CN108226777B - 状态监测装置以及用于监测电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过状态监测设备来监测电机的方法。所述方法包括由所述状态监测设备的一个或者多个传感器收集与所述电机的磁场相关联的信号。所述方法进一步包括从信号确定与所述电机的操作相关联的信息。与所述电机的操作相关联的信息包括电机的转子的旋转方向在一段时间内的变化的信息。所述方法进一步包括基于对于所述状态监测设备可得到的一个或者多个阈值参数的值来处理与所述电机的操作相关来呢的信息，用来评估所述电机的状态。

Description

状态监测装置以及用于监测电机的方法

技术领域

本文涉及对电机例如马达的状态监测的领域。

背景技术

从电机的监测到的参数来对电机例如马达，发电机，泵，鼓风机等的状态监测通常涉及对要求维护和/或其它支持的状态的预测。为了基于电机的状态来计划电机的维修计划，状态监测系统需要考虑操作状态(例如负载)以及操作时间(例如，该信息有助于估计被监测电机的剩余寿命)。

存在很多种可以安装在电机上并且提供对电机参数的测量的传感器，电机参数可用于状态评估和维护计划。例如，加速计是一种用在状态监测系统特别是电马达中的典型传感器。然而，基于单一的加速计的信号，能够难以检测若干马达相关信息，比如检测转子旋转方向。同样，预期电机被连续监测而非在特定时间段采集测量值，因为在其它情况下关于电机存在的至关重要的信息可能遗漏。例如，在不是连续地采集测量但只在特定时间段执行测量的状态监测系统中，存在电机启动和停止可能被遗漏的可能性。如果在遗漏的停止和启动期间还发生了旋转方向变化，它同样不能被状态监测系统检测到。因此，旋转方向变化信息不可用于评估状态或者确定组件的寿命，并且在没有考虑这些因素的情况下，由状态监测系统确定的维修计划可能不是最佳的计划。

因此，为了状态评估，预期具有若干传感器来检测电机的各种操作和操作参数的系统，其连续执行状态监测。

鉴于上述，需要一种改进的方法和系统，其用于监测电机例如马达，并且用于分析由安装在每个电机中的传感器所采集多种信息，以为电机提供基于状态的服务。

发明内容

本发明一方面涉及一种通过状态监测设备来监测电机的方法。状态监测设备包括用于检测与电机的状态相关的一个或者多个参数的多个传感器，以及具有一个或者多个处理器的处理单元，其用于处理使用多个传感器测量的数据。

方法包括收集与电机的磁场关联的信号。信号由状态监测设备的多个传感器中的一个或者多个传感器收集，并且对应于基于状况监测设备相对于电机的放置而确定的测量位置。例如，状态监测设备的一个或者多个传感器(例如，双轴线或三轴线磁场传感器，或者多个磁场传感器)可以生成与在相对于电机的测量位置处电机的磁场相关联的信号。信号可具有沿着第一轴线和第二轴线的磁场的测量，其中第一轴线平行于电机转子轴线，并且第二轴线垂直于电机的转子轴线。在一个实施例中，磁场信号仅使用一个传感器收集，该传感器测量沿着两个或者多个轴线的磁场(例如，通过双轴线或者三轴线磁场传感器，其测量沿着第一轴线和第二轴线的磁场)。

方法还包括从信号确定与电机的操作相关联的信息。该确定可以在状态监测设备的处理单元处执行。与电机的操作相关联的信息包括电机转子的旋转方向在一段时间内的变化(例如方向变化的数量，在特定方向上运行的持续时间，等)的信息。此处，转子的旋转方向的变化可以基于沿着第一轴线和第二轴线的磁场测量值之间的相位差来确定。

与电机的操作相关联的信息还可以包括在一段时间内电机的一个或者多个启动以及一个或者多个停止信息(例如，启动数量，停止数量，启动/停止时间，等)。此处，电机的启动可以基于沿着第一轴线和所述第二轴线之一的磁场的测量与阈值的比较来确定。类似地，电机的停止可以基于沿着第一轴线和第二轴线之一的磁场的测量与阈值的比较来确定。

该方法进一步包括基于对于状态监测设备可得到的一个或者多个阈值参数的值来处理与电机的操作相关联的信息，用于评估电机的状态。这种处理可在状态监测设备的处理单元处执行。

该方法可以可选地包括从位于状态监测设备处的服务器来接收一个或者多个输入。状态监测设备可包括具有网络接口的通信单元，其用于与外部设备例如服务器通信。一个或者多个输入在服务器处基于与关联于多个电机相关的多个状态监测设备的通信以及关于周围环境状态的信息。此处，电机状态的评估进一步基于从服务器接收的一个或多个输入。

附图说明

本发明的主题将参考在附图中示出的示范性实施例在下文进行更详细解释。

图1示出了根据本发明的实施例的状态监测设备；

图2是根据本发明的实施例的监测电机的方法流程图；

图3是根据本发明的实施例的，用于监测多个电机的系统；

图4示出了根据本发明的实施例的采用状态检测设备进行测量的一个或者多个轴线；

图5-8是沿着一个或者多个轴线的磁场测量对时间的样图。

具体实施方式

本发明提供一种用于电机的状态监测的方法。电机可以是工业环境下的若干电机中的一个。方法采用与电机相关联的状态监测设备来执行。状态监测设备可以是非侵入状态监测设备，或者是电机的控制器(例如驱动器)的一部分。

状态监测设备100的一个简化表示在图1中示出。状态监测设备包括壳体105，其能够固定到电机例如马达的主体或者壳或者框架上(如图3所示)。壳体容纳一个或者多个传感器，包括但不限于磁场传感器140，振动传感器150，声学传感器160，以及温度传感器170。一个或者多个传感器记录并且传送测量数据。根据状态监测设备相对于电机的位置，状态监测设备的传感器进行测量。

根据图1的实施例，状态监测设备包括用于存储数据的非暂时存储器模块130。在示例中，在安装到电机上之前，非暂时存储器模块包括与电机的多个操作参数相关联的多个预设值。

状态监测设备还包括一个或者多个处理器(例如120)，其配置成从多个传感器接收测量，以及确定电机的一个或者多个方面的状况。确定可基于来自所接收的测量的处理信息，以及对于状态监测设备可得到的一个或者多个阈值参数的值。

另外，状态监测设备还包括具有网络接口180的通信单元，其配置成与外部设备(例如服务器)通信。在一个实施例中，网络接口能够通过无线媒体例如蓝牙，无线HART等通信。网络接口可使用如图1中示出的天线190传递数据。

如图1所示的，状态监测设备可以可选择地包括容纳在壳体中的能量源110，其用于为一个或者多个传感器，一个或者多个处理器，和/或网络接口供电。在实施例中，提供能量收获模块(诸如热电发生器，以及诸如此类或者合适地定位的电容/电感传感器)用于收获来自电机的泄漏磁场，电压或者电流中，以及电机的热能中的至少一个的能量，以便为能量源充电。

状态监测可安装在电机的框架上以通过状态监测设备的传感器来接收测量。这种情况下，根据它们的相对放置，传感器将测量发送给处理单元，处理单元通过通信单元将原始/所处理的数据传递给外部设备(例如基于云的服务器)。

根据本发明的各种实施例，可得到与电机相关联的磁场测量。测量可沿着一个或者多个轴线(平行于电机的转子轴线，或者与转子轴线成一定角(例如垂直))。处理测量以确定与运行电机相关联的各种参数。在实施例中，使用沿着两个轴线的测量来检测电机的转子旋转方向的变化。在实施例中，使用沿着至少一个轴线的测量来检测电机的启动/停止。

与启动，停止和旋转方向相关联的这种信息可以用作在状态监测设备处的一个或者若干寿命估计模型(和/或在云服务器处的一个或多个寿命估计模型)的输入。状态监测设备(或者基于云的服务器)利用与启动/停止和旋转方向相关联的信息来预测要求维修和/或其它支持的状态。可基于预测发送(例如由服务器通过通信，由状态监测设备通过通信等)触发动作(例如，计划维修，执行组件替换等)的通信。

现在移到图2，其是根据本发明的实施例的用于监测电机的方法流程图。电机可以是感应或者其它类型马达，通常出现在诸如制炼厂的工业环境中。

如图3所示的，电机可以是采用对应的多个状态监测设备315，325，335…所监测的多个电机310，320，330…中的一个。此处，状态监测设备中的每一个状态监测设备与对应的电机，即310，320，330…关联。多个状态监测设备安装在多个对应的马达上，用于以非侵入方式测量与对应马达关联的一个或者多个参数。例如，可被测量的参数可以是振动，泄漏磁场，马达周围的超声波，马达周围的温度，马达轴的转速等。

在步骤202处，方法包括采用在状态监测设备中包含的一个或者多个传感器来收集与电机的磁场相关联的信号，以估计与电机的操作相关联的信息。在一个实施例中，信号从多轴线(例如双轴线，三轴线等)磁场传感器收集。信号对应于测量位置，测量位置基于状态监测设备相对于电机的放置来确定。例如，在图3的实施例中，测量位置是状态监测设备安装在马达上的位置。更具体地，当状态监测设备安装在电机上时，位置是一个或多个传感器在状态监测设备壳体内的位置。应当注意，为了测量，状态监测设备可以以不同方式定位。例如状态监测设备可以是便携式设备，为了执行测量其可由用户定位。

在一个实施例中，信号包括沿着第一轴线(例如图4中的404)和第二轴线(图4中的406)磁场的测量，其中第一轴线平行于电机的转子轴线(例如图4中的402)并且第二轴线垂直于电机的转子轴线。根据该实施例，磁场传感器140测量沿着第一轴线的磁场强度的第一值，第一轴线基本平行于电机的转子轴线。另外，磁场传感器(即相同传感器140或者另一个磁场传感器(图1中未图示))测量沿着第二轴线磁场强度的第二值。

应当注意，可能要求与仅仅一个轴线相关联的值来执行与状态监测设备和/或电机相关的某些评估(例如，电机的启动/停止)，而其它评估(例如，检测转子旋转方向的变化)可能要求对应于两个或者多个轴线的值。而且，轴线可以在不同于如图4所示的垂直的某个角度(例如45，50，75等)。

在步骤204处，方法包括从信号确定与电机的操作相关联的信息。对沿着一个或者多个轴线(例如404，406等)的磁场测量，可用于估计与电机的操作相关联的信息。

与电机的操作相关联的信息包括在一段时间内电机的转子旋转方向的变化信息。这种信息可包括转子旋转方向改变的次数，在特定方向上的旋转时长，在每个旋转方向上马达的负载相关参数等。与电机的操作相关联的信息还可以包括在一段时间内电机的一个或者多个启动和一个或者多个停止的信息。这种信息可包括启动/停止的次数，在一个或多个特定时间段内的启动/停止的次数，电流/电压电平，负载相关信息等。与电机操作的相关联信息还包括振动、温度等的测量(即来自状态监测设备的传感器的测量)的信息；以及诸如ON周期和OFF周期(两个连续ON周期之间的时间)的操作参数。

图5呈现使用磁场测量(例如在图4中示出的沿404)以确定马达的启动(‘马达启动’)的示例。如所示，当马达启动运行时磁场幅值快速增加502。这种信号特性很容易监测。在当前示例中，电机的启动的检测基于阈值实现。当信号幅值大于给定阈值时，认为马达启动。这个功能性可实现为传感器例如数字磁力计传感器的内嵌功能性。

以类似方式，能够执行马达的停止(‘马达停止’)的检测。图6呈现了使用磁场(例如沿着606)的测量以便确定马达停止的示例。如所示出的，当马达停止运行时磁场的幅值迅速降低602。与马达启动情况相同，这种信号特性很明显而且容易检测。在当前示例中，马达停止检测同样基于阈值来实现。当信号的幅值小于给定阈值时，认为马达已停止。这个功能性可实现为传感器例如数字磁力计传感器的内嵌功能性。

下文提供了根据本发明的实施例的检测马达转子的旋转方向(‘马达旋转方向，)的变化的示例。可以通过使用沿着至少两个方向上的磁场的测量来检测马达旋转方向。在当前示例中，进行沿着x轴线(图4中的404)和y轴线(图4中的406)的测量。从图7和图8，有可能注意到磁场的x轴线702和y轴线704之间的相位偏移是顺时针旋转-90°，并且磁场的x轴线和y轴线之间的相位偏移是逆时针旋转+90°。这个相位差可直接用作有关方向变化的信息。上面提到的磁场行为可描述如下：

用于顺时针旋转，其中

是相应的x或y信号的相位，并且

用于逆时针旋转。

实际中存在很多计算两个信号之间的相位差的方法。作为示例，对主频进行傅里叶变换后计算两个信号虚部和实部的正切是有可能的。在电马达的情况下，在磁场频谱中可见的主频是相关功率供应频率。

由状态监测设备可使用(可选地采用状态监测设备的其它传感器(例如，振动，声学，温度等)的测量)与电机的操作相关联的信息来预测电机的一个或者多个组件的健康状况以及还有从电机的监测参数，预测要求维护和/或其它支持的状态。例如，状态监测设备可具有简单寿命估计模型(例如经验数学关系)，其将在转子的旋转方向上的变化/马达启动/马达停止作为输入，用以估计剩余寿命并预测要求维护的状态。

简单寿命估计模型的示例可将寿命经验表示为涉及指定用于马达上的平均(平均)负载的值的马达启动次数的计数的曲线，并且状态监测设备可使用表示该曲线的数学公式关系来基于电机启动的次数的值和在每个转子方向上的平均(平均)负载值来估计/预测维护的时间或者状态。类似地，状态监测设备还可以结合马达启动和马达停止之间的平均时间段连同平均负载值来确定维护状态。

在步骤206处，方法可选地包括通过状态监测设备的通信接口从服务器(例如360)接收与电机的操作相关联的一个或者多个输入。

参考图3，状态监测设备将它们的测量值传递至网关设备340。网关设备还可以配备有一个或者多个传感器以测量周围环境参数例如温度，噪声水平，背景磁场等。周围环境参数的测量值可用于归一化来自状态监测设备的测量或者对来自状态监测设备的测量的进行相关考虑。

与多个状态监测设备通信的服务器360，从多个状态监测设备中的每个状态监测设备接收与对应电机的操作相关联的信息。系统300还可具有一个或者多个通信通道和/或设备(例如通道340/移动电话350/站点处的测量设备等)以实现服务器和多个通信设备之间的通信。

状态监测设备还可以通过另一个状态监测设备与服务器通信。例如，如图3所示，状态监测设备335通过另一个状态监测设备345与移动设备350通信。此处，在状态监测设备之间操作通信通道340，并且在状态监测设备和移动设备之间存在通信通道355。

服务器还可从网关设备或者在站点处使用的其它测量设备(例如智能移动电话，或者独立传感器诸如温度，压力，湿度，功率供应质量等)接收有关周围/环境状态的信息。服务器还处理所接收的信息。例如，服务器可具有一个或者多个模型来处理与个别/若干电机，周围/环境状态等相关的信息。

对来自若干电机和/或对应环境参数信息的处理可用来确定供在一个或多个状态监测设备中使用的一个或者多个输入(例如数学等式的改进系数或者适合的阈值)。在一个实施例中，一个或者多个输入供在预测对应的一个或多个状态监测设备的状态中使用。

考虑一种情况，其中特定站点处的马达在某些数量的启动/停止后遭遇故障。服务器处的分析模型可使用这个信息并且关联于存在状态(启动/停止/转子方向变化/振动/定子温度，负载等，即由安装在电机上的状态监测设备所测量的参数)以及周围/环境状态(例如周围温度，湿度，功率供应质量等，即由在站点处所使用的测量装置利用各种传感器/设备(其包括网关设备)所测量的参数)，以进一步完善(优化)用于寿命估计和维护计划的分析模型。此外，分析模型还可以从来自对应状态监测设备以及在站点处使用的测量设备所采集的数据来确定参数以便基于对应机器和/或周围/环境信息来完善在状态监测设备中使用的简单寿命估计模型。

服务器基于所述分析将一个或者多个输入传送给多个状态监测设备中的一个或者多个状态监测设备(如上文关于步骤206提到的)。

在步骤208处，方法包括基于与电机的操作相关联的信息来估计电机的一个或者多个组件的状态。每个状态监测设备可利用对于状态监测设备可得到的本地信息连同来自所述服务器的输入来预测要求维护和/或其它支持的状态。

考虑一种情况，其中转子连接到负载，其中对于转子的不同旋转方向，装载是不同的。这种情况下，寿命估计模型可使用转子在不同方向上的操作信息和期望寿命。这种模型还可以考虑其它操作参数例如振动，温度，功率质量等，它们从被测量数量测量或者获得。可以使用多于一个寿命估计模型，其中每个寿命估计模型对应于马达的组件。备选地，可以存在单个模型，其依赖于使用度量(电机启动次数)具有组件的维修推荐。

在一个实施例中，信息涉及下面的一个或者多个：

●一段时间内的电机启动次数；

●一段时间内的电机停止次数；

●一段时间内在马达转子方向上的变化次数；

●与电机的存在相关联的一个或者多个输入；

●来自状态监测设备的一个或者多个其它传感器(例如，振动，温度等)的测量；以及

●存在参数诸如ON周期以及OFF周期(两个连续ON周期之间的时间)，在每一个旋转方向上的与马达上的负载相关的参数；

这些参数用在状态监测设备的处理器上，用于计划马达的维护。

因此状态监测设备可评估状态，保证服务，维护或维护计划。这可基于在配置期间对于设备已经获得的信息，以及通过它的传感器收集/从服务器接收的信息来完成。状态监测设备还可以将对应电机的原始数据和/或所处理的数据发送给服务器，包括关于被监测电机的故障或者将发生故障的信息。在服务器处，来自若干电机的信息还可以和对应周围/环境状况一起采集(例如，通过网关或其它采集设备诸如智能移动电话，或者诸如温度，压力，湿度等的独立传感器)。个别电机的信息可以和有关周围/环境状态的信息结合，用于各种状态评估和/或维护计划活动。

Claims (9)

1.一种通过状态监测设备（315）来监测电机（310）的方法，其中所述状态监测设备包括用于检测与所述电机的状态相关的一个或者多个参数的多个传感器（140,150,160…），以及具有一个或者多个处理器（120）的处理单元，其用于处理使用所述多个传感器测量的数据，所述方法包括：

收集与所述电机的磁场相关联的信号，其中所述信号采用所述状态监测设备的所述多个传感器中的一个或者多个传感器收集，并且对应于基于所述状态监测设备相对于所述电机的放置所确定的测量位置，其中所述信号包括沿着第一轴线（404）和第二轴线（406）的所述磁场的测量，其中所述第一轴线平行于所述电机的转子的轴线（402）并且所述第二轴线垂直于所述电机的所述转子的所述轴线；

从所述信号确定与所述电机的操作相关联的信息，其中与所述电机的所述操作相关联的所述信息包括所述电机的转子的旋转方向在一段时间内的变化的信息；

基于对于所述状态监测设备可得到的一个或者多个阈值参数的值来处理与所述电机的所述操作相关联的所述信息，以评估所述电机的状态。

2.如权利要求1所要求的方法，其中所述信号采用所述状态监测设备的一个传感器来收集，所述传感器测量沿着两个或者更多轴线的所述磁场。

3.如权利要求1所要求的方法，其中所述转子的所述旋转方向的变化基于沿着所述第一轴线和所述第二轴线的所述磁场的测量之间的相位差来确定。

4.如权利要求1所要求的方法，其中与所述电机的所述操作相关联的所述信息进一步包括所述电机在一段时间内的一个或多个启动以及一个或多个停止信息。

5.如权利要求4所要求的方法，其中所述电机的一个或多个启动以及一个或多个停止基于沿着所述第一轴线以及所述第二轴线中的一个的所述磁场的测量和阈值的比较来确定。

6.如权利要求1所要求的方法，进一步包括从在所述状态监测设备处的服务器接收一个或者多个输入，

其中所述一个或者多个输入基于与关联于多个电机（310，320,330…）的多个状态监测设备（315,325,330…）的通信以及周围环境状态的信息来确定，以及

其中对所述电机的所述状态的评估进一步基于从所述服务器接收的所述一个或者多个输入。

7.一种用于监测电机（310）的状态监测设备（100），所述状态监测设备包括：

一个或者多个传感器（140,150,160…），用于生成与相对于所述电机的测量位置处的所述电机的磁场相关联的信号，其中所述信号包括沿着第一轴线（404）和第二轴线（406）的所述磁场的测量，其中所述第一轴线平行于所述电机的转子的轴线（402）并且所述第二轴线垂直于所述电机的所述转子的所述轴线；以及

具有一个或者多个处理器（120）的处理单元，用于：

从所述信号确定与所述电机的操作相关联的信息，其中与所述电机的所述操作相关联的所述信息包括所述电机的转子的旋转方向在一段时间内的变化的信息；以及

基于对于所述状态监测设备可得到的一个或者多个阈值参数的值来处理与所述电机的所述操作相关联的所述信息，以评估所述电机的状态。

8.如权利要求7所要求的状态监测设备，其中所述状态监测设备进一步包括具有网络接口（180）的通信单元，其用于和外部设备（340,345,350,360）通信。

9.如权利要求7所要求的状态监测设备，其中与所述电机的所述操作相关联的所述信息进一步包括所述电机在一段时间内的一个或多个启动以及一个或多个停止信息。

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