CN109482753B - 一种用于胀管过程中的异常压力监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于胀管过程中的异常压力监测系统，包括：具有压力检测功能的接收器，设置在单根U型铜管底部，用于测量单根U型铜管所承受的压力值；信号处理模块，用于将传感器输出信号进行精密放大，将力学量转换为标准电压信号，内置在工控机中；异常压力识别模块，用于识别胀管过程中压力峰值时刻单根U型铜管承受的异常压力值；故障报警与可视化模块，用于显示数据和报警；接收器、信号处理模块、异常压力识别模块、故障报警与可视化模块依次通讯连接。本发明不改变单根U型铜管受力形式，实现单根U型铜管的压力实时监测，效果更加准确，能够同时对多根铜管进行监测，有效预防因设备关键部件故障引起的产品质量问题，提高生产效率。

Description

一种用于胀管过程中的异常压力监测系统和方法

技术领域

本发明属于智能装备与工艺领域，更具体地说是一种用于胀管过程中的异常压力监测系统和方法。

背景技术

在空调行业中，胀管工艺的主要作用，是实现铜管的扩张。通过铜管的扩张，使得铜管和翅片实现过盈配合，铜管和翅片充分接触，实现铜管向翅片的散热。胀管过程包括三个阶段：

1)胀头扩管阶段：实现胀头在铜管内的扩张。胀头通过胀杆获得向下的压力后，逐渐深入到铜管底部，实现整根铜管的扩张。在胀头扩管阶段的同时，胀套跟随胀头下降，在未进行扩口时，停留在铜管管口处。

2)喇叭口扩口阶段：当胀头接近铜管扩张底部后，由胀套给予铜管管口处一个冲压力，实现喇叭口的冲压成型。

3)胀头提升阶段：当喇叭口扩口完成后，胀头提升，同时带动胀套提升。胀管工序完成。

生产中95％以上的产品质量问题属于在喇叭口尺寸、质量不合格，胀管原理是胀杆连接的胀头施加压力使铜管产生形变和喇叭口，正常加工状态下，喇叭口尺寸随着喇叭口扩口阶段的压力峰值变大而变大。结合工人生产经验和经过大量的现场实验，发现并验证了喇叭口扩口过程中良好的喇叭口质量对应的压力峰值稳定在一定区间，而压力值偏小会导致喇叭口尺寸偏小，压力值过大会产生胀裂和喇叭口尺寸偏大现象。

胀管生产工艺中产生的设备故障问题，主要包括胀头磨损过大、胀头脱离、胀杆弯曲三种问题。这些问题会在不同程度上造成产品的报废，也对产品的喇叭口尺寸一致性造成较大的影响。一件翅片管式换热器一般具有上百根铜管，对应上百根胀杆和胀头，现场生产中很难直接进行喇叭口尺寸检测，只是进行目测检验，常规的抽检手段需要也无法及时规避喇叭口尺寸异常的大规模产生。如果能够进行事先预判，主动监测喇叭口尺寸异常问题，则将极大的改善产品的质量，且不会对后续作业产生影响。上述实验可知通过监测喇叭口扩口阶段的压力能够间接监测喇叭口尺寸异常情况，现有胀管设备能够设置和实时监测胀管过程中的整体压力，但是生产中一次加工可能包含上百根铜管，对应上百根胀头和胀杆，因此必须能够采集到单根U型铜管压力，才能实现设备关键部件故障导致的异常压力监测的目的。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种用于胀管过程中的异常压力监测系统和方法，

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种用于胀管过程中的异常压力监测系统，所述系统包括：

具有压力检测功能的接收器，设置在单根U型铜管底部，用于测量单根U型铜管所承受的压力值；

信号处理模块，用于将传感器输出信号进行精密放大，将力学量转换为标准电压信号，内置在工控机中；

异常压力识别模块，用于识别胀管过程中压力峰值时刻单根U型铜管承受的异常压力值；

故障报警与可视化模块，由工控机显示屏、LED三色灯和蜂鸣器组成，工控机显示屏用于显示压力检测数据和检测结果，LED三色灯用于展示压力检测数据合格状态，蜂鸣器用于压力检测数据异常时进行报警；

接收器、信号处理模块、异常压力识别模块、故障报警与可视化模块依次通讯连接。

所述接收器内置有压力传感器，该压力传感器量程为0-2000N，最小识别精度为0.5N。

所述信号处理模块包括信号放大器和多功能信号采集设备，信号放大器用于接收并放大接收器传送过来的信号数据，将力学量转换为标准电压信号，再由多功能信号采集设备采集压力信号的大小，并存储在工控机中。

所述异常压力识别模块，接收从信号处理模块发送过来的压力信号，首先利用离散小波变换对压力信号进行去噪,根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始压力信号的小波分解系数，然后对处理后的小波分解系数进行小波重构，得到纯净信号；

胀管设备设置胀喇叭口阶段最大压力持续时间段，截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段中的压力曲线，为胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力设置最大阈值和最小阈值；加工过程中自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，异常压力识别模块根据阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态，其中偏大状态为压力值大于最大阈值的压力，偏小为压力值小于最小阈值的压力，正常为位于最大阈值和最小阈值之间的压力，等于最大阈值和等于最小阈值的压力数值也划分为正常状态。

所述故障报警与可视化模块中，LED三色灯用于展示压力检测数据合格状态具体为：若压力数据在正常状态，工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据为偏小状态，工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，LED黄灯亮，并且蜂鸣器报警；若压力数据为偏大状态，则工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，LED红灯亮，并且蜂鸣器报警。

一种用于胀管过程中的异常压力监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：将具有压力检测功能的接收器布置在胀管机的动力座上且位于单根U型铜管底部，一个接收器对应一根U型铜管，用以检测单根U型铜管压力变化；

步骤2：压力信号采集，接收器将接收到的压力信号发送给信号处理模块，信号处理模块对压力信号进行采集，采集频率设为1000-2000HZ，胀管机动力座下降时开始采集信号，动力座退回至最高点时为一次完整加工信号，同型号产品单次加工时间相同；

步骤3：利用离散小波变换对采集到的信号进行信号去噪，自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，根据设定的阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态；

步骤4：若压力数据在正常状态，工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据为偏小状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，LED黄灯亮，并且蜂鸣器报警；若压力数据为偏大状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，LED红灯亮，并且蜂鸣器报警。

本发明具有以下有益效果：

1)不改变单根U型铜管受力形式，实现单根U型铜管的压力实时监测，效果更加准确，同时对多根铜管进行监测。

2)结合生产工艺，当胀管机动力座下降时开始采集数据，回升到原点是停止采集数据，减少冗余信息的存储。

3)可以识别偏大、偏小、正常三种压力状态。

4)可以实时监测胀喇叭口阶段压力值是否异常，并通过工控机显示屏、LED三色灯和蜂鸣器进行结果的声色展示和报警。

5)能够有效预防因设备关键部件故障引起的产品质量问题，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明系统原理示意图；

图2是本发明中具有压力检测功能的接收器装置设计图；

图3是胀管过程压力测量实验中异常压力和正常压力曲线对比图；

图4是本发明中工控机显示屏可视化界面演示图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1和2所示，本发明揭示了一种用于胀管过程中的异常压力监测系统，所述系统包括：具有压力检测功能的接收器，设置在单根U型铜管底部，用于测量单根U型铜管所承受的压力值；信号处理模块，用于将传感器输出信号进行精密放大，将力学量转换为标准电压信号，内置在工控机中；异常压力识别模块，用于识别胀管过程中压力峰值时刻单根U型铜管承受的异常压力值；故障报警与可视化模块，由工控机显示屏、LED三色灯和蜂鸣器组成，工控机显示屏用于显示压力检测数据和检测结果，LED三色灯用于展示压力检测数据合格状态，蜂鸣器用于压力检测数据异常时进行报警；接收器、信号处理模块、异常压力识别模块、故障报警与可视化模块依次通讯连接。

所述接收器内置有压力传感器，该压力传感器量程为0-2000N，最小识别精度为0.5N。通过一根U型铜管对应一个接收器，能够准确监测单根U型铜管受力情况。

所述信号处理模块包括信号放大器和多功能信号采集设备，信号放大器采用铝合金外壳，内部进行稳压恒流供桥电压电流转换，阻抗适配，线性补偿，温度补偿，将力学量转换为标准电压信号输出，量程0-10V，可直接与自动控制设备PLC、单片机、上位机终端等接口或者PC联网，具备标准信号外调零、外调增益功能。多功能信号采集设备带有模拟输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、计数、测频、离线采集等功能。用以测量信号放大器传输来的压力信号大小。

所述异常压力识别模块，接收从信号处理模块发送过来的压力信号，首先利用离散小波变换对压力信号进行去噪,根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始压力信号的小波分解系数，然后对处理后的小波分解系数进行小波重构，得到纯净信号；胀管设备设置胀喇叭口阶段最大压力持续时间段，截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段中的压力曲线，为胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力设置最大阈值和最小阈值；加工过程中自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，异常压力识别模块根据阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态，其中偏大状态为压力值大于最大阈值的压力，偏小为压力值小于最小阈值的压力，正常为位于最大阈值和最小阈值之间的压力，当然，等于最大阈值和等于最小阈值的压力数值也划分为正常状态。

所述故障报警与可视化模块中，LED三色灯用于展示压力检测数据合格状态具体为：若压力数据在正常状态，工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据为偏小状态，工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，LED黄灯亮，并且蜂鸣器报警；若压力数据为偏大状态，则工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，LED红灯亮，并且蜂鸣器报警。

另外，本发明还揭示了一种用于胀管过程中的异常压力监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：将具有压力检测功能的接收器布置在胀管机的动力座上且位于单根U型铜管底部，一个接收器对应一根U型铜管，用以检测单根U型铜管压力变化。

步骤2：压力信号采集，接收器将接收到的压力信号发送给信号处理模块，信号处理模块对压力信号进行采集，采集频率设为1000-2000HZ，胀管机动力座下降时开始采集信号，动力座退回至最高点时为一次完整加工信号，同型号产品单次加工时间相同。

步骤3：利用离散小波变换对采集到的信号进行信号去噪，自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，根据设定的阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态。

步骤4：若压力数据在正常状态，工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据为偏小状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，LED黄灯亮，并且蜂鸣器报警；若压力数据为偏大状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，LED红灯亮，并且蜂鸣器报警。

下面以实际例子进行阐述。

以A类翅片管式换热器产品为例，该产品共40根U型铜管。具有压力检测功能的接收器设计图如图2所示，使用前检测具有压力检测功能的接收器的左右高度，使其高度一致，压力传感器量程为0-2000N，最小识别精度为0.5N。根据布置位置将40个具有压力检测功能的接收器进行顺序编号，分别布置于40根U型铜管底部，用于测量单根U型铜管所承受的压力值。

再布置40个信号放大器并进行编号，分别连接对应的40个具有压力检测功能的接收器，用以将传感器输出信号进行精密放大，将力学量转换为标准电压信号输出，量程0-10V。分别将40个信号放大器传输线接到多功能信号采集设备的1-40号接口，用以采集标准电压信号，并将其存储在工控机上。多功能信号采集设备采用外供电方式，供电电压范围是9-25V，使用外供电接头(里正外负)将设备与电源连接到一起，然后使用网口连接线将设备与计算机连接到一起。多功能信号采集设备每100ms打包一次数据，存储在缓存区中。利用将多功能信号采集设备的采集频率设为1000HZ，及时读取缓存区中的数据，并将其存储在工控机中。

一次加工产生40个压力数据集，首先利用离散小波变换进行去噪,根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，然后对处理后的系数进行小波重构，得到纯净信号；截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段中的压力曲线，进行正常加工状态下大量压力数据统计分析，A产品的正常压力阈值范围为5800-6200，即最小阈值为5800，最大阈值为6200；加工过程中自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，根据阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态。如图3所示，压力偏大曲线对应胀头、胀杆歪曲故障，压力偏小曲线对应胀头磨损和脱落故障。

进一步地，若压力数据在正常状态内，工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据在偏小状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，所述LED黄灯亮，并且所述蜂鸣器报警，若压力数据为偏大状态，则所述工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，所述LED红灯亮，并且所述蜂鸣器报警。如图4所示，可视化界面中3号和10号位置传感器对应的U型管出现异常压力现象，传感器图标显示为红色。通过显示，方便查看。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于胀管过程中的异常压力监测系统，所述系统包括：具有压力检测功能的接收器，设置在单根U型铜管底部，用于测量单根U型铜管所承受的压力值；信号处理模块，用于将传感器输出信号进行精密放大，将力学量转换为标准电压信号，内置在工控机中；异常压力识别模块，用于识别胀管过程中压力峰值时刻单根U型铜管承受的异常压力值；故障报警与可视化模块，由工控机显示屏、LED三色灯和蜂鸣器组成，工控机显示屏用于显示压力检测数据和检测结果，LED三色灯用于展示压力检测数据合格状态，蜂鸣器用于压力检测数据异常时进行报警；接收器、信号处理模块、异常压力识别模块、故障报警与可视化模块依次通讯连接，所述接收器内置有压力传感器，该压力传感器量程为0-2000N，最小识别精度为0.5N，所述信号处理模块包括信号放大器和多功能信号采集设备，信号放大器用于接收并放大接收器传送过来的信号数据，将力学量转换为标准电压信号，再由多功能信号采集设备采集压力信号的大小，并存储在工控机中，其特征在于，所述异常压力识别模块，接收从信号处理模块发送过来的压力信号，首先利用离散小波变换对压力信号进行去噪,根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始压力信号的小波分解系数，然后对处理后的小波分解系数进行小波重构，得到纯净信号；

胀管设备设置胀喇叭口阶段最大压力持续时间段，截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段中的压力曲线，为胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力设置最大阈值和最小阈值；加工过程中自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，异常压力识别模块根据阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态，其中偏大状态为压力值大于最大阈值的压力，偏小为压力值小于最小阈值的压力，正常为位于最大阈值和最小阈值之间的压力，等于最大阈值和等于最小阈值的压力数值也划分为正常状态。

2.根据权利要求1所述的用于胀管过程中的异常压力监测系统，其特征在于，所述故障报警与可视化模块中，LED三色灯用于展示压力检测数据合格状态具体为：若压力数据在正常状态，工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据为偏小状态，工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，LED黄灯亮，并且蜂鸣器报警；若压力数据为偏大状态，则工控机显示屏的可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，LED红灯亮，并且蜂鸣器报警。

3.一种根据权利要求1或2所述的用于胀管过程中的异常压力监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：将具有压力检测功能的接收器布置在胀管机的动力座上且位于单根U型铜管底部，一个接收器对应一根U型铜管，用以检测单根U型铜管压力变化；

步骤2：压力信号采集，接收器将接收到的压力信号发送给信号处理模块，信号处理模块对压力信号进行采集，采集频率设为1000-2000HZ，胀管机动力座下降时开始采集信号，动力座退回至最高点时为一次完整加工信号，同型号产品单次加工时间相同；

步骤3：利用离散小波变换对采集到的信号进行信号去噪，自动识别和截取胀喇叭口阶段最大压力持续时间段的压力数据，根据设定的阈值范围输出偏大、偏小、正常三种压力状态；

步骤4：若压力数据在正常状态，工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为绿色，LED绿灯亮；若压力数据为偏小状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为黄色，LED黄灯亮，并且蜂鸣器报警；若压力数据为偏大状态，则工控机显示屏可视化界面中对应位置的传感器图标显示为红色，LED红灯亮，并且蜂鸣器报警。

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