CN105699070B - 一种监测零件脱落的装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测零件脱落的装置及系统。其中，监测零件脱落的装置包括多个开关器件、至少一个信号采集单元和信号处理器。每个开关器件在其对应的零件脱落时从标识零件未脱落的第一状态进入标识零件脱落的第二状态。每个信号采集单元具有并行的多路信号输入端。每路信号输入端连接到多个开关器件中一个并采集这个开关器件的状态信号。信号处理单元适于获取每个信号采集单元所采集的状态信号，并根据所获取的状态信号定位已脱落的零件。

Description

一种监测零件脱落的装置及系统

技术领域

本发明涉及机械设备领域，尤其涉及一种监测零件脱落的装置及系统。

背景技术

目前，大型旋转机械设备广泛应用在化工、风电、冶金等领域中。诸如风力发电机组和输油泵等旋转设备的结构和应用环境也越来越复杂。旋转设备的故障也很可能造成事故和巨大损失。机械设备上的零件(例如风电设备上用于固定桨叶与轮毂的螺栓)由于多方面的因素(例如制造缺陷、长期的交变载荷作用或者偶发性的超出设计范围的大载荷)，会出现断裂脱落或者松动脱落。另外，机械设备上的零件通常难于人工监测(例如风电设备上螺栓位于离地面较高位置处)。进一步，位于机械设备上的零件的脱落有可能造成较为严重的后果(例如，风电设备上螺栓脱落而导致的桨叶弯折造成塔筒倒塌)。因此，对多种设备的零件进行智能监测是十分重要的。

现有的零件监测手段例如是通过声发射技术进行监测。图1示出了一个声发射监测零件的系统示意图。如图1所示，监测系统包括声波传感器、放大器、信号采集处理系统和记录显示系统。零件在断裂的过程中，其所受到的应力会在内部裂纹的边界处集中并产生声波信号。声波传感器被配置在零件的表面上，采集声波信号并转化为电信号。放大器会放大电信号和传输到信号采集处理系统。信号采集处理信号对经过放大的电信号进行处理判断后，传输到记录和显示系统。

然而，现有的声发射技术容易受到零件周围其他多种因素(例如，流体泄露、摩擦、撞击、燃烧等与零件断裂无关的因素)的干扰。而这些因素是普遍存在的。显然，现有的监测技术很难准确监测零件是否脱落，并且部署成本很高。

因此，缺少一种可靠而稳定的监测零件状态的技术。

发明内容

为此，本发明提供一种监测零件脱落的技术方案，有效的解决了上述中至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供一种监测零件脱落的装置，包括多个开关器件、至少一个信号采集单元和信号处理器。每个开关器件在其对应的零件脱落时从标识零件未脱落的第一状态进入标识零件脱落的第二状态。每个信号采集单元具有并行的多路信号输入端。每路信号输入端连接到多个开关器件中一个并采集这个开关器件的状态信号。信号处理单元适于获取每个信号采集单元所采集的状态信号，并根据所获取的状态信号定位已脱落的零件。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，信号处理单元还适于将对应已脱落零件的定位信息传输到设备监测服务器。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，至少一个信号采集单元中每一个为寄存单元。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，至少一个信号采集单元包括串行级联的M个移位寄存器，M为正整数。其中，第1级移位寄存器的串行输出端连接到第2级移位寄存器的串行输入端。第2级至第M级移位寄存器中每个的串行输入端连接到这个移位寄存器的相邻上一级的串行输出端。第M级移位寄存器的串行输出端连接到所述信号处理单元。

可选地，根据本发明的监测零件脱落的装置还包括触发单元。触发单元适于在多个开关器件中任一个进入第二状态时向信号处理单元发送指示信号，以便信号处理单元根据该指示信号执行获取每个信号采集单元所采集的状态信号。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，触发单元包括多个线与逻辑模块。多个线与逻辑模块的输出端并联至所述信号处理单元。每个线与逻辑模块具有多个输入端。每个线与逻辑单元中每个输入端与至少一个信号采集单元中一个信号输入端连接。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，所述触发单元所发送的指示信号为中断信号。信号处理单元响应于接收到该中断信号，指示多个移位寄存器并行采集并串行输出多个开关器件的状态信号。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，多个开关器件所对应的多个零件包括呈环形布置在风电设备的桨叶根部的多个螺栓。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，零件脱落包括断裂脱落或松动脱落。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，多个开关器件中每一个为常闭开关，每个常闭开关的第一端连接到信号处理器的电源输出端，第二端连接有下拉电阻。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，第一状态为闭合状态，第二状态为断开状态。每个开关器件，其开关连接到多个螺栓中一个的螺栓帽，并在这个螺栓断裂脱落或松动脱落时被拉动而进入断开状态。

可选地，在根据本发明的监测零件脱落的装置中，信号处理单元还适于在确定已脱落的螺栓的数量大于阈值时，指示所述风电设备停机。

根据本发明的又一个方面，提供一种监测零件脱落的系统，包括根据本发明的监测零件脱落的装置和设备监测服务器。设备监测服务器，适于响应于从监测零件脱落的装置获取到已脱落的零件的定位信息，而进行告警通知。

根据本发明的监测零件脱落的技术方案，可以同时采集多个零件的状态，并在零件脱落时可以准确定位已脱落的零件的位置、时间和数量。这里，根据本发明的监测零件脱落的装置，可以快捷和稳定地部署在待监测的设备上，并能及时对零件脱落事件进行准确通知，从而避免零件脱落后长时间不处理带来的损失。另外，根据本发明的监测零件脱落的装置可以响应于触发单元提供的指示信号而进行信号采集，能够节省资源消耗和功率消耗，从而可以极大调高监测装置(尤其是被配置为电池供电的装置)的性能。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了一个声发射监测零件的系统示意图；

图2示出了根据本发明一些实施例的监测零件脱落的装置200的示意图；

图3示出了根据本发明又一些实施例的监测零件脱落的装置300的示意图；

图4A示出了根据本发明一些实施例的监测零件脱落的装置400的电路原理图；

图4B示出了图4A中电路的局部放大示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的开关器件与零件连接的示意图；以及

图6示出了将根据本发明一些实施例的监测零件脱落的装置600的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图2示出了根据本发明一些实施例的监测零件脱落的装置200的示意图。这里，零件可以是各种设备上安装的元件或部件。例如，风电设备中用于固定桨叶和轮毂的螺栓等，但不限于此。通常，各种设备上的零件会受到多种可能因素(例如，制造缺陷、长期的交变载荷作用或者偶发性的超出设计范围的大载荷等)的影响。因此，各种设备上的零件在跟随设备运动(例如螺栓的转动或者振动)或受到其他外力时会发生断裂脱落或者松动脱落等脱离原本位置的情况。根据本发明的装置200可以对上述零件进行监测。

如图2所示，装置200包括多个开关器件210-1、210-2、…、210-N，多个信号采集单元220-1、220-2、…、220-M和信号处理单元230。

每个开关器件可以针对一个零件进行监测，并被配置为识别这个零件的位置状态。换言之，零件在未脱落时对应开关器件的第一状态，而零件在脱落时对应开关器件的第二状态。典型地，例如开关器件为一个常闭开关，其开关与零件(例如螺栓)连接(例如用线连接等)。这样，在零件未脱落时，对应的开关器件保持闭合状态。在零件脱落时，开关器件被拉动而进入断开状态。

每个信号采集单元具有并行的多路信号输入端。每路信号输入端连接到一个开关器件并采集这个开关器件的状态信号(即表示第一状态或者第二状态的信号)。当然，在待监测的零件数量(即开关器件数量)不超过一个信号采集单元的信号输入端数量上限时，装置200只需配置一个信号采集单元。这里，每个信号采集单元例如可以是寄存单元。这里，寄存单元是数字逻辑器件所组成的用于暂存多路输入端信号的器件。例如寄存单元为移位寄存器，但不限于此。每个移位寄存器可以实现多路状态信号的输入和串行输出。需要说明的是，取决于信号处理单元230的数据端口数量，多个移位寄存器与信号处理单元的连接方式可以采用多种方式。具体而言，在根据本发明一个实施例中，每个移位寄存器的串行输出端与信号处理单元230(例如单片机)的一个数据输入口连接。在又一个实施例中，多个移位寄存器串行级联，并且只需要其中一个的串行输出端连接到信号处理单元230即可。

信号处理单元230可以获取多个开关器件的状态信号。信号处理单元230可以根据状态信号的序列(例如一个二进制序列)，定位每个被监测的零件是否脱落。对于零件脱落的定位信息和时间信息，信号处理单元230可以选择传输到设备监测服务器(图中未示出)，以便该服务器对零件脱落进行准确告警通知。可选地，信号处理单元230可以是无线低功耗设备，可以被方便地布置在多种工况环境复杂(例如，不易长距离布线)的设备上。

如上所述，根据本发明的监测零件脱落的装置200可以对多个零件进行位置监控，并在零件脱落时可以准确定位已脱落的零件的位置和数量。这里，装置200能够方便和稳定的部署在待监测的设备上，可以及时对零件脱落事件进行通知，从而避免零件脱落后长时间不处理带来的损失。

图3示出了根据本发明又一些实施例的监测零件脱落的装置300的示意图。如图所示，装置300包括多个开关器件310-1、310-2、…、310-N，多个信号采集单元320-1、320-2、…、320-M、信号处理单元330和触发单元340。其中，开关器件310、信号采集单元320和信号处理单元330与上文对图2的示例性说明中开关器件210、信号采集单元220和信号处理单元230一致，这里不再赘述。

触发单元340适于在多个开关器件中任一个进入第二状态时，向信号处理单元330发送指示信号，以便信号处理单元330可以根据该指示信号执行获取信号采集单元所采集的状态信号。在根据本发明一个实施例中，触发单元340包括多个线与逻辑模块(未示出)。多个线与逻辑模块的输出端并联到信号处理单元330。线与逻辑模块的信号输入端分别连接到信号采集单元320的一个信号输入端。这样，触发单元340可以及时判断是否有开关器件进入第二状态，并通过指示信号通知信号处理单元330。在此基础上，信号处理单元330可以在没有指示信号时进入休眠状态(或者执行其他操作)，并由指示信号(对于信号处理单元330而言，可以称为中断信号)唤醒并执行中断操作。这里，所执行的中断操作是获取信号采集单元320所采集的状态信号。显然，由于触发单元340可以提供指示信号，信号处理单元330可以极大节省资源消耗和功率消耗，可以极大调高装置300(尤其被配置为电池供电)的性能。应注意，线与逻辑模块可以由集电极开路门(OC门)或三态门(TS门)来实现，但不限于此。

下面结合图4A和4B所示的电路图对根据本发明的监测零件脱落的装置进行更具体的示例性说明。图4A示出了根据本发明一些实施例的监测零件脱落的装置400的电路原理图。图4B示出了图4A中电路的局部放大示意图。

如图所示，装置400包括多组开关器件410-1、...、410-M、多个信号采集单元420-1、...、420-M、信号处理单元430和触发单元(图中未标出)。其中，触发单元包括多个线与逻辑模块440-1、...、440-M。每组开关器件具体包括8个常闭开关(对应8个零件)SW11、SW12、...、SW18。每个信号采集单元(420-1)为移位寄存器74HC165，但不限于此。其中N为正整数且大于1。M个移位寄存器串行级联。第1级移位寄存器420-1的串行输出端Q连接到第2级移位寄存器420-2(图中未示出)的串行输入端SER(未示出)，第2级至第M级移位寄存器中每个的串行输入端SER连接到这个移位寄存器的相邻上一级的串行输出端Q，第M级移位寄存器420-M的串行输出端Q连接到信号处理单元430。每级移位寄存器具有8路信号输入端A、B、C、D、E、F、G、H，每路信号输入端连接到一个常闭开关的一端，且这个信号输入端还连接有一个下拉电阻。每个常闭开关的另一端连接到电源正极(信号处理单元430的电源输出端)。另外，每个线与逻辑模块的多个输入端与一个移位寄存器寄存器的多个信号输入端一一对应连接，多个线与逻辑模块的输出端并联至INT线，INT线连接信号处理单元430的中断引脚。

下面以开关器件组410-1中开关器件SW18为例，对装置400的工作流程进行说明。开关器件SW18的开关可以与一个零件进行连接。图5示出了根据本发明一个实施例的开关器件与零件连接的示意图。图5中被监测的零件为螺栓510，螺栓上拧有一个螺栓帽520(例如为塑料等材料，但不限于此)。开关器件SW18的开关与螺栓帽520通过线连接。但不限于此，任何公知的能够根据零件脱落而改变开关器件SW18的状态的连接方式都可以应用在本发明的实施例中，并且落入到本发明的保护范围。这样，在螺栓510断裂或松动脱落时，开关器件SW18被拉动并进入断开状态。开关器件SW18断开后，与SW18连接的下拉电阻断路。线与逻辑模块440-1检测到SW18断开的状态后通过INT线向信号处理单元430传递中断信号。信号处理单元430响应于该中断信号，将连接420-1、...、420-M的LOAD线置低电平。这样，移位寄存器420-1、...、420-M可以并行读取所有开关器件的状态信号。随后，信号处理单元430在通过LOAD线置高电平后，串行读入每个开关器件的状态信号。这样，信号处理单元430所获取的状态信号序列可用于定位已脱落的零件。可选地，信号处理单元430可以将定位信息上传到设备监测服务器(图中未示出)，以便该服务器进行根据定位信息进行通知告警。

图6示出了将根据本发明一些实施例的监测零件脱落的装置600的示意图。如图6所示，装置600被配置在风电设备上，可以监测桨叶与轮毂连接处的多个螺栓。多个螺栓610可以呈环形阵列分布，通常总量较多(图中示出了部分螺栓)。这里，装置600可以被配置为每个开关器件对应一个螺栓。当然，装置600也可以被配置为一个开关器件对应多个螺栓(相应地，这多个螺栓中任一个脱落，都会拉动这个开关器件断开)。信号采集单元620-1、620-2可以采集多个开关器件的状态信号(例如，闭合信号代表其对应螺栓未脱落，断开信号代表其对应的螺栓已脱落)。进一步，信号处理单元630可以获取多个螺栓对应的状态信号的序列，从而定位已脱落的螺栓。信号处理单元630还可以将定位信息上传到设备监控服务器(也可以称之为上位机，图中未示出)。设备监测服务器可以进行通知告警。例如，设备监测服务器可以通知控制风电设备的可编程逻辑控制器件(PLC)来关闭风电设备以便工作人员维修设备。又例如，信号处理单元630在确定已脱落的螺栓数量超过阈值(例如，已脱落的螺栓数量超过15个，但不限于此)，信号处理单元630可以直接指示PLC停机，以避免重大故障的出现。

另外，本发明还提供了一种监测零件脱落的系统，可以包括根据本发明的任一种监测零件脱落的装置和设备监测服务器。

A10、如A9所述的装置，其中，所述多个开关器件中每一个为常闭开关，每个常闭开关的第一端连接到所述信号处理器的电源输出端，第二端连接有下拉电阻。A11、如A10所述的装置，其中，所述第一状态为闭合状态，所述第二状态为断开状态；所述每个开关器件，其开关连接到所述多个螺栓中一个的螺栓帽，并在这个螺栓断裂脱落或松动脱落时被拉动而进入断开状态。A12、如A8-A11中任一项所述的装置，其中，所述信号处理单元还适于在确定已脱落的螺栓的数量大于阈值时，指示所述风电设备停机。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种监测零件脱落的装置，包括：

多个开关器件，每个开关器件为一个常闭开关，其闸刀与待监测的零件用线连接，在其对应的零件未脱落时，该开关器件保持闭合状态，在其对应的零件脱落时，该开关器件被拉动进入断开状态，从而从标识零件未脱落的第一状态进入标识零件脱落的第二状态；

至少一个信号采集单元，每个信号采集单元具有并行的多路信号输入端，每路信号输入端连接到所述多个开关器件中一个并采集这个开关器件的状态信号；

信号处理单元，适于获取每个信号采集单元所采集的状态信号，并根据所获取的状态信号的序列，定位已脱落的零件，并确定已脱落零件的数量；

触发单元，适于在所述多个开关器件中任一个进入第二状态时向所述信号处理单元发送指示信号，以便该信号处理单元根据该指示信号执行所述获取每个信号采集单元所采集的状态信号，且所述触发单元包括多个线与逻辑模块，所述多个线与逻辑模块的输出端并联至所述信号处理单元，每个线与逻辑模块具有多个输入端，每个线与逻辑单元中每个输入端与所述至少一个信号采集单元中一个信号输入端连接，从而判断是否有开关器件进入第二状态；

其中，所述信号处理单元在没有指示信号时进入休眠状态。

2.如权利要求1所述的装置，所述信号处理单元还适于将对应已脱落零件的定位信息传输到设备监测服务器。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个信号采集单元中每一个为寄存单元。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个信号采集单元包括串行级联的M个移位寄存器，M为正整数，

其中，第1级移位寄存器的串行输出端连接到第2级移位寄存器的串行输入端，第2级至第M级移位寄存器中每个的串行输入端连接到这个移位寄存器的相邻上一级的串行输出端，第M级移位寄存器的串行输出端连接到所述信号处理单元。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述触发单元所发送的指示信号为中断信号；

所述信号处理单元响应于接收到该中断信号，指示所述多个移位寄存器并行采集并串行输出所述多个开关器件的状态信号。

6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述多个开关器件所对应的多个零件包括呈环形布置在风电设备的桨叶根部的多个螺栓。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述零件脱落包括断裂脱落或松动脱落。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述多个开关器件中每一个为常闭开关，每个常闭开关的第一端连接到所述信号处理器的电源输出端，第二端连接有下拉电阻。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述第一状态为闭合状态，所述第二状态为断开状态；

所述每个开关器件，其开关连接到所述多个螺栓中一个的螺栓帽，并在这个螺栓断裂脱落或松动脱落时被拉动而进入断开状态。

10.如权利要求6所述的装置，其中，所述信号处理单元还适于在确定已脱落的螺栓的数量大于阈值时，指示所述风电设备停机。

11.一种监测零件脱落的系统，包括：

如权利要求1-10中任一项所述的装置；以及

设备监测服务器，适于响应于从如权利要求1-10中任一项所述的装置获取到已脱落的零件的定位信息，而进行告警通知。