CN113064072B - 电机断轴的检测方法、系统、工业控制设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机断轴的检测方法，应用于同步驱动的N台电机，N≥3且为整数，包括：获取每台电机的转速值；根据每台电机的转速值，计算第i电机与其余N‑1台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及第i电机与其余N‑1台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,…，N；将第一转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长，以及第二转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长对应的第i电机确定为断轴电机；上述检测方法能够在第一时间检测出同步驱动的多台电机中的某台电机出现断轴。

Description

电机断轴的检测方法、系统、工业控制设备及存储介质

技术领域

本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机断轴的检测方法、系统、工业控制设备及存储介质。

背景技术

对于一些大型设备的旋转、翻转、摇动等操作，需要使用多台电机进行同步驱动控制，在长时间服役后，电机转轴可能产生损伤、断轴，虽然一台电机断轴可能不会影响设备动作，但若不及时解决则会产生更大的安全隐患。

以炼钢领域中的转炉设备为例，转炉的旋转运行是由四台相同型号倾动电机分别通过各自的一级减速机在共同驱动二次减速齿轮来驱使转炉旋转，四台倾动电机的安装在空间上互为对称。转炉操作因工况条件要求，转炉在加入废钢、兑铁、出渣及出钢等操作过程中，需要反复摇动转炉，且时常有“打反车”现象，对倾动电机转子轴造成一定冲击，在转炉兑铁和出钢转炉重载情况下尤为严重，日积月累造成倾动电机转子轴损伤、断裂。如果转炉其中一台倾动电机发生断轴，并不能直接影响转炉正常运转，因此无法立即发现断轴问题；虽然剩余三台倾动电机依然能够正常运转，但转炉的负载力矩将全部落在剩余三台倾动电机转子轴上，对三台倾动电机来说更加难以承担，势必造成更大的设备及安全隐患。而作业区对转炉倾动电机的检查是周期性的现场点检，如此则不能及时发现断轴问题，存在严重的安全隐患。

发明内容

本发明提供了一种电机断轴的检测方法、系统、工业控制设备及存储介质，以解决或者部分解决同步驱动的多电机系统无法主动、及时发现某电机出现断轴问题，影响设备安全运行的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电机断轴的检测方法，应用于同步驱动的N台电机，N≥3且为整数，包括：

获取每台电机的转速值；

根据每台电机的转速值，计算第i电机与其余N-1台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及第i电机与其余N-1台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,…，N；

将第一转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长，以及第二转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长对应的第i电机确定为断轴电机。

可选的，预设差值为电机额定转速的1％～10％。

可选的，在将第i电机确定为断轴电机之后，检测方法还包括：

生成第i电机断轴的报警信号，并将第i电机断轴的报警信号发送至上位机，以使上位机根据第i电机断轴的报警信号进行报警。

可选的，检测方法应用于转炉设备中同步驱动的4台倾动电机。

进一步的，预设差值为每分钟30转～60转。

进一步的，预设时长为0.5～5秒。

基于上述技术方案相同的发明构思，本发明还提供了一种电机断轴的检测系统，应用于同步驱动的N台电机，N≥3且为整数，检测系统包括：

获取模块，用于获取每台电机的转速值；

计算模块，用于根据每台电机的转速值，计算第i电机与其余N-1台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及第i电机与其余N-1台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,…，N；

确定模块，用于将第一转速差的绝对值和第二转速差的绝对值同时大于等于预设差值，且持续时间超过预设时长的第i电机确定为断轴电机。

可选的，检测系统还包括生成模块，用于生成第i电机断轴的报警信号，并将第i电机断轴的报警信号发送至上位机，以使上位机根据第i电机断轴的报警信号进行报警。

基于前述技术方案相同的发明构思，本发明还提供了一种工业控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时可以实现前述技术方案中的检测方法的步骤。

基于上述技术方案相同的发明构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可以实现前述技术方案中的检测方法的步骤。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种电机断轴的检测方法，通过获取同步驱动的N台电机中的每台电机的转速值，然后分别根据第i电机的转速值，实时监控第i电机与任意两台电机之间的转速差，当第i电机与一台电机之间的第一转速差的绝对值大于等于预设差值、持续时间大于等于预设时长，且第i电机与另一台电机之间的第二转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长时，将第i电机确定为断轴电机；上述检测方法是利用同步驱动的多电机在正常状态下的转速应当保持一致的控制原理，预设差值表示电机转速正常波动的极值，预设时长表示电机在控制反馈中出现短暂速度差的正常时间阈值，若某台电机与任意两台电机的转速差的绝对值均在预设差值以上，且持续时间均超过预设时长，则说明该电机出现了断轴问题；通过上述检测方法，能够在第一时间检测出某台电机出现断轴，从而能够及时安排处理，消除设备的安全隐患。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的电机断轴的检测方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的判断相邻电机之间的转速差值的流程示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的根据相邻电机之间的转速差值确定断轴电机的流程示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的电机断轴的检测系统示意图。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

传统的电机断轴检查方法，只能通过现场点检的方式被动发现，对设备的安全运行带来很大隐患。电机转子轴断轴多是突发性，因此对现场点检的时间周期制定、合理的人员安排带来一定困难。一旦没有及时发现，对现场设备的安全运行带来后果将是灾难性的。因此如何能够主动发现电机断轴，是首要解决问题。

为了及时检测多电机同步驱动中的电机断轴问题，在一个可选的实施例中，如图1所示，提供了一种电机断轴的检测方法，应用于同步驱动的N台电机，N≥3且为整数，包括如下步骤：

S1：获取每台电机的转速值；

S2：根据每台电机的转速值，计算第i电机与其余N-1台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及第i电机与其余N-1台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,…，N；

S3：将第一转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长，以及第二转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长对应的第i电机确定为断轴电机。

具体的，上述检测方法可应用于控制多电机同步驱动的工控系统，首先通过S1：实时采集每台电机的转速信号，可通过电机编码器进行采集，然后将转速信号发送至控制器进行步骤S2的计算和判断，控制器可以使用可编程逻辑控制器PLC。

在计算电机之间的转速差时，是分别计算每一台电机与其余N-1台电机中的任意两台电机之间的转速差。第i电机可以是表示编号为i的电机。需要注意的是，若是计算第i电机与相邻两台电机，即第i电机与第i-1电机之间的第一转速差和第i电机与第i+1电机之间的第二转速差，则第i-1电机是与第i电机相邻的前一台电机，第i+1电机是与第i电机相邻的后一台电机；当i＝1时，第i-1电机为第N电机，当i＝N时，第i+1电机为第1电机；也就是说，对于排列呈空间对称的多台电机，与第一台电机相邻的两台电机是最后一台电机和第二台电机，而对于最后一台电机，与之相邻的是倒数第二台电机和第一台电机。

在确定第i电机与任意两台电机相比是否断轴时，是在同一个时间段内，判断第i电机与其余电机中的任意两台电机之间的转速差的绝对值是否同时大于等于预设差值，且大于等于预设差值的持续时间大于等于预设时长，若同时满足，则可确定第i电机出现断轴。

上述的检测方法是利用同步驱动的多电机在正常状态下的转速应当保持一致的控制原理，预设差值表示电机转速正常波动的极值，预设时长表示电机在控制反馈中出现短暂速度差的正常时间阈值。预设差值的具体指应当根据电机额定转速进行差异化确定，对于额定转速高的电机，则预设差值更大，而额定转速低的电机，预设差值更小。可选的，预设差值为电机额定转速的1％～10％。

在检测出某个电机存在断轴后，可选的，检测方法还包括：生成第i电机断轴的报警信号，并将第i电机断轴的报警信号发送至上位机，以使上位机根据第i电机断轴的报警信号进行报警。通过上位机对第i电机断轴进行报警，以提醒作业区尽快检查电机，处理断轴故障。

由于需要检测某电机与任意两台电机之间的转速差，才能确定出是否出现断轴，因此本实施例提供的检测方法，是应用于数量在3台以上的同步驱动电机系统。在接下来的内容中，以炼钢工艺中的转炉设备使用的4台倾动电机为例，对上述方案进行详细的说明。

转炉的倾动电机及相应设备包括：变频器、PLC、电机、编码器和wincc上位机，其中：

倾动电机：通过变频器对电机进行控制，从而驱动负载的旋转工作；

编码器：同步采集电机的转速反馈信号，并发送给变频器进行闭环控制；

变频器：用于控制倾动电机的旋转，采集倾动电机的转速信号做为自身的速度闭环，同时将转速信号发送给PLC；

PLC控制器：接收变频器发送的电机转速信号，对转速信号进行处理、判断，并将处理后的状态，发送给wincc上位机，进行报警提示；可使用炼钢一级控制系统中的PLC控制器。

Wincc上位机：接收PLC发送过来的报警信号，对操作人员做出提示。

在实施本发明的方案时，在上述设备构成的控制系统中执行；对于转炉的倾动电机，根据对应的额定转速，预设差值可选值为每分钟30转～60转；且根据倾动电机在同步驱动过程中可能出现的短暂速度差，预设时长可选值为0.5～5秒。对于设备同步性好的电机，预设时长可以设置的较小，如500ms，以增加断轴报警灵敏度。在接下来的内容中，为了直观起见，以某台电机与相邻两台电机之间的预设差值为30r/min，预设时长3秒为例进行说明：

实施步骤主要包括：

(1)搭建系统，变频器、PLC控制器、wincc上位机之间建立通讯连接，进行数据传输。

(2)在wincc上位画面建立电机断轴报警信息，接收PLC发送信号；

(3)在PLC控制器中编写程序，对倾动4#电机与1#电机、1#电机与2#电机、2#电机与3#电机、3#电机与4#电机的转速分别进行对比，并对每组对比的转速差值的绝对值是否大于30r/min进行判断，且要求信号有效时间在3秒以上，具体判断过程如下：

当1#电机与2#电机两组转速对比的转速差的绝对值大于30r/min的有效信号，且有效时间在3秒以上，则生成最终状态值1；

当2#电机与3#电机两组转速对比的转速差的绝对值大于30r/min的有效信号，且有效时间在3秒以上，则生成最终状态值2；

当3#电机与4#电机两组转速对比的转速差的绝对值大于30r/min的有效信号，且有效时间在3秒以上，则生成最终状态值3；

当4#电机与1#电机两组转速对比的转速差的绝对值大于30r/min的有效信号，且有效时间在3秒以上，则生成最终状态值4。

上述过程的判断示意图如图2所示。

(4)根据得到的最终状态值进行倾动电机的断轴报警，具体过程如下：

若同时得到了最终状态值4与最终状态值1，则PLC控制器确定1#电机断轴，生成1#电机断轴报警信号，并将1#电机断轴报警信号发送至wincc上位机，wincc上位机根据1#电机断轴报警信号发出1#倾动电机断轴报警；

若同时得到了最终状态值1与最终状态值2，则PLC控制器确定2#电机断轴，生成2#电机断轴报警信号，并将2#电机断轴报警信号发送至wincc上位机，wincc上位机根据2#电机断轴报警信号发出2#倾动电机断轴报警；

若同时得到了最终状态值2与最终状态值3，则PLC控制器确定3#电机断轴，生成3#电机断轴报警信号，并将3#电机断轴报警信号发送至wincc上位机，wincc上位机根据3#电机断轴报警信号发出3#倾动电机断轴报警；

若同时得到了最终状态值3与最终状态值4，则PLC控制器确定4#电机断轴，生成4#电机断轴报警信号，并将4#电机断轴报警信号发送至wincc上位机，wincc上位机根据4#电机断轴报警信号发出4#倾动电机断轴报警。

上述过程的流程示意图如图3所示。

通过采集的四台倾动电机的转速，分别对每两台相邻电机的转速进行对比，依据转速差值的绝对值及差值有效时间，对电机转子轴状态做出判断，并对维护人员主动做出提示，避免因其中一台电机转子轴发生断裂而造成更大的事故，降低倾动电机的修复费用；提高自动化控制程度。

总的来说，本实施例提供了一种电机断轴的检测方法，通过获取同步驱动的N台电机中的每台电机的转速值，然后分别根据第i电机的转速值，实时监控第i电机与任意两台电机之间的转速差，当第i电机与一台电机之间的第一转速差的绝对值大于等于预设差值、持续时间大于等于预设时长，且第i电机与另一台电机之间的第二转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长时，将第i电机确定为断轴电机；上述检测方法是利用同步驱动的多电机在正常状态下的转速应当保持一致的控制原理，预设差值表示电机转速正常波动的极值，预设时长表示电机在控制反馈中出现短暂速度差的正常时间阈值，若某台电机与任意两台电机的转速差的绝对值均在预设差值以上，且持续时间均超过预设时长，则说明该电机出现了断轴问题；通过上述检测方法，能够在第一时间检测出某台电机出现断轴，从而能够及时安排处理，消除设备的安全隐患。

基于前述实施例相同的发明构思，在又一个可选的实施例中，如图4所示，提供了一种电机断轴的检测系统，应用于同步驱动的N台电机，N≥3且为整数，检测系统包括：

获取模块10，用于获取每台电机的转速值；

计算模块20，用于根据每台电机的转速值，计算第i电机与其余N-1台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及第i电机与其余N-1台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,…，N；

确定模块30，用于将第一转速差的绝对值和第二转速差的绝对值同时大于等于预设差值，且持续时间超过预设时长的第i电机确定为断轴电机。

可选的，检测系统还包括生成模块40，生成模块40用于生成第i电机断轴的报警信号，并将第i电机断轴的报警信号发送至上位机，以使上位机根据第i电机断轴的报警信号进行报警。

可选的，预设差值为电机额定转速的1％～10％。

基于前述实施例相同的发明构思，在又一个可选的实施例中，提供了一种工业控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时可以实现前述实施例中的检测方法的步骤。

基于前述实施例相同的发明构思，在又一个可选的实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可以实现前述实施例中的检测方法的步骤。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种电机断轴的检测方法，通过获取同步驱动的N台电机中的每台电机的转速值，然后分别根据第i电机的转速值，实时监控第i电机与任意两台电机之间的转速差，当第i电机与一台电机之间的第一转速差的绝对值大于等于预设差值、持续时间大于等于预设时长，且第i电机与另一台电机之间的第二转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长时，将第i电机确定为断轴电机；上述检测方法是利用同步驱动的多电机在正常状态下的转速应当保持一致的控制原理，预设差值表示电机转速正常波动的极值，预设时长表示电机在控制反馈中出现短暂速度差的正常时间阈值，若某台电机与任意两台电机的转速差的绝对值均在预设差值以上，且持续时间均超过预设时长，则说明该电机出现了断轴问题；通过上述检测方法，能够在第一时间检测出某台电机出现断轴，从而能够及时安排处理，消除设备的安全隐患。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种电机断轴的检测方法，其特征在于，应用于转炉设备中同步驱动的4台电机，所述检测方法包括：

获取每台电机的转速值；

根据所述每台电机的转速值，计算第i电机与其余3台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及所述第i电机与所述其余3台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,3,4；

将所述第一转速差的绝对值大于等于预设差值且持续时间大于等于预设时长，以及所述第二转速差的绝对值大于等于所述预设差值且持续时间大于等于所述预设时长对应的所述第i电机确定为断轴电机；所述预设差值为所述电机额定转速的1％～10％，所述预设时长为0.5～5秒。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在将所述第i电机确定为断轴电机之后，所述检测方法还包括：

生成所述第i电机断轴的报警信号，并将所述第i电机断轴的报警信号发送至上位机，以使所述上位机根据所述第i电机断轴的报警信号进行报警。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述预设差值为每分钟30转～60转。

4.一种电机断轴的检测系统，其特征在于，应用于转炉设备中同步驱动的4台电机，所述检测系统包括：

获取模块，用于获取每台电机的转速值；

计算模块，用于根据所述每台电机的转速值，计算第i电机与其余3台电机中的一台电机之间的第一转速差，以及所述第i电机与所述其余3台电机中的另一台电机之间的第二转速差；i依次取值1,2,3,4；

确定模块，用于将所述第一转速差的绝对值和所述第二转速差的绝对值同时大于等于预设差值，且持续时间超过预设时长的所述第i电机确定为断轴电机；所述预设差值为所述电机额定转速的1％～10％，所述预设时长为0.5～5秒。

5.如权利要求4所述的检测系统，其特征在于，还包括生成模块，用于生成所述第i电机断轴的报警信号，并将所述第i电机断轴的报警信号发送至上位机，以使所述上位机根据所述第i电机断轴的报警信号进行报警。

6.一种工业控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可以实现如权利要求1～3任一权项所述的检测方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时可以实现如权利要求1～3任一权项所述的检测方法的步骤。

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