CN104192721A - 起重机运行监管仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机运行监管仪，包括用于采集相关变频器和控制装置工作参数的数据采集电路、用于控制报警的报警电路，用于数据存储的存储器，用于实现与外部设备之间的通信的通信电路以及中央控制单元，所述中央控制单元与所述数据采集电路、报警电路、存储器和通信电路通信连接，进行分析运算，在符合报警条件时生成报警指令；将相关数据送入存储器；依据来自所述通信电路的存储请求，从存储器中读取有关数据并通过所述通信电路对外传输。本发明自动、有效、精确在线检测电机的运行状况，自动保存数据，并对电机的运行数据进行分析，在出现错误时进行提示或自动纠错，主要适应于外转子低速大力矩永磁同步电机以及基于这种电机的起重机。

Description

起重机运行监管仪

技术领域

本发明涉及一种起重机运行监管仪，主要适用于永磁同步电机，特别是外转子低速大力矩永磁同步电机以及基于这种电机的起重机。

背景技术

随着国内起重行业技术的发展，不断推出涉及起重行业的新的安全法律、法规和制度，对完善起重机安全提出了更高要求，而现有起重机安全监管模式是采用公共上位机进行数据记录，虽然很多起重机都配置有上位机或监控系统，但由于数据采集和上位机管理上使用单位存在维护不当或干脆不开机，或者上位机只作为电脑使用等原因，使上位机处于可用可不用的状态，由此使监管缺位，带来安全上的风险。另外，现有这种监管系统没有对运行状态进行分析，不能够给设备运行进行纠错；并且当起重机发生事故造成上位机损坏时，还将导致数据无法保存，因此亟待开发出一种更为可靠有效的安全监管装置。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种起重机运行监管仪，可以自动、有效、精确在线检测起重机的运行状况，自动保存数据，并可以对起重机的运行数据进行分析，在出现错误时进行提示或自动纠错。

本发明实现上述目的所采用的技术方案：一种起重机运行监管仪，用于永磁同步电机，所述永磁同步电机设有变频器和控制装置，包括：

数据采集电路，与所述变频器和控制装置通信连接，用于采集变频器和控制装置的工作参数；

报警电路，设有报警元件，用于根据中央控制单元的报警指令，控制所述报警元件进行报警；

存储器，用于数据存储；

通信电路，用于同外部设备进行连接并进行数据传输；和

中央控制单元，与所述数据采集电路、报警电路、存储器和通信电路通信连接，根据来自所述数据采集电路的数据进行分析运算，在符合报警条件时生成报警指令，送入所述报警电路，将相关数据送入存储器，依据来自所述通信电路的存储请求，从存储器中读取有关数据并通过所述通信电路送出到外部其他设备。在现有技术背景下，所述存储器的工作方式可以依据现有技术，在所述中央控制单元的控制下进行数据的写入，也可以依据现有技术增加存储器与其他部分的直接通信，例如，直接记录和存储来自数据采集电路的数据或来自通信电路的远程数据，具体方式可以依据现有技术或其他任意适宜的技术实现。

优选地，所述来自所述数据采集电路的数据通常可以包括电机运行速度数据，所述电机运行速度数据可以依据电机编码器的传感信号生成，也可以依据电机电压信息生成。

所述电机编码器安装在所述电机上，其旋转件通常应该与所述电机的转子同步旋转连接，所述电机电压信息由能够采集电机电压信息的电压传感器在线采集，所述电压传感器可以安装在用于向电机供电的变频器上，也可以安装在控制柜内，或者与电机连接在一起或其他任意适宜的地方，其结构和信息采集方式均可以依据现有技术或其他任意适宜的技术。

优选地，所述来自所述数据采集电路的数据通常可以包括电机荷载数据，所述电机荷载数据依据电机电流信息生成，当用于起重机时，所述电机荷载数据也可以来自安装在钢丝绳上的吊重测重仪。所述电机荷载可以是连接在电机上的旋转荷载，当电机用于起重机的起升机构时，所述电机荷载通常可为吊重。

优选地，所述电机电流信息可以由能够采集电机电流信息的电流传感器在线采集。所述电流传感器可以安装用于向电机供电的变频器上，也可以安装在控制柜内，或者与电机连接在一起或其他任意适宜的地方，其结构和信息采集方式均可以依据现有技术或其他任意适宜的技术。

优选地，这种监管仪可以在系统（可以是受监管仪监管的电机，也可以是含有该电机的起重机或其他应用电机的系统）启动时自动启动，电机运行时实时记录电机的运行状态。由于电机的启动（还可包括停止）存在有相应的电信号，因此可以将相应电信号作为启动（还可包括停止）监管仪的电信号，相应电信号和采用相应电信号启动（还可包括停止）监管仪的方法均可以采用现有技术下电子装置的启动和停止方法。

优选地，所述通信电路为USB接口电路和/或能够与上位机通信的有线或无线通信电路，所述UBS接口电路设有USB插口。   

优选地，所述存储器的外侧设有保护层，所述保护层的内层为环绕包裹所述存储器的铝箔层，所述保护层的外层由干石英材料制成。

优选地，所述数据采集电路、报警电路、存储器、通信电路和中央控制单元安装在监管仪壳体内，所述控制装置采用控制柜形式，所述监管仪壳体安装在所述控制柜内。

优选地，这种监管仪可以用于起重机，所述起重机的起升机构主要由外转子低速大力矩永磁同步电机组成，所述外转子低速大力矩永磁同步电机的外转子直接用作所述起升机构的卷筒，用于连接并缠绕起重机钢丝绳。

本发明的有益效果：

能够进行数据记录、存储并具有一定分析处理能力，实时在线采集各种信息/数据，这些数据的采集分析和记录存储等均不依赖于上位机是否工作，因此消除了因上位机没有正常工作带来的监管失效，保证了监管的可靠性和有效性；

将相关数据适时存储到存储器中，通过保护层对存储器进行保护，在外力冲击和火灾的情况下，依然能够保存有这些数据，进一步提高了数据的安全性；

将监管仪的电子部分放置在监管仪壳体内，并可以将监管仪壳体设置在控制柜内，进一步提高安全性，使监管仪形同能够长期记录和保存数据的黑匣子，不仅方便有关人员随时了解情况，还可以通过现有技术下相应的技术手段保证所记录的数据不被破坏和改写；

通过通信电路，可以通过有线或无线方式与上位机连接，或者接入电子通信网络，以便上位机获得相关数据，进行相关数据和图表的查看，传递控制指令，进行数据分析和存储等等，并可以通过u盘进行下载和存储，作为一个便于现场中使用的实施方式，依据现有技术，还可以通过适宜的程序设置，在将u盘插入USB插口时自动进行数据传递和存储，可以由相关人员交接班或巡检时携带u盘进行相关操作，以更好地适应目前常见的现场条件和人们的操作习惯；

采用自动依据电机启动而启动，电机运行时实时记录电机的运行状态的工作方式，自动实现了全部必要的数据采集、记录、分析和存储，由此避免了人工操作下可能出现的失误甚至故意造假，由此保证了数据的真实性和可靠性；

依据电机电流（电机的输入电流）信息生成电机荷载数据，极大地简化了荷载信息的采集过程，极大地简化了相应的数据处理量，提高了传感信息的精度，避免了各种基于金属形变的机械式荷载传感器在不同工作过程中的数据失真，减小或避免了机械式荷载传感器存在的安装松动和错位的问题，电流传感器可以安装在电机上（电机输入端）、控制柜中和变频器上等任何适宜的地方，以适宜不同的现场情况，还可以利用变频器或控制柜中原有电流传感器，以简化设备，降低成本，方便操作。根据申请人的研究，在永磁同步电机（包括外转子低速大力矩永磁同步电机及基于外转子低速大力矩永磁同步电机的起重机起升机构）的合理控制范围内，永磁同步电机的荷载（包括旋转荷载和起重机吊重）与电流存在正相关关系，图3显示了一种用作起重机无齿轮起升机构的外转子低速大力矩永磁同步电机的电流负载曲线，在任意确定的电流下都对应于确定的吊重，因此根据电机电流就可以计算得出电机的荷载。

依据电机电压（电机的输入电压）信息生成电机运行速度数据，极大地简化了电机运行速度信息的采集过程，极大地简化了相应的数据处理量，避免了现有编码器正反转下的误差，减小或避免了编码器因安装松动和错位的问题，电压传感器可以安装在电机上（电机输入端）、控制柜中和变频器上等任何适宜的地方，以适应不同的现场情况，还可以利用变频器或控制柜中原有电压传感器，以简化设备，降低成本，方便操作。根据申请人的研究，在永磁同步电机（包括外转子低速大力矩永磁同步电机及基于外转子低速大力矩永磁同步电机的起重机起升机构）的合理控制范围内，永磁同步电机的运行速度与电压存在正相关关系，图4显示了一种用作起重机无齿轮起升机构的外转子低速大力矩永磁同步电机的电压转速曲线，在任意确定的电压下都对应于确定的转速，因此根据电机电压就可以计算得出电机的转速。

本发明适应于各种永磁同步电机，特别是外转子低速大力矩永磁同步电机以及基于这种电机的起重机。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；

图2是本发明一种应用方式下的结构示意图；

图3是永磁同步电机的电流荷载曲线；

图4是永磁同步电机的电压转速曲线。

具体实施方式

    下面，以用作起重机起升机构的外转子低速大力矩永磁同步电机为例，说明本发明的具体实施方式。

参见图1和图2，本发明公开了一种对电机运行进行日常监管、运行维护、数据、故障记录为一体的综合监管仪，其主要由中央控制单元、数据采集电路、报警电路、存储器和通信电路组成，其中，数据采集电路用于采集相关变频器和控制装置的工作参数，所采集的变频器的工作参数主要是电机的运行数据，主要包括运行电流、电压、频率、输出功率、输入信号、故障等，所采集的控制装置的工作参数主要包括plc控制信号及外部各传感器信号；报警电路，设有报警元件，用于根据中央控制单元的报警指令，控制所述报警元件进行报警；存储器，用于数据存储；通信电路，用于实现与外部设备之间的通信；中央控制单元，与所述数据采集电路、报警电路、存储器和通信电路通信连接，用于根据来自所述数据采集电路的数据进行分析运算，在符合报警条件时生成报警指令，送入所述报警电路；将相关数据送入存储器；依据来自所述通信电路的存储请求，从存储器中读取有关数据并通过所述通信电路对外传输。

所述起重机运行监管仪通常可以安装于起重机的控制柜中，从控制柜的plc中采集输入输出点、各数据动作状态，从变频器中采集变频器的输入和输出命令，传输变频器的各数据参数，实现对起重设备运行时的操作和数据记录，并通过数据处理，对运行中出现的错误操作和数据异常进行报警，并对数据进行存储。通过与变频器的通讯记录起重机运行过程的各种参量，数据采集电路通过与电气控制系统（控制装置）通讯和采集外部信号，传输记录各机构的运行电流、电压、电机温度、吊重量、运行速度、起重时间、温度、湿度、供电电压（电机电压）和供电电流（电机电流）等，通过中央控制单元处理，根据各信号的关系，计算出是否到达工作级别，计算出是否运行中存在错误；当运行存在错误时，报警电路会给出报警。

本发明的监管仪构成简单，体积小，便于安装于电气控制单元（电控柜）内，监管仪的壳体上留出信号采集通讯口和数据传输口的插口，壳体由0.5cm不锈钢板制成，能有效防止外部冲击和挤压，存储器的保护层内层环绕有一铝箔层，铝箔层外由0.5cm厚的干石英材料提供高温保护高温绝缘体，形成保护层的外层，保护数据存储器防止事故后的火灾。

本发明的监管仪不需要人为干预，当起重机控制系统（或称控制装置，通常采用PLC实现）启动开始工作，监管仪就自行启动，记录运行n天的数据（可以设定具体天数），当用户需要采集某一周期的数据时，设有USB接口，只需把适于USB接口的u盘（闪存盘）等移动存储设备插入，监管仪就自行在移动存储设备上生成一特定文件，用户直接在pc机上就可读出记录数据，或者，用户也可以直接用pc机连接该监管仪，可以直接读出存储数据。

所述监管仪的所有数据都存储于存储单元（或称存储器）中，可根据需要采用适当容量的存储器，例如，可选择存储数据的周期可达到30天以上的数据容量的存储器。该存储单元防水、防热、防火、防高压、防爆，当起重设备造成毁灭性损伤，存储单元不会受损坏，便于事后分析故障原因。

所述监管仪对起重机的运行状态进行监测和记录，主要包括吊重状态记录、吊重状态检测、运行周期记录、运行劳动强度频率监测、运行速度监测，并可以通过预设的安全系数计算，当运行出现超过工作级别，报警模块通过声光的形式报警。

其中，所述电机运行速度数据依据电机电压信息生成和所述电机荷载数据依据电机电流信息生成的原理如下：

对所述永磁同步电机进行                                               =0的矢量控制，在控制器的作用下，绕组供电电流（即定子电流）只有纯转矩电流，而没有励磁电流。电机运行在这种模式下，电机荷载与绕组供电电流的关系如图3所示，电机运行速度与绕组供电电压（即定子电压）的关系如图4所示，即每对参数间具有确定的一一对应关系，因此，直接获取到电机电压信息和电流信息，就相当于知道了电机运行速度和电机荷载，相比现有技术下的各种直接检测电机运行速度和电机荷载的检测方式更为可靠，且实现起来更为简单、快捷。

所述监管仪设有监管仪壳体，监管仪壳体由0.5cm不锈钢板制成，能有效防止外部冲击和挤压。监管仪内部主要分为两个部分，一部分由数据采集电路、中央控制单元、报警电路、通信电路组成，一部分由存储器组成，存储器的保护层内层为环绕铝箔层，铝箔层外由0.5cm厚的干石英材料提供高温保护高温绝缘体，形成保护层的外层，保护存储器防止事故后的火灾。

所述通信电路设有相应的通信接口，包括数据监控系统及移动存储器接口1、plc数据通讯接口2和变频器通讯接口3。各通信接口和采集信号通讯口设置在所述监管仪壳体上。监管仪体积相对较小，方便安装于起重机控制柜中；所要采集的数据来自plc数据通信接口和变频器通讯接口，监管仪通过与plc通讯，记录下plc内所有输入点、输出点和外部采集到的模拟量、数字量信号的实时状态，如变频器与plc可以通讯，plc能读取变频器各运行数据，则监管仪通过plc记录变频器的各数据状态。如果plc控制系统与变频器不是通讯控制，则监管仪可以通过变频器通讯接口与变频器通讯，并且针对不同变频器可以集成通讯，如RS232、RS485、以太网、Profibus等通讯方式，通过变频器读取变频器外部输入信号、输出信号和变频器内部参数，记录变频器运行的电流、频率、电压、内部温度等信号。存储器接口1为USB接口和RS232和/或以太网接口等任意适宜的形式和任意适宜的组合，USB接口可以很方便的与U盘及移动存储设备相连，RS232和以太网接口与电脑上位机通讯。

为表述上的便利，本发明所称电机为电动机。

为了表述上的便利，除特别说明外，本发明所称外转子低速大力矩永磁同步电机泛指这种电机本身及基于这种电机的各种具体应用形式，例如基于外转子低速大力矩永磁同步电机的起重机无齿轮起升机构。

本发明所称基于外转子低速大力矩永磁同步电机的起重机无齿轮起升机构是指以将这种电机的外转子用作起升机构的卷筒直接缠绕和牵制钢丝绳进行起升作业的起重机起升机构，这种起升机构不需要设置齿轮箱，由此极大地简化了结构，减小了体积，降低了能耗，减少了故障，方便了操作和维护。

Claims (10)

1.一种起重机运行监管仪，其特征在于包括：

数据采集电路，用于采集相关变频器和控制装置的工作参数；

报警电路，设有报警元件，用于根据中央控制单元的报警指令，控制所述报警元件进行报警；

存储器，用于数据存储；

通信电路，用于实现与外部设备之间的通信；和

中央控制单元，与所述数据采集电路、报警电路、存储器和通信电路通信连接，根据来自所述数据采集电路的数据进行分析运算，在符合报警条件时生成报警指令，送入所述报警电路；将相关数据送入存储器；依据来自所述通信电路的存储请求，从存储器中读取有关数据并通过所述通信电路对外传输。

2.如权利要求1所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述来自所述数据采集电路的数据包括电机运行速度数据，所述电机运行速度数据依据电机编码器采集的传感信号生成或者依据电机电压信息生成。

3.如权利要求2所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述电机电压信息由能够采集电机电压信息的电压传感器在线采集。

4.如权利要求3所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述来自所述数据采集电路的数据包括电机荷载数据，所述电机荷载数据依据电机电流信息生成。

5.如权利要求4所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述电机电流信息由能够采集电机电流信息的电流传感器在线采集。

6.如权利要求5所述的起重机运行监管仪，其特征在于系统启动时自动启动，电机运行时实时记录电机的运行状态。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述通信电路为USB接口电路和/或能够与上位机通信的有线或无线通信电路，所述UBS接口电路设有USB插口。

8.如权利要求7所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述存储器的外侧设有保护层，所述保护层的内层为环绕包裹所述存储器的铝箔层，所述保护层的外层由干石英材料制成。

9.如权利要求8所述的起重机运行监管仪，其特征在于所述数据采集电路、报警电路、存储器、通信电路和中央控制单元安装在监管仪壳体内，所述控制装置采用控制柜形式，所述监管仪壳体安装在所述控制柜内。

10.如权利要求9所述的起重机运行监管仪，用于起重机，其特征在于所述起重机的起升机构主要由外转子低速大力矩永磁同步电机组成，所述外转子低速大力矩永磁同步电机的外转子直接用作所述起升机构的卷筒，用于连接并缠绕起重机的钢丝绳。