CN104053616B - 用于监测传送带的状况的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供用于监测传送带的状况的系统和方法，其中传送带(9)设置成围绕至少驱动轮(20)和空转轮(21)旋转，并且电动机(22、23)设置成驱动该驱动轮(20)。至少一个传感器单元(10、11、13)设置成确定表示电动机(22、23)的至少一个操作变量的至少一个传感器信号(1、2、3、7)。在该系统中，至少一个数据处理单元(6)设置成从至少一个传感器信号(1、2、3、7)得出至少一个对应时间相关数据信号，以检测至少一个数据信号中的不规则(27、28)，其指示传送带(9)的接头区(26)通过驱动轮(20)和/或空转轮(21)，以从不规则(27、28)的形状或频率的变化来确定传送带的状况是否已经改变，并且向显示单元、存储单元和/或决策单元中的至少一个发送反映转送带的状况的变化的信号(30)。

Description

用于监测传送带的状况的系统和方法

本发明涉及用于监测传送带的状况的系统和方法，其中传送带设置成围绕至少驱动轮和空转轮旋转，电动机设置成驱动该驱动轮，并且该系统包括至少一个传感器单元。

带式传送机系统用于不同行业中以及特别是矿业中的散装材料或者货物运输。带式传送机系统的必不可少部分是传送带，其携带诸如煤或褐煤之类的散装材料或者货物，并且通过长距离连续地将其从一个点运输到另一个点。在矿业中，带式传送机系统经受恶劣环境条件，其引起传送带材料的磨损并且引起带的损坏、例如裂纹或裂口。这类损坏不仅降低传送带的使用寿命，以及如果没有及时识别以组织带的维护，则还可导致生产的意外停止。因为传送带在正常操作条件下连续移动，所以难以监测带的状况并且测量磨损的状态或者检测任何损坏。

本领域中已知还将例如应力传感器、感应回路或天线等嵌入式测量部件集成在传送带材料中。这些嵌入式测量部件例如经过无线通信或者经由超声或感应信号来与对应非接触式接收器进行交互，其中接收器附连到带式传送机系统的机械结构。

例如，US6047814公开一种用于监测连续移动带的方法，其中两个发射应答器设置在带中或者带上的带连接区中，连接区是传送带末端相互连接的区域。发射应答器在通过外部发射器/接收器单元的工作区时各向外部发射器/接收器单元发射信号。发射应答器是与线圈导电连接的集成电路。发射应答器因如下事实而定位在连接区中：认识到连接区是传送带中必须监测松动征兆的薄弱位置。

在DE102008018238A1中，公开一种用于弹性组件、例如由橡胶所制成的传送带的操作状态的无损检测的装置。在传送带中，弹性体编码器（elastomerencoder）嵌入两个所谓的测量区中，其中第一测量区与第二测量区相比，具有其抗张强度的不同及时行为。该装置还具有传感器站，通过其，源自弹性体编码器的磁场在通过传感器站时能够被检测，其中磁场则处理为与对应测量区的膨胀或拉长有关的信息。

US4436198描述一种传送带裂口检测系统，其中多个天线与带的移动方向大致横切地嵌入带中，并且相应天线进入与裂口检测器站处的发射器/接收器的电容耦合关系，并且向发射器/接收器发送电信号。传送带材料中的裂口或裂纹将经过对应天线断裂并且不向发射器/接收器发送任何信号来识别。

例如从US7427767B2已知一种用于识别传送带的状况的备选解决方案，其中描述一种设备，其捕获连续带段的二维图像。将所捕获的图像传送给评估装置，其中将图像与参考图像进行比较，并且确定与带的状况有关的至少一个陈述。图像使用电磁辐射、即可见红外或紫外光或者穿透性辐射、具体是X射线辐射来捕获。

本发明的目的是改进用于监测传送带的状况的已知系统和方法。

这个目的通过如独立权利要求所述的系统和方法来实现。

在按照本发明的系统中，至少一个传感器单元设置成确定表示驱动驱动轮的电动机的至少一个操作变量的至少一个传感器信号，以及至少一个数据处理单元设置成

·从至少一个传感器信号来得出至少一个对应数据时间相关数据信号，

·检测至少一个数据信号中的不规则，其指示传送带的接头区通过驱动轮和/或空转轮，

·从不规则的形状或频率的变化来确定传送带的状况是否已经改变，以及

·向显示单元、存储单元和/或决策单元中的至少一个发送反应传送带的状况的变化的监测输出信号。

按照本发明的方法包含由至少一个传感器单元并且由数据处理单元所执行的方法步骤。

通过所提出的系统和方法，不再需要将嵌入式传感器元件或测量部件集成在传送带中或者提供特定外部传感器、例如图像捕获设备。而是可用于传送带的正常操作的驱动电动机的传感器信息用于状况监测。相应地，与已知系统相比，安装、操作和维护状况监测系统的工作量极大地降低。

在从传感器信息所得出的一个或多个时间相关数据信号中，检测不规则，其指示带的接头区通过驱动轮和/或空转轮的时间点。接头区是传送带末端相互连接以形成接合处或汇合处的区域。接合处通过搭接或对接、笔直或者偏置地进行，并且它经过硬化或机械部件来结合在一起。接头区又可称作接合区或连接区。

一般来说，本发明基于对如下事实的认识：上述不规则能够在带式传送机系统所取的测量信号中持久地观测，因为接头区因较厚而具有与传送带的其余部分不同的机械特性。因此，接头区向驱动轮和/或空转轮施加与带的其余部分不同的力。

当传送带的状况发生变化时，即，当带材料变弱或者开始拉长时或者当也引起带的开始拉长的裂口和裂纹发生时，不规则的形状和/或频率开始与未损坏传送带所发生的那些不规则有所不同。按照本发明，这些差异由数据处理单元来检测，并且对应监测输出信号被显示和/或存储，和/或发送给决策单元，以用于判定传送带的维护或更换是否成为必要。

因此，提出用于传送带的状态的无创监测的系统和方法，其易于在现有传送带系统中实现。由于使用电动机的通常可用的传感器信息，所以避免将测量部件集成在带材料中以及在带式传送机系统设置对应接收装置或外部传感器装置的工作。

优选地，电动机的至少一个操作变量是电压、电流、转速、加速度、转矩或力信号其中之一，以及至少一个传感器单元是电流和/或电压传感器、速度编码器、转矩换能器、例如应变仪或者力换能器。

至少一个数据信号可表示随时间变化的幅度或频谱，其中频谱的相关性通过从对应传感器信号反复得出后续时间点的频谱来取得。

至少一个数据处理单元可以是单个独立处理装置或者可以是相互配合操作的两个或更多处理装置，其中两个或更多处理装置可集成在同一个计算机单元中或者独立单元中。

在一优选实施例中，处理装置的一个或多个是电转换器、具体来说是频率转换器，其中转换器连接到电动机，并且设置成向其提供电流和/或电压。大多数电动机当今经由对应电转换器来供电和控制，其中在属于转换器的处理装置中执行控制。这个处理装置提供有分别表示电动机的一个或多个操作变量的一个或多个传感器信号，并且它从这些传感器信号来得出控制功能所需要的对应时间相关数据信号，例如电流、电压、转矩和/或速度。相应地，特别有利的是，在传送带的驱动电动机经由电转换器来供电时的那些情况下应用所提出的监测方法，因为所需数据信号已经存在，并且仅需要相对不规则作进一步处理。

至少一个数据处理单元可设置成通过将不规则的形状和/或频率与对应阈值或者与参考不规则的形状和频率进行比较，来确定传送带的状况是否已经改变，其中参考不规则有利地表示未损坏和健康传送带。备选地，基于模型的状态观测器可用于确定传送带的状态或状况。

不规则的形状可从幅度高度和/或从不规则的峰值宽度的变化来确定。

在系统的一实施例中以及在对应方法中，至少一个传感器单元设置成确定分别表示电动机的第一和第二操作变量的第一传感器信号和第二传感器信号，并且其中至少一个数据处理单元设置成得出对应第一和第二数据信号，以及在电动机的对应操作变量控制成遵循第一参考变量时检测第一信号中的不规则，或者在电动机的对应操作变量控制成遵循第二参考变量时检测第二信号中的不规则。

第一传感器信号例如可以是速度信号，以及第二传感器信号可以是转矩信号。速度和转矩是电动机的机械操作变量，其均能够被控制。一般来说，由于控制算法一般对任何不希望的不规则起反应并且设法将其减少，所以与未受控制变量的数据信号相比，接头区的效果在与可控变量对应的数据信号中变得不太可见。因此，建议而是寻找未受控制变量的信号中的不规则，即，如果电动机的转矩被控制，则观测速度信号中的不规则，反过来也是一样。

可通过还考虑振动数据信号(其可采取振动测量单元所传递的加速度或速度传感器信号的形式来得出)，来扩展用于监测传送带的状况的系统和方法，其中振动测量单元测量附连到电动机的机械部件、例如电动机鼓（motordrum）、齿轮或轴承的振动。

在该系统的另一扩展中，传送带设置成进一步围绕拉紧轮旋转，并且至少一个数据处理单元设置成通过进一步考虑由测量拉紧轮的位移的距离测量单元所传递的位移传感器信号，来确定传送带的状况的变化。

更进一步，可考虑由力测量单元所传递的带张力传感器信号和/或由观测传送带的辐射传感器所传递的图像传感器信号。

通过以下结合附图所述的示例及其实施例，本发明及其实施例将变得显而易见，附图示出：

图1是具有接头区的传送带，

图2是用于监测传送带的状况的系统，

图3是图2中具有其它传感器单元的系统的部分，

图4是图1的驱动轮的滚筒力（cylinderforce）的简图，

图5是驱动图1的传送带的电动机的转速的时间相关频谱，

图6是驱动图1的传送带的电动机的转矩的时间相关频谱，

图7是在不同时间、用于图1的电动机的转速和转矩的随时间变化的幅度图。

图1示出简单传送带9，其围绕驱动轮20和空转轮21旋转。传送带比较短，长度大约为18米。传送带具有一个接头区26，其中接头区是带材料末端重叠并且相互固定的区域。其它并且具体来说较长的传送带可具有不只一个接头区。图1的传送带的接头区大约为4米长。电动机23驱动该驱动轮，其中齿轮24安装在电动机23与驱动轮21之间。

图4示出在图1的空转轮21的滚筒（cylinder）所取的力换能器的测量信号。除了在该图的上部区域中示为实线的力信号之外，图4还示出带圈数、即带的回转数。对应线条是该图的下部区域中的虚线。如能够看到的，第111和第112圈以其全长示出。

图1和图4的传送带9未损坏，没有任何裂口或裂纹。图4所示的操作状态是传送带的线性加速度。相应地，滚筒力应当只示出线性增加。但是，采取峰值27的形式的两个不规则在时间点T1和T2、在第111圈期间、在力信号中发生，以及采取峰值28的形式的两个不规则在时间点T3和T4、在第112圈期间发生。如本发明的发明人认识到，这些峰值不是异常，而是频繁地发生，并且分别与接头区驱动轮20和空转轮21处通过一致。换言之，两个峰值27和28中的第一个始终在接头区26通过驱动轮20时始终发生，以及两个峰值27和28中的第二个指示空转轮21的通过。

其它测试已经表明，还有可能观测转速以及电动机的电流和转矩的信号中的相似种类的不规则。

在图5至图7中，示出图1的传送带9的长时间测试的结果。图5示出电动机23中的转速的一系列频谱，其在后续时间点t生成。在这个具体示例中，在前一个之后的大约30分钟计算各频谱，使得图5覆盖大约两天的总时间期间。幅度和频率范围均调整成使得实际电动机频率的主导幅度不是可见的。第一行相当大的幅度属于传送带9的旋转频率f1，以及第二行甚至更高的幅度属于对应一次谐波f2，即，属于转送带9的双倍旋转频率。来看图4，清楚地知道，旋转频率f1对应于两个峰值27和28中的相应第一个之间的时间差，即，它通过传送带用来分别通过轮20或21其中之一的时间期间来定义。旋转频率f1在频谱中如此清楚可见归因于接头区的上述效果。

图6与图5的不同之处仅在于，示出电动机23的转矩而不是转速n。在这里，在传送带9的旋转频率f1以及在其一次谐波f2的幅度再次非常重要。

现在借助于图7来说明如何执行传送带9的长时间测试。图7中，示出后续时间期间的电动机23的经滤波速度信号n_filt和经滤波转矩信号M_filt，其中滤波采用带通滤波器来执行，以便从相应信号n和M中提取一次谐波f2，并且各经滤波信号n_filt1和M_filt1的最上侧图均示出在测试之一开始的第一时间期间，中间的简图n_filt2和M_filt2属于测试中间的第二时间期间，以及相应最底部简图n_filt3和M_filt3均示出接近测试结束的第三时间期间。

测试的一般目标是使传送带处于相当大的机械应力之下，以便模拟繁重操作条件，并且以便找出传送带的变弱是否在电动机23的测量操作变量中是可检测的。在图7的第三时间期间，传送带9开始表明明显的磨损征兆，以及此后，测试结束于传送带9开始破裂。

如从n_filt和M_filt的最上侧图能够看到，幅度在两个信号中循环地增加和减小，其中各循环花费大约50秒。这是由于以正好50秒的循环时间周期地施加到传送带9、以便模拟带上的循环负荷的外力。

已经认识到，在传送带开始破裂之前不久，n_filt和M_filt的幅度显著减小，即，旋转带频率f1的相应一次谐波f2的幅度减小，其中这些幅度等于接头区所引起的电动机的转速n和转矩M中的峰值。这个效果能够不仅在图7中、而且还在图5和图6中清楚地看到，其中n和M的幅度朝时间轴t的末端减小。减小幅度的一种可能说明在于，接头区的刚性随带材料的增加磨损而衰退，使得对驱动轮和空转轮的机械冲击不太强烈。

转矩M和转速n是电动机23的机械操作变量。由于转矩M对应于电流，所以如上所述的类似效果在电动机23的这个电操作变量中也是可见的。

如本发明的认识到，由于电动机23的操作变量的传感器信号中发生的不规则或峰值，这些信号能够用来实现用于监测传送带9的状况的系统和方法。这种系统的组件的示例在图2和图3中示出。

图2中，示出向传送带9的驱动轮20施加驱动力的电动机23和齿轮24的顶视图。电动机23是永磁体感应电动机。为了操作电动机23，安装频率转换器12。在传送带9的正常操作期间，频率转换器12从电流传感器单元13接收电流信号1和2，其中电流信号1和2表示电动机23的三个绕组中的两个的定子电流。从两个电流信号1和2，转换器12中的处理单元31得出电动机23的转速n的数据信号3和转矩M的数据信号7，并且确定将要施加到电动机23的三个绕组的电压32、33、34的信号。三个电压32至34则由转换器12的功率电子部件来生成。

为了实现用于监测传送带9的状况的系统和方法，安装另一数据处理单元6，其从转换器12分别接收转速和转矩的数据信号3、7。数据处理单元6在数据信号3和7的至少一个中检测指示接头区26通过驱动轮20和/或空转轮21的不规则或峰值。对多个时间检测这些不规则或峰值，使得能够识别不规则的形状或频率的变化，并且从这个变化来确定传送带的状况是否已经改变。当针对图4至图6应用上述发现时，数据处理单元6从数据信号3中或者数据信号7中或者两个数据信号中或者对应频谱中的一次谐波f2的幅度的减小来检测传送带9中即将发生的裂纹。在最终步骤，处理单元6向显示单元、诸如数据记录器或历史服务器之类的存储单元和/或决策单元中的至少一个发送监测输出信号30，其优选地是数据消息。输出信号30反应传输带的状况的所检测变化。在图4至图6的示例中，输出信号30例如可能是陈述传送带9中的裂纹不久可能发生的告警，或者它可能是尽可能快地停止传送带9并且执行维护措施的直接指令。数据信号30可连续地发出或者仅当传送带的状况的变化发生时发出。

图2中，驱动轮20的备选驱动设想以及得到操作变量的传感器信号的备选方式以虚线示出。代替电动机和齿轮，可使用无齿轮电动机22，其按照直接连接机械地耦合到驱动轮20的轴或鼓。电动机22的转速的传感器信号36由速度编码器10来得到，以及转矩的传感器信号37由转矩换能器11来得到。将这两个传感器信号36和37传送给频率转换器12，其中为了控制电动机22而按照上述方式对其处理和使用。处理单元31从传感器信号36生成电动机22的转速的数据信号3，并且将它发送给处理单元6。与以上针对电动机23加齿轮24所述的示例相对照，电动机22的转矩的数据信号7由处理单元6而不是转换器12的处理单元31从传感器信号37来生成。数据信号3和7再次用于按照与以上所述相同的方式来监测传送带9的状况。

除了分别操作电动机22或23的变量之外，其它传感器信息也能够用来改进处理单元6的输出信号30的可靠性和可用性。例如，振动测量单元18可传递振动传感器信号17，其中振动测量单元18测量机械部件(其附连到电动机23，例如驱动轮20的鼓、齿轮24或者驱动轮20的轴中的轴承)的振动。在振动传感器信号17中，接头区26在轮20或21之一处通过是按照与电动机23的操作变量中相同的方式可检测的。

可由处理单元6用于改进状况监测的结果的其它传感器信息在图3中示出。与图2相比，这次以侧视图仅示出无齿轮电动机22连同驱动轮20。传送带9设置成进一步围绕拉紧轮16和另一空转轮25旋转。拉紧轮16用来将预定义张力施加到传送带9，其中张力经过拉紧轮16的位移来取得。位移38由距离测量单元15来测量，并且作为位移传感器信号5来传递给处理单元6。另外，传送带9的张力39可由力测量14来测量，并且作为带张力传感器信号4发射给处理单元6。

更进一步，处理单元6可对状况监测来考虑由辐射传感器19(其观测传送带9)所传递的图像传感器信号8。

能够得到所有这些传感器信号，而无需对传送带中的嵌入式传感器部件或元件的集成的要求，即，所有这些感测方法是无创的，并且能够以相当少的工作量来安装和实现。

Claims (13)

1.一种用于监测传送带的状况的系统，其中所述传送带(9)设置成围绕至少驱动轮(20)和空转轮(21)旋转，并且电动机(22，23)设置成驱动所述驱动轮(20)，所述系统包括

·至少一个数据处理单元(6)，

·至少一个传感器单元(10，11，13)，

其特征在于，所述至少一个传感器单元(10，11，13)设置成确定表示所述电动机(22，23)的至少一个操作变量的至少一个传感器信号(1，2)，并且所述至少一个数据处理单元(6，31)设置成

·从所述至少一个传感器信号(1，2)来得出至少一个数据信号，其中所述至少一个传感器信号和所述至少一个数据信号是对应时间相关的，

·检测所述至少一个数据信号中的不规则(27，28)，其指示所述传送带(9)的接头区(26)通过所述驱动轮(20)和/或所述空转轮(21)，

·从所述不规则(27，28)的形状或频率的变化来确定所述传送带的所述状况是否已经改变，以及

·向显示单元、存储单元和/或决策单元中的至少一个发送反应所述传送带的所述状况的变化的监测输出信号(30)。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个操作变量是电压、电流(1，2)、转速、加速度、转矩或力。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个传感器单元(10，11，13)是电流和/或电压传感器(13)、速度编码器(10)、转矩换能器(11)或者力换能器。

4.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个数据信号表示随时间变化的幅度或频谱。

5.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个数据处理单元(6)是独立处理装置和/或转换器(12)的集成部分，其中所述转换器连接到所述电动机(22，23)，并且设置成向其提供电流和/或电压。

6.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个数据处理单元设置成通过将所述不规则的所述形状和/或频率与对应阈值或者与参考不规则的形状频率进行比较、或者通过使用基于模型的状态观测器，来确定所述传送带的所述状况是否已经改变。

7.如以上权利要求4所述的系统，其中，所述至少一个数据处理单元设置成从所述幅度高度的变化和/或从所述不规则的峰值的宽度的变化来确定所述不规则的所述形状的变化。

8.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个传感器单元设置成确定分别表示所述电动机的第一(n)操作变量和第二(M)操作变量的第一传感器信号和第二传感器信号，并且其中所述至少一个数据处理单元(6)设置成得出对应第一数据信号(3)和第二数据信号(7)，以及在所述电动机的第一(n)操作变量控制成遵循第一参考变量时检测所述第一数据信号(3)中的不规则，或者在所述电动机的第二(M)操作变量控制成遵循第二参考变量时检测所述第二数据信号(7)中的不规则。

9.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个数据处理单元设置成通过进一步考虑由测量附连到所述电动机的机械部件的振动的振动测量单元(18)所传递的振动传感器信号(17)，来确定所述传送带的所述状况的变化。

10.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述传送带设置成进一步围绕拉紧轮(16)旋转，并且所述至少一个数据处理单元设置成通过进一步考虑由测量所述拉紧轮(16)的位移的距离测量单元(15)所传递的位移传感器信号(5)，来确定所述传送带的所述状况的变化。

11.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个数据处理单元设置成通过进一步考虑力测量单元(14)所传递的带张力传感器信号(4)，来确定所述传送带的所述状况的变化。

12.如以上权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个数据处理单元设置成通过进一步考虑由观测所述传送带的辐射传感器(19)所传递的图像传感器信号(8)，来确定所述传送带的所述状况的变化。

13.一种用于监测传送带的状况的方法，其中传送带(9)设置成围绕至少驱动轮(20)和空转轮(21)旋转，并且电动机(22，23)设置成驱动所述驱动轮(20)，

其特征在于下列步骤

·确定表示所述电动机(22，23)的至少一个操作变量的至少一个传感器信号(1，2)，

·从所述至少一个传感器信号(1，2)来得出至少一个数据信号，其中所述至少一个传感器信号和所述至少一个数据信号是对应时间相关的，

·检测所述至少一个数据信号中的不规则(27，28)，其指示所述传送带(9)的接头区(26)通过所述驱动轮(20)和/或所述空转轮(21)，

·从所述不规则(27，28)的形状或时间点(T1，T2，T3，T4)的变化来确定所述传送带的所述状况是否已经改变，

·向显示单元、存储单元和/或决策单元中的至少一个发送反应所述传送带的所述状况的变化的监测输出信号(30)。