CN103439907B - 多信号采集的测速及反转保护控制装置和反转判定方法 - Google Patents

Abstract

一种多信号采集的测速及反转保护控制装置，它包括信号采集装置和控制器，信号采集装置用以采集被测旋转机械设备的旋转信号，控制器的信号输入端与信号采集装置连接，控制输出端与上位机或被测旋转机械设备的控制装置连接；信号采集装置包括信号发生装置和/或信号检测装置；所述控制器包括单片机、信号采集电路、脉冲整形电路、反相电路、DA转换模块、继电器输出电路、模拟信号输出电路、通讯模块、远程复位和旁路输入电路、按键模块、存储器模块、显示模块和电源模块。本发明实现了对被测旋转机械设备的正反转检测和保护，具有转速测量范围大、电压输入宽和输出有电流断路保护等特点，不仅功能强大，而且精度高，抗干扰强，适应性强。

Description

多信号采集的测速及反转保护控制装置和反转判定方法

技术领域

本发明涉及一种旋转机械设备的保护控制装置，具体地说是一种多信号采集的测速及反转保护控制装置和反转判定方法。

背景技术

电厂的汽轮发动机、工业汽轮机、内燃机、水泵及风速等各种旋转机械设备均需要转速测量和保护控制。

市场上各类转速表很多，但多数是配指定的传感器，对不同信号及传感器做不到通用，标准难统一，不能满足国际市场需要。带反转保护的转速表也有，但原理上存在一定的缺陷。总结判定正反转的方法有以下几种：

1、在旋转机械的轴承齿轮方位，安装二个相互垂直的传感器，分别定为第一为主传感器，第二为副传感器。当正转时，主传感器信号和副传感器信号间的相位差为30℃；反转时,两信号间相位差为90℃。这样利用正反转鉴别电路就能鉴别出机械的正反转，但是这种方法的缺点是成本高，安装不方便。

2、水泵转速测定及保护装置专利（申请号为97205954.7）用一个传感器加特殊齿轮来判断正反转。齿轮上加工几组大、中、小齿尖，宽度3：2：1。处理器经过判断不同脉冲序列即可判断正反转，但是该方法缺点是加工工艺较难，且使齿轮数量相对较少，减低转速测量精度。

3、用于内燃机的反转检测装置专利（申请号为200580023415.X）利用多个齿和一残齿部分，传感器经过时候根据产生的不同模拟信号的斜度或者说是不同校准信号输出来判定正反转。但是，这种方法对高速情况不太适宜，安装位置要求严格，抗干扰能力较低。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种多信号采集的测速及反转保护控制装置，其不仅能够测定旋转机械设备的转速，进行正反转检测和保护，而且能够测量精度高、抗干扰能力强；

本发明还提供了一种正反转判定方法，其通过一种测速齿轮进行被测旋转机械设备的正反转判定。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：多信号采集的测速及反转保护控制装置，包括信号采集装置和控制器，所述信号采集装置用以采集被测旋转机械设备的旋转信号，其特征是，所述控制器的信号输入端与信号采集装置连接，控制输出端与上位机或被测旋转机械设备的控制装置连接；

所述信号采集装置包括信号发生装置和/或信号检测装置；

所述控制器包括单片机、信号采集电路、脉冲整形电路、反相电路、DA转换模块、继电器输出电路、模拟信号输出电路、通讯模块、远程复位和旁路输入电路、按键模块、存储器模块、显示模块和电源模块；所述信号采集电路包括信号处理电路和比较电路，所述信号处理电路的输入端与模拟信号采集装置连接，输送到与比较电路的输入端连接，所述比较电路的输入端与脉冲整形电路连接，所述脉冲整形电路通过光电隔离电路分别与单片机和反相电路的输入端连接，所述反相电路的输出端与单片机连接；所述DA转换模块的输入端通过光电隔离电路与单片机连接，输出端与比较器的输入端连接；所述的继电器输出电路、模拟信号输出电路、通讯模块以及远程复位和旁路输入电路分别通过光电隔离电路与单片机连接；所述的按键模块、存储器模块、显示模块和电源模块分别与单片机连接。

优选地，所述信号发生装置包括电压信号发生装置和/或多波形信号发生器。

优选地，所述信号检测装置包括旋转编码器，所述旋转编码器设置在被测旋转机械设备的转轴上。

优选地，所述信号检测装置包括测速齿轮和非接触式检测装置，所述测速齿轮固定在被测旋转机械设备的转轴上，所述非接触式检测装置通过固定支架设置在测速齿轮的齿尖附近且与控制器连接；

所述测速齿轮的外周设置有若干组齿根和齿尖，所述若干组中的一组齿根和齿尖的宽度大于其它组齿根和齿尖的宽度，测速齿轮通过轴孔固定在被测旋转机械设备的转轴上；

所述非接触式检测装置包括磁电转速传感器、磁阻式转速传感器、霍尔转速传感、电涡流传感器和门接近开关。

进一步地，所述电源模块包括单端反激式3路输出开关电源和系统电源模块、传感器电源模块、数字电源模块和通讯电源模块，所述单端反激式3路输出开关电源的输入端通过防浪涌电路与输入电源连接，输出端包括DC+33V输出端、DC-33V输出端和DC+12V输出端；所述系统电源模块包括MC34063集成芯片、L7824三端稳压器、L7815三端稳压器、L7915三端稳压器和L7905三端稳压器，所述MC34063集成芯片、L7824三端稳压器和L7815三端稳压器分别与DC+33V输出端连接为控制器系统提供+5V、+24V和+15V的工作电压，所述L7915三端稳压器和L7905三端稳压器分别与DC-33V输出端连接为控制器系统提供-5V和-15V的工作电压；所述传感器电源模块包括2个分别与DC+33V输出端和DC-33V输出端连接的LM317三端稳压器，为传感器提供+3～+24V和-3～-24V的工作电压；所述数字电源模块包括LM1117三端稳压器，所述LM1117三端稳压器与DC+12V输出端连接为数字电路提供工作电压；所述通讯电源模块包括DC/DC隔离模块，所述DC/DC隔离模块与LM1117三端稳压器的输出端连接，为通讯模块提供工作电压。

进一步地，所述信号采集电路由放电管DT1、双向击穿二极管D1、反向二极管D2、反向二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和比较器A组成。

进一步地，所述显示模块包括数码显示管和驱动电路，所述数码显示管通过驱动电路与单片机连接。

进一步地，所述继电器输出电路包括通道OK继电器输出电路、零转速继电器输出电路、警告继电器输出电路和危险继电器输出电路，所述通道OK继电器输出电路连接有正常运行指示灯，所述零转速继电器输出电路连接与零转速指示灯，所述警告继电器输出电路连接有报警装置，所述危险继电器输出电路与被测旋转机械设备的控制装置连接。

进一步地，所述模拟信号输出电路包括4～20mA电流输出电路。

一种本发明所述的测速及反转保护控制装置的反转判定方法，其特征是，通过一种测速齿轮进行被测旋转机械设备的正反转判定，所述测速齿轮的外周设置有若干组齿根和齿尖，所述若干组中的一组齿根和齿尖的宽度大于其它组齿根和齿尖的宽度，测速齿轮通过轴孔固定在被测旋转机械设备的转轴上；

所述判定方法包括以下步骤：

（1）获取测速齿轮的旋转信息

所述非接触式检测装置设置在测速齿轮的齿尖一侧或测速齿轮的外圆上，且非接触式检测装置与测速齿轮的齿尖保持一定距离，非接触式检测装置将检测到齿尖信号发送给控制器；

（2）形成正反转序列脉冲

以任意测速齿轮位置开始转动的第一个齿尖和齿根作为第一个，最后一个为齿轮总数n，通过非接触式检测装置形成的齿尖和齿根的随机脉冲序列，通过控制器的外部中断操作或内部定时器获取测速齿轮的正反转序列脉冲宽度；

（3）正反转判定

规定逆时针为正转，控制器首先获取宽齿根的脉冲，再获取宽齿尖的脉冲，如果两个脉冲相邻则为正转；反之，如果控制器首先获取宽齿尖的脉冲，再获取宽齿根的脉冲，且两个脉冲相邻则为反转。

本发明的有益效果是：

本发明所述的测速及反转保护控制装置通过连接不同的信号采集装置，具有转速测量范围大、电压输入宽、输出有电流断路保护和正反转最大转速记忆值的特点，不仅功能强大，通过键盘设置可满足各种现场，而且硬件可靠，成本低，响应速度快，精度高，抗干扰强，适应性强。

本发明通过将测速齿轮固定在被测旋转机械设备的转轴上，通过非接触式检测装置采集测速齿轮的信号来进行被测旋转机械设备的转速测定，从而实现对被测旋转机械设备的正反转检测和保护。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明所述控制器的原理框图；

图3为本发明所述测速齿轮的结构示意图；

图4为本发明所述控制器的电源系统框图；

图5为本发明所述控制器的信号采集电路的电路图；

图6为本发明所述测速齿轮的齿尖和齿根的脉冲序列图；

图中，1测速齿轮、11齿尖、12齿根、13轴孔、2非接触式检测装置、3控制器、4固定支架；W1～Wn为齿尖的脉冲序列，B1～Bn为齿根的脉冲序列。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1所示，本发明的一种多信号采集的测速及反转保护控制装置，包括信号采集装置和控制器3，所述信号采集装置用以采集被测旋转机械设备的旋转信号，所述控制器3的信号输入端与信号采集装置连接，控制输出端与上位机或被测旋转机械设备的控制装置连接；所述信号采集装置包括信号发生装置和/或信号检测装置。其中，所述信号发生装置包括电压信号发生装置和/或多波形信号发生器；所述信号检测装置包括测速齿轮1和非接触式检测装置2，所述测速齿轮1固定在被测旋转机械设备的转轴上，所述非接触式检测装置2通过固定支架4设置在测速齿轮的齿尖附近且与控制器3连接；所述非接触式检测装置包括磁电转速传感器、磁阻式转速传感器、霍尔转速传感、电涡流传感器或门接近开关。

如图2所示，本发明所述的控制器包括ST系列的STM8S207S8工业单片机、信号采集电路、脉冲整形电路、反相电路、DA转换模块、继电器输出电路、模拟信号输出电路、通讯模块、远程复位和旁路输入电路、按键模块、存储器模块、显示模块和电源模块；所述信号采集电路包括信号处理电路和比较电路，所述信号处理电路的输入端与模拟信号采集装置连接，输送到与比较电路的输入端连接，所述比较电路的输入端与脉冲整形电路连接，所述脉冲整形电路通过光电隔离电路分别与单片机和反相电路的输入端连接，所述反相电路的输出端与单片机连接；所述DA转换模块的输入端通过光电隔离电路与单片机连接，输出端与比较器的输入端连接；所述的继电器输出电路、模拟信号输出电路、通讯模块以及远程复位和旁路输入电路分别通过光电隔离电路与单片机连接；所述的按键模块、存储器模块、显示模块和电源模块分别与单片机连接。

如图3所示，本发明所述的测速齿轮1的外周设置有若干组齿根12和齿尖11，所述若干组中的一组齿根和齿尖的宽度是其它组齿根和齿尖的宽度的二倍；所述其它组齿根和齿尖的齿跟弧度为α，齿尖弧度为β，该组齿根和齿尖的弧度分别为2α和2β，测速齿轮1通过轴孔13固定在被测旋转机械设备的转轴上。

如图4所示，进一步地，本发明所述的电源模块包括单端反激式3路输出开关电源和系统电源模块、传感器电源模块、数字电源模块和通讯电源模块，所述单端反激式3路输出开关电源的输入端通过防浪涌电路与输入电源连接，输出端包括DC+33V输出端、DC-33V输出端和DC+12V输出端；所述系统电源模块包括MC34063集成芯片、L7824三端稳压器、L7815三端稳压器、L7915三端稳压器和L7905三端稳压器，所述MC34063集成芯片、L7824三端稳压器和L7815三端稳压器分别与DC+33V输出端连接为控制器系统提供+5V、+24V和+15V的工作电压，所述L7915三端稳压器和L7905三端稳压器分别与DC-33V输出端连接为控制器系统提供-5V和-15V的工作电压；所述传感器电源模块包括2个分别与DC+33V输出端和DC-33V输出端连接的LM317三端稳压器，为传感器提供+3～+24V和-3～-24V的工作电压；所述数字电源模块包括LM1117三端稳压器，所述LM1117三端稳压器与DC+12V输出端连接为数字电路提供工作电压；所述通讯电源模块包括DC/DC隔离模块，所述DC/DC隔离模块与LM1117三端稳压器的输出端连接，为通讯模块提供工作电压。

如图5所示，进一步地，本发明所述的信号采集电路由放电管DT1、双向击穿二极管D1、反向二极管D2、反向二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和比较器A组成。

进一步地，本发明所述的显示模块包括数码显示管和驱动电路，所述数码显示管通过驱动电路与单片机连接。

进一步地，本发明所述的继电器输出电路包括通道OK继电器输出电路、零转速继电器输出电路、警告继电器输出电路和危险继电器输出电路，所述通道OK继电器输出电路连接有正常运行指示灯，所述零转速继电器输出电路连接与零转速指示灯，所述警告继电器输出电路连接有报警装置，所述危险继电器输出电路与被测旋转机械设备的控制装置连接。

进一步地，本发明所述的模拟信号输出电路包括4～20mA电流输出电路。

如图1、图3和图6所示，一种测速及反转保护控制装置的反转判定方法，它通过一种测速齿轮1进行被测旋转机械设备的正反转判定，所述测速齿轮1的外周设置有若干组齿根12和齿尖11，所述若干组中的一组齿根和齿尖的宽度是其它组齿根和齿尖的宽度的二倍；所述其它组齿根和齿尖的齿跟弧度为α，齿尖弧度为β，该组齿根和齿尖的弧度分别为2α和2β，测速齿轮1通过轴孔13固定在被测旋转机械设备的转轴上。

本发明所述判定方法包括以下步骤：

（1）获取测速齿轮的旋转信息

将非接触式检测装置2设置在测速齿轮1的齿尖11的外圆上，且非接触式检测装置2与测速齿轮1的齿尖1保持一定距离，非接触式检测装置1将检测到齿尖信号发送给控制器3；

（2）形成正反转序列脉冲

以任意测速齿轮位置开始转动的第一个齿尖11和齿根12作为第一个，最后一个为齿轮总数n，通过非接触式检测装置2形成的齿尖和齿根的随机脉冲序列（如图6所示），通过控制器3的外部中断操作或内部定时器获取测速齿轮的正反转序列脉冲宽度；

（3）正反转判定

规定逆时针为正转，控制器3首先获取宽齿根Bi+2的脉冲，再获取宽齿尖Wi+2的脉冲，如果两个脉冲相邻则为正转；反之，如果控制器首先获取宽齿尖Wi+2的脉冲，再获取宽齿根Bi+2的脉冲，且两个脉冲相邻则为反转。

确定Bi+2和Wi+2是齿根和齿尖脉冲系列中的最大宽脉冲的方法：采集一周的脉冲，通过寻找最大值的方法找到齿根和齿尖的所在位置。如果是相对匀速旋转情况下很容易找到，因为该宽脉冲的宽度是其他脉冲宽度的两倍，即使转速不稳也能有效判断；但如果在增速和降速的时就不能用简单方法找到，必须采用还原法解决。

设开始旋转时候第一个齿尖宽度（时间）为Wt，第一个齿根宽度（时间）为Bt；则按此刻瞬时速度作为平均速度，转一周n个齿尖的所需时间总和Tw，一周n个齿根的所需时间总和Tb，通过推算可知按第一脉冲旋转一周所需要时间Tp=Tw+Tb。

在非匀速运动时候，旋转一周需要时间并比一定是Tp，但可以求得所需要时间及时间差，进一步求得在每个齿轮上脉冲的变化量，通过增补方法可以还原成近似的匀速旋转运动，这样就很容易求得两路脉冲的极大值和所在位置。根据两路脉冲极大值的前后相位，即可判定旋转方向。

下面以内燃机为例来具体说明本发明的实施过程：

将本发明所述测速齿轮的轴孔固定在内燃机的转轴上，将电涡流传感器通过固定支架设置在测速齿轮的外圆上，电涡流传感器的探头朝向测速齿轮且与齿尖相距一定距离，并将电涡流传感器与控制器进行连接，所述控制器的危险继电器输出电路与内燃机跳闸电路的跳闸接触器连接。电涡流传感器将检测到的测速齿轮的信号发送给控制器，控制器根据接收到测速齿轮信号判断内燃机的正转还是反转，如果反转则通过危险继电器输出电路输出跳闸信号给内燃机跳闸电路的跳闸接触器来进行内燃机跳闸停机操作。

本发明所述的测速及反转保护控制装置的输入信号可为70mV\100mV\300mV\500mV\1V等，信号输入形式可为方波，正旋波，三角波等；传感器输入形式磁电转速传感器、磁阻式转速传感器、霍尔转速传感（单双通道）、电涡流传感器、NPN/PNP/OC门接近开关、旋转编码器，不仅具有低速和高度测量测量范围：0～99999RPM，宽电压输入，输出有电流断路保护，具有正反转最大转速记忆值，而且控制部分功能强大，通过键盘设置可满足各种现场，硬件可靠，成本低，响应速度快，抗干扰强，适应性强。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种测速及反转保护控制装置的反转判定方法，其特征是，通过一种测速齿轮进行被测旋转机械设备的正反转判定，所述测速齿轮的外周设置有若干组齿根和齿尖，所述若干组中的一组齿根和齿尖的宽度大于其它组齿根和齿尖的宽度，测速齿轮通过轴孔固定在被测旋转机械设备的转轴上；

所述判定方法包括以下步骤：

（1）获取测速齿轮的旋转信息

所述非接触式检测装置设置在测速齿轮的齿尖一侧或测速齿轮的外圆上，且非接触式检测装置与测速齿轮的齿尖保持一定距离，非接触式检测装置将检测到齿尖信号发送给控制器；

（2）形成正反转序列脉冲

以任意测速齿轮位置开始转动的第一个齿尖和齿根作为第一个，最后一个为齿轮总数n，通过非接触式检测装置形成的齿尖和齿根的随机脉冲序列，通过控制器的外部中断操作或内部定时器获取测速齿轮的正反转序列脉冲宽度；

（3）正反转判定

规定逆时针为正转，控制器首先获取宽齿根的脉冲，再获取宽齿尖的脉冲，如果两个脉冲相邻则为正转；反之，如果控制器首先获取宽齿尖的脉冲，再获取宽齿根的脉冲，且两个脉冲相邻则为反转。