设振动传感器、转速传感器和温度传感器，在线分时检测振动状态。

步骤120：对所述传感器进行分组。优选地所述的分组方法为：对布设的振动传感器按照设备或者部件的振动关联关系分组，每组至少一个振动传感器对应一个分时检测通道，每个振动传感器被PLC轮询控制；转速传感器和温度传感器接入PLC，并分别被归入各个组，使得振动传感器、转速传感器和温度传感器构成振动测量组。本领域的技术人员应当理解，所述振动监测方法中包括一个或多个所述振动测量组。例如，一台电动机驱动一台风机，需要监测电动机和风机两端4个轴承8个位置的振动，同时监测电动机转速和4个轴承位置的温度，这8个振动传感器、1个转速传感器和4个温度传感器可以组成一个振动测量组，组内的13个物理量存在振动相关性。

步骤200：根据设备运行周期确定轮询周期或者轮询频次。优选地，所述步骤200进一步包括：

步骤210：PLC定制各分组的轮询周期，将轮询周期划分为多个时间片，并定制各组内每个振动传感器在一个轮询周期内分配的时间片长度。较为优选地，在以时间周期T_i（i=1,2,......,n）对第i个振动测量组内传感器进行轮询，对于第j（j=1,2,......,m）个振动传感器，其轮询时间片为t_ij，。每个t_ij可以不相同，例如，对于重点振动状态监测和重点故障诊断目标，其轮询周期比非重点振动监测目标要长，以便在该轮询周期内采集到更多振动测量组的传感器信息。

作为另一个实施方式，在所述步骤200中，不确定设备的轮询周期而是确定设备的轮询频次。优选地，对n个振动测量组进行轮询，第i个振动测量组的轮询周期为T_i，对于每个测量组而言，其轮询次数为f_i（i=1,2,......,n）；每一个振动测量组的轮询次数不同，。更为优选地，每个振动测量组的轮询频次f_i分散在时间段T内。

步骤300：对步骤100中所述各分组中的振动测量组传感器进行轮询检测，采集所述交互振动测量组的传感器信息。优选地，所述的轮询监测的方法进一步包括：

步骤310： 按照所述PLC定制的每组振动测量组的轮询方式，按照时间片长度轮流接通各振动测量组中的振动传感器，并行采集每个振动测量组中的各传感器信息。

在另一种实施方式中，可以分时地采集每一个测量设备信息。也就是说，对于每一个振动测量组而言，其包括m个传感器，每一个传感器再分配相应的时间片t_ij，，j（j=1,2,......,m）。或者在步骤200中，若确定的是每个振动测量组的轮询频次，则在所述步骤310中，定制每个组内每个振动传感器在一个周期内分配的时间片长度，也就是说，对于每一个振动测量组而言，其包括m个传感器，每一个传感器再分配相应的时间片t_j，，（j=1,2,......,m）。

利用上述在线分时振动监测方法，遵从所述的对振动传感器分组和所述的轮询控制，振动分析计算机按照振动测量组、时间片和轮询周期处理获得的振动、转速和温度信息，实现在线分时振动状态监测和故障诊断。

步骤400：接收来自传感器的信息并进行处理。优选地，可通过振动分析系统接收来自步骤300中的传感器信息，进行评价分析生成在用设备的保护/停机/检修信息，传送给设备控制系统，由设备控制系统操作人员或者由振动分析系统自动做出机组保护和/或生产保障决策，指令控制系统做出干预。例如，所述处理包括：（1）记录下导致振动异常事件的相关信息；（2）当某个事件触发，例如风机轴承温度达到上限报警，开始记录该事件温度报警或振动报警后的轴承温度、风机轴承座振动、电机轴承座振动、转速、电流、电压、功率等一系列工况数据和曲线，由振动监测系统和设备控制系统协同给出分析：从报警开始的工况变化和导致故障的原因。

此外，对于在设备控制系统中综合判定振动超限报警或者闭锁停机的，较振动监测系统提交的信息具有更高优先级。

进一步，可以在通过振动测量模块连接振动传感器，振动测量模块输出单一振动表征的电信号，振动测量模块信号接入通用PLC，再由连接PLC的通用计算机和组态软件显示每一路传感器的超限报警和趋势。并在振动分析计算机设置成振动报警事件触发弹出故障诊断画面，提供操作人员设备振动超限及其原因。在非易损期，将风机轴承作为重点故障诊断目标，只需在PLC上位机设置振动报警和趋势图，风机轴承振动报警时触发振动分析计算机弹出故障诊断画面，电动机轴承只保留一个纵向振动传感器，最大限度的减少振动分析软件的并发线路数，如果允许就减少振动传感器的配备。例如，矿井主运输上山胶带机是高负载、连续运转设备，通常由多台电动机（和变频器/软启动器）驱动多台减速机带动胶带滚筒运转，在易损期需要对电动机和机械传动所有的轴承密集布设振动传感器，并在振动分析计算机设置成振动报警事件触发弹出故障诊断画面，提供操作人员设备振动超限及其原因。在非易损期，将高负载传动机构作为重点故障诊断目标，只需在PLC上位机设置振动报警和趋势图，振动报警时由操作人员在振动分析计算机选择故障诊断画面，甚至每个轴承座可以只保留一个纵向振动传感器，最大限度的减少故障诊断软件的并发路数，减少振动传感器的配备。对于非易损期的一般运转设备，则可以少布设振动传感器，甚至不占用软件并发路数。例如，矿井非主运胶带机和冗余度较高的水泵组，在电动机外壳布设温度传感器和转速传感器，结合电流、电压等参数监测电动机运行状态，只在机械传动轴承座布设振动传感器，在PLC上位机设置振动报警和趋势图，不占用软件并发路数。

其次，第二实施方式中，本发明提供了一种用于实现本发明基于传感器的振动监测系统。结合图2和图3，图2中：1.振动传感器，2.分时振动测量模块，3.振动分析计算机，4. PLC，5. 温度传感器，6. 转速传感器，7.电动机，8.风机，9.轴承座。图3中：3.振动分析计算机，10. 设备控制系统主机，11.矿井环网，12.地面设备系统，13.井下设备系统。

所述系统主要由振动分析计算机、设备控制系统、PLC、分时振动测量模块、振动传感器、转速传感器和温度传感器组成，其特征是：振动分析计算机连接设备控制系统，振动分析计算机连接PLC，振动分析计算机和PLC连接分时振动测量模块，分时振动测量模块的测量通道连接振动传感器，振动传感器被PLC控制分时接通，PLC连接转速传感器和温度传感器。

图2是本发明优选的实施方式的系统示意图。安装在电动机7两端和风机8两端轴承座9的振动传感器1、温度传感器5和转速传感器6组成一个振动测量组。振动分析计算机3和多个PLC4电连接，每个PLC电连接多个分时振动测量模块2，振动分析计算机3和PLC4电连接分时振动测量模块2，每个分时振动测量模块2的一个通道连接多个被PLC4分时控制接通的振动传感器1，PLC4电连接并采集温度传感器5和转速传感器6的信号。分时振动测量模块2接入PLC4的是单一振动表征信号，只能通过PLC4做振动状态监测，接入振动分析计算机3的振动信息则同时具有状态监测和故障诊断功能。振动分析计算机3保持和PLC4的时间片同步，振动分析计算机3实时获得分时振动测量模块2的振动信息和PLC4采集的转速和温度信号，振动分析计算机3按照振动测量组、时间片和轮询周期处理获得的振动、转速和温度信息，实现在线分时振动状态监测和故障诊断。

图3是与本发明相关的全矿井或全生产区域设备控制系统和振动分析系统关联示意图。图中一套振动分析计算机3通过矿井环网11连接设备控制系统主机10，连接多套地面设备系统12和多套井下设备系统13；一套振动分析计算机3也可以和某一套设备系统连接。其中每套设备系统都配有PLC4等控制器，多套分时振动测量模块2可以归入设备系统，也可以归入独立于设备控制系统的PLC4，多套分时振动测量模块2连接PLC4和矿井环网11，PLC4分组分时采集下连的振动传感器1、转速传感器6和温度传感器5。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于传感器的振动监测方法，通过分时轮询的检测方案，有利于减少振动测量模块通道、同时能够处理多路振动传感器的在线监测，通过该巧妙的构思能够大幅度降低监测成本。另一方面，针对不同重要性的设备采用不同的传感器布设策略，既可以广泛、有效的在线监测各类重要运转设备关键点的振动状态和故障诊断，又可以使设计的系统低成本、高效能、安全可靠、可扩充性和可维护。本发明对于工矿企业，尤其是对矿山的重要运转设备的故障振动监测，具有推广的实用价值，为工矿企业设备的安全运行提供了重要的技术保障。

Claims (1)

1.一种基于传感器的振动检测方法，包括以下步骤：

    步骤100：振动测量组布设传感器，组建振动测量组；

    步骤200：确定所述振动测量组的轮询频次；   

    步骤300：对所述振动测量组内传感器进行轮询检测，采集所述振动测量组内传感器的信息；

    步骤400：振动分析计算机接收来自PLC的各振动测量组的轮询周期、轮询频率和时间片，接收来自传感器的信息，并按照各振动测量组、时间片和接收到传感器的信息进行处理；所述处理包括：（1）记录下导致振动异常事件的相关信息；（2）某个事件触发时，开始记录该事件的信息，并基于该信息分析出发生该事件的原因；

    所述步骤100进一步包括：

    步骤110：针对不同的设备布设不同类型、不同数量的传感器；所述传感器包括振动传感器、转速传感器和温度传感器；

    步骤120：对所述传感器进行分组，组建振动测量组；所述步骤120中，分组方法为：对布设的振动传感器按照设备或者部件的振动关联关系分组，每组至少一个振动传感器对应一个分时检测通道，每个振动传感器被PLC轮询控制；转速传感器和温度传感器接入PLC，并分别被归入各个组，使得振动传感器、转速传感器和温度传感器构成振动测量组；

    所述步骤200进一步包括：步骤210：PLC定制各振动测量组中振动传感器的轮询频次，所述轮询频次的定制方法为：在以时间周期                                               对个振动测量组进行轮询，第个振动测量组的轮询周期为，对于每个测量组而言，其轮询次数为；每一个振动测量组的轮询次数不同，；

    或所述步骤200是确定所述振动测量组的轮询周期，步骤200进一步包括：

步骤210：PLC定制各振动测量组的轮询周期，将所述轮询周期划分为多个时间片，定制各振动测量组内每个振动传感器所分配的时间片长度；PLC定制各振动测量组内在轮询周期内接通并采集转速传感器和温度传感器信号；

    所述步骤300进一步包括：步骤310：按照所述PLC定制的每个振动测量组的轮询方式，按照时间片长度轮流接通各该振动测量组中的振动传感器，并行采集每个振动测量组中的各传感器信息；所述分配时间片长度的方法为：在以时间周期对第个振动测量组内传感器进行轮询，对于第个振动传感器，其轮询时间片为，。