CN110254793B - 一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，属于卷烟机运行监测领域。该系统包括扭矩测量模块、信号调理模块、滑环、信号采集模块和数据处理模块；扭矩测量模块安装在卷烟机主传动输出轴上，监测主传动输出轴上的扭矩变化；信号调理模块将扭矩测量模块输出的电压信号进行调理滤波和放大；信号采集模块接受信号调理模块输出的信号完成高速采集；数据处理模块将采集的信号转换为扭矩实时显示，并实现扭矩的动态监测，卷烟机运行状态的动态匹配，并对扭矩超限等情况进行故障预警、判断分析并与卷烟机主控PLC系统通信实现设备的保护。本发明能够实时保护设备的安全，降低故障损失。

Description

一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统

技术领域

本发明属于卷烟机运行监测领域，涉及一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统。

背景技术

目前，国内外在保护关键设备防止过载损坏的方法主要是：设定电机电流保护和通过使用机械式过载离合器。当电机超过设定的最大电流时，系统报警切断动力电源。这种方式设置简单，但由于电机随着负载的不同电流会有较大的浮动，而且为了满足储烟罐的高动态响应性，电机的瞬时加速度非常大，瞬时电流也就很大，所以在两者之间很难找到最佳点。机械式过载离合器，有一个扭矩范围通过手工调整很难达到理想状态，要么出现满载正常出烟时离合器脱离，要么出现过载时离合器不会脱离，严重影响设备的安全。

因此，亟需一种能够实时在线检测卷烟机组离合器工作状态的控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，解决现有技术中离合器不能正常脱离，影响设备安全的问题，本发明能够实时监测主输出轴的扭矩变化，结合设备的运行状态，实时保护设备的安全，降低故障损失。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，包括扭矩测量模块、信号调理模块、滑环、信号采集模块和数据处理模块；

所述扭矩测量模块，安装在卷烟机主传动输出轴上，监测主传动输出轴上的扭矩变化；

所述滑环，用于连接信号调理模块和信号采集模块；

所述信号调理模块，用于将扭矩测量模块输出的电压信号进行调理滤波和放大；

所述信号采集模块，接受信号调理模块输出的信号，完成高速采集和A/D转换；

所述数据处理模块，用于将采集的信号转换为扭矩实时显示，实现扭矩的动态监测，卷烟机运行状态的动态匹配，并对扭矩超限等情况进行故障预警，判断分析，并与卷烟机主控PLC通信，实现设备的保护。

进一步，所述扭矩测量模块，安装在卷烟机主传动输出轴上，具体安装在离合器的上离合盘上，电机驱动动力通过齿轮传动驱动下离合盘运动，下离合盘通过啮合齿驱动上离合盘运动，上离合盘通过花键驱动主输出轴运动，从而驱动整个卷烟机储烟罐运动。

进一步，所述扭矩测量模块由应变片组成，应变片采用十字梁方式布置和全桥方式铺贴在卷烟机主传动输出轴上。

进一步，所述应变片的激励电压为10V；信号调理模块的输入电压为-20～+20mv，将电压信号放大后输出电压为-10～+10V。

进一步，所述数据处理模块安装在低功耗触摸工业平板上；所述工业平板上还安装有数据显示模块、逻辑控制模块和日志模块；所述数据处理模块分别与数据显示模块、逻辑控制模块和日志模块连接；

所述数据显示模块，用于调整监控的运行参数和显示设备的实时状态，包括：显示当前时刻的扭矩值、单次测试最大扭矩发生时刻以及最大值、历史扭矩曲线、设置设备的串口信息、扭矩限值、设备的控制策略；数据显示模块还提供日志记录和查询功能，便于进行故障诊断和分析；

所述逻辑控制模块，在扭矩超限或者运行异常的情况下，实现预警报警和设备停机；

所述日志模块，记录所有数据处理模块处理后的采样数据，并且选择相应的区段数据，进行数据回溯和观察；另外还记录所有的预警和动作信息，包括发生的时刻、动作类型，以及停机再启动的时间。

进一步，信号采集模块采用PCI接口方式与工业平板相连。

进一步，逻辑控制模块采用基于Modbus协议的串口继电器与卷烟机主控PLC连接，在扭矩超限或者运行异常的情况下，实现预警报警和设备停机。

进一步，所述数据处理模块用于实现扭矩信号的数据处理和分析以及故障分析判断及预警，具体包括：对于采集的扭矩信号进行二次数据滤波，首先对信号进行低通滤波，滤除工频干扰信号以及现场变频器等设备的高频信号干扰，然后对高速采集的信号进行算术平均均值滤波或者滑动平均滤波，降低随机干扰信号的影响；将滤波处理后输出结果通过图表和曲线的方式实施更新在工业平板显示屏上，并结合设备的运行转速和方向数据，以及扭矩信号大小，匹配设备的运行状态，包括烟支处于进烟或出烟的状态，以及存烟量；采用数据分析匹配算法查询预先设置的扭矩、转速和存烟量曲线，获取设备的运行状态。以上曲线可以基于统计数据确定。

进一步，故障分析判断和预警具体包括：对于处理后的每个采样数据，与设备的超限阈值比较判断设备是否超限；一般设置两个超限阈值，一个为设备最大扭矩的120％，提供警告信息，一个为最大扭矩的200％，立即停机保护。警告信息主要采用声光报警器的方式提醒工作人员注意。

本发明的有益效果在于：本发明能够实时监控主输出轴上负载的动态变化，并根据设备的当前运行状况综合判断是否扭矩处于正常范围，实时提供报警，在严重超载时立即切断运转信号，有效保护设备，提高产品运行的安全性和可靠性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的扭矩测量模块；

图2为本发明扭矩采集模块应变片布置图；

图3为本发明扭矩采集模块应变片电路图；

图4为本发明各模块逻辑关系图；

图5为本发明扭矩监测控制流程图；

附图标记：1-下离合盘，2-上离合盘，3-滑环，4-主输出轴，5-应变片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，图4为本实施例提供一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，包括扭矩测量模块、信号调理模块、滑环3、信号采集模块和数据处理模块；扭矩测量模块安装在卷烟机主传动输出轴上，监测主传动输出轴上扭矩值变化，信号调理模块将扭矩测量模块输出的电压信号进行调理滤波和放大；信号采集模块接受信号调理模块输出的信号完成高速采集；数据处理模块可以实现数据显示和设置，数据处理和分析，故障分析，逻辑控制，以及预警和日志功能，数据处理模块将采集的信号转换为扭矩实时显示，并实现扭矩的动态监测，卷烟机运行状态的动态匹配，并对扭矩超限等情况进行故障预警、判断分析并与卷烟机主控系统通信实现设备的保护。

如图1所示，扭矩测量模块具体安装在离合器的上离合盘2上，电机驱动动力通过齿轮传动驱动下离合盘1运动，下离合盘1通过啮合齿驱动上离合盘2运动，上离合盘通过花键驱动主输出轴4运动，从而驱动整个卷烟机储烟罐运动。

如图2所示，扭矩测量模块上应变片5采用十字梁方式布置，应变片5采用全桥方式铺贴，应变片的布置方式也可采用四柱式。应变片5选用激励电压为10V，根据设备的运行状态和离合器的固有特性，依照下面的计算公式计算，输出电压为范围在-20～+20mv之间。信号调理模块的输入电压也选择为±20mv。

其中，U₁表示扭矩测量模块输出电压；U₀表示激励电压；R表示应变片的电阻值；ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别表示全桥四个应变片的电阻变化值；K表示应变片常数；ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别表示全桥四个应变片的应变值。

如图3所示，信号调理模块和信号采集模块通过滑环连接。信号调理模板将扭矩测量模块采集的电压信号的放大到-10～+10V，作为信号采集模块的输入，信号采集模块采用100KHZ高速数据采集板卡。

数据处理模块采用低功耗触摸工业平板的方式，逻辑控制模块采用基于Modbus协议的串口继电器与主控PLC连接。信号采集模块采用PCI接口方式与工业平板相连。数据处理模块能够实现采样频率、滤波方式及参数、超限阈值、报警方式、串口通信等设置。

日志模块记录所有数据处理后的采样数据，并且能够选择相应的区段数据，进行数据回溯和观察。另外还记录了所有的预警和动作信息，包括发生的时刻、动作类型，以及停机再启动的时间。

工业平板数据显示包括：1)设备当前的运行状态，包括检测是否处于监测状态以及卷烟机是否处于停机状态等；2)设备的通信状态，包括信号采集模块和主控PLC状态是否正常；3)实时的扭矩大小以及实时的扭矩曲线，实时转速和运行方向，进烟或出烟，存烟量估计；4)单次测试扭矩最大值和发生的时刻，可复位。

工业平板数据设置包括：1)信号的采样频率和通道设置；2)滤波器参数设置；3)扭矩超限阈值设置；4)串口通信设置；5)报警方式设置。

如图5所示，数据处理模块能够实现扭矩信号的数据处理和分析以及故障分析判断及预警。对于采集的扭矩信号进行二次数据滤波，首先对信号进行低通滤波，滤除工频干扰信号以及现场变频器等设备高频信号干扰，然后对高速采用信号进行算术平均均值滤波或者滑动平均滤波，降低随机干扰信号的影响。将滤波处理后输出结果通过图表和曲线的方式实施更新在工业平板显示屏上，并结合设备的运行转速和方向数据，以及扭矩信号大小，匹配设备的运行状态，包括烟支处于进烟还是出烟状态，存烟量是多少。数据分析匹配算法查询预先设置的扭矩、转速和存烟量曲线，获取设备的运行状态。以上曲线可以基于统计数据确定。

故障分析判断和预警主要实现故障警告和超载停机动作以保护设备。对于处理后的每个采样数据，与设备的超限阈值比较判断设备是否超限，超限阈值一般设置有两个，一个为设备最大扭矩的120％，提供警告信息，一个为最大扭矩的200％，立即停机保护。警告信息主要采用声光报警器的方式提醒工作人员注意。

本实施例所述的卷烟机扭矩监测与控制系统的实现方法，主要包括以下步骤：通过数据分析模块进行扭矩检测和控制的初始化设置，采样频率设置为100HZ，低通滤波器截至频率设置为30HZ，算术平均滤波N设置为16，设备预警第一阈值扭矩设置为180Nm，第二扭矩阈值设置为300Nm。

储烟罐的运动有其特殊性，储烟罐属于卷烟机和包装机之间烟支生产节拍缓冲设备，在运行过程中，罐体中的烟支数量和罐体的运行方向时刻在变，因此输出的扭矩曲线不具备周期性，容易发生故障。电机驱动动力通过齿轮传动驱动下离合盘1运动，下离合盘1通过啮合齿驱动上离合盘2运动，上离合盘通过花键驱动主输出轴4运动，从而驱动整个卷烟机储烟罐运动。安装在上离合盘上的扭矩测量模块采用应变片全桥方式，设备在运行过程中，应变片产生微小的应变变化，在全桥电路激励电压输入下，全桥电路产生输出电压，输出电压经过信号调理模块的滤波和信号放大后，通过滑环接入信号采集模块，信号采集模块实现高速采集和A/D转换。

采集的信号经过二次滤波后转换为实时扭矩值。数据显示模块可以调整监控的运行参数和显示设备的实时状态。主要包括：显示当前时刻的扭矩值；单次测试最大扭矩发生时刻以及最大值，显示历史扭矩曲线；设置设备的串口信息，扭矩限值，设备的控制策略。逻辑控制模块采用基于Modbus协议的串口继电器与主控PLC连接，在扭矩超限或者运行异常的情况下，实现预警报警和设备停机。数据显示模块提供日志记录和查询功能，便于进行故障诊断和分析。

故障分析判断和预警主要实现故障警告和超载停机动作以保护设备。对于处理后的每个采样数据，与设备的超限阈值比较判断设备是否超限，超限阈值一般设置有两个，一个为设备最大扭矩的80％，提供警告信息，一个为最大扭矩的110％，立即停机保护。警告信息主要采用声光报警器的方式提醒工作人员注意。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，该系统包括扭矩测量模块、信号调理模块、滑环、信号采集模块和数据处理模块；

所述扭矩测量模块，安装在卷烟机主传动输出轴上，具体安装在离合器的上离合盘上，监测主传动输出轴上的扭矩变化；所述扭矩测量模块由应变片组成，应变片采用十字梁方式布置和全桥方式铺贴在卷烟机主传动输出轴上；

所述滑环，用于连接信号调理模块和信号采集模块；

所述信号调理模块，用于将扭矩测量模块输出的电压信号进行调理滤波和放大；

所述信号采集模块，接受信号调理模块输出的信号，完成高速采集和A/D转换；

所述数据处理模块，用于将采集的信号转换为扭矩实时显示，实现扭矩的动态监测，卷烟机运行状态的动态匹配，并对扭矩超限进行故障预警，判断分析，并与卷烟机主控PLC通信；具体包括：对于采集的扭矩信号进行二次数据滤波，首先对信号进行低通滤波，滤除工频干扰信号以及现场变频器的高频信号干扰，然后对高速采集的信号进行算术平均均值滤波或者滑动平均滤波；将滤波处理后输出结果通过图表和曲线的方式实时更新在工业平板显示屏上，并结合设备的运行转速和方向数据，以及扭矩信号大小，匹配设备的运行状态，包括烟支处于进烟或出烟的状态，以及存烟量；采用数据分析匹配算法查询预先设置的扭矩、转速和存烟量曲线，获取设备的运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，所述扭矩测量模块，安装在卷烟机主传动输出轴上，具体安装在离合器的上离合盘上，电机驱动动力通过齿轮传动驱动下离合盘运动，下离合盘通过啮合齿驱动上离合盘运动，上离合盘通过花键驱动主输出轴运动，从而驱动整个卷烟机储烟罐运动。

3.根据权利要求2所述的一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，所述应变片的激励电压为10V；信号调理模块的输入电压为-20～+20mv，将电压信号放大后输出电压为-10～+10V。

4.根据权利要求1所述的一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，所述数据处理模块安装在低功耗触摸工业平板上；所述工业平板上还安装有数据显示模块、逻辑控制模块和日志模块；所述数据处理模块分别与数据显示模块、逻辑控制模块和日志模块连接；

所述数据显示模块，用于调整监控的运行参数和显示设备的实时状态，包括：显示当前时刻的扭矩值、单次测试最大扭矩发生时刻以及最大值、历史扭矩曲线、设置设备的串口信息、扭矩限值、设备的控制策略；数据显示模块还提供日志记录和查询功能，便于进行故障诊断和分析；

所述逻辑控制模块，在扭矩超限或者运行异常的情况下，实现预警报警和设备停机；

所述日志模块，记录所有数据处理模块处理后的采样数据，并且选择相应的区段数据，进行数据回溯和观察；另外还记录所有的预警和动作信息，包括发生的时刻、动作类型，以及停机再启动的时间。

5.根据权利要求4所述的一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，信号采集模块采用PCI接口方式与工业平板相连。

6.根据权利要求4所述的一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，逻辑控制模块采用基于Modbus协议的串口继电器与卷烟机主控PLC连接，在扭矩超限或者运行异常的情况下，实现预警报警和设备停机。

7.根据权利要求1所述的一种卷烟机组在线扭矩监测和控制系统，其特征在于，故障分析判断和预警具体包括：对于处理后的每个采样数据，与设备的超限阈值比较判断设备是否超限；设置两个超限阈值，一个为设备最大扭矩的120％，提供警告信息，一个为最大扭矩的200％，立即停机保护。

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