CN114428211A - 一种机电设备在线状态监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电控制技术领域，具体涉及一种机电设备在线状态监测系统，包括：实时采集电机运行时的模拟电信号的信号采集装置；与信号采集装置通信连接的PLC控制器，PLC控制器用于对该模拟电信号进行模数转换处理，并将转换得到的数字电信号传输至上位监控装置；上位监控装置用于根据接收到的数字电信号绘制包括电机电流曲线、电机温度曲线和电机振动曲线在内的电机运行状态曲线，并当电机运行状态达到报警条件时触发报警信号。电机运行状态曲线直观地反映了电机运行电流、温度和振动参数的变化信息，有利于工作人员实时观察电机的运行状态，并且通过在电机运行异常时及时预警，避免电机发生故障。

Description

一种机电设备在线状态监测系统和方法

技术领域

本发明涉及机电控制技术领域，具体地涉及一种机电设备在线状态监测系统和方法。

背景技术

电机运行状态是关系整个机电设备安全、稳定运行的关键因素，由于电机功率一般在1000KW以下，其重要程度小于大型机组设备，因此为节约成本，一般仅配置电机过载保护装置。然而，电机过载保护装置只有在电机发生异常或严重故障(如过载、短路、缺相、接地等)的情况下才对电机起到保护作用，并不能在电机发生故障前预警，严重的情况下，甚至可能造成电机烧毁、机械设备损坏等事故，因此对于相对重要且经济价值较高的设备进行运行状态监测，在设备发生故障前实现预知性警告，是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种机电设备在线状态监测系统和方法，旨在对电机运行状态进行监测，并及时在电机运行状态异常时报警。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种机电设备在线状态监测系统，包括：

信号采集装置，用于实时采集电机运行时的模拟电信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号；

PLC控制器，与所述信号采集装置通信连接，用于对采集到的所述模拟电信号进行模数转换处理，并将转换得到的数字电信号传输至上位监控装置；

上位监控装置，与所述PLC控制器通信连接，用于根据接收到的所述数字电信号绘制包括电机电流曲线、电机温度曲线和电机振动曲线在内的电机运行状态曲线，并且当电机运行状态达到报警条件时触发报警机制。

优选地，所述信号采集装置包括：

电流变送器，安装在电机输出轴上，用于实时采集电机的运行电流；

温度变送器，安装在电机绕组上，用于实时采集电机绕组温度，并将所述电机绕组温度转换为相应的电信号；

振动变送器，安装在电机传动轴的X轴和Y轴上，用于实时采集电机传动轴的X轴和Y轴的振动信息，并将所述振动信息转换为相应的电信号。

优选地，所述电流变送器、所述温度变送器和所述振动变送器输出的电信号为4mA-20mA的电流信号。

优选地，所述PLC控制器包括：CPU模块、A/D转换模块，数据存储模块和通信模块；

所述CPU模块控制A/D转换模块将所述模拟电信号转换为相应的数字电信号，并将转换得到的数字电信号储存在数据存储模块中；

所述通信模块与所述上位监控装置连接，所述CPU模块还用于控制数据存储模块中的数字电信号以循环中断的方式传输至所述上位监控装置。

优选地，所述PLC控制器的RS485接口与所述上位监控装置的RS232/485转换接口连接。

优选地，所述上位监控装置包括：

工控机，利用数据分析软件对接收到的数字电信号进行处理和分析，实现电机的运行状态识别与故障报警；

显示装置，与所述工控机电连接，用于显示电机运行状态曲线和报警信息；

报警装置，与所述工控机连接，用于接收来自所述工控机的非正常工作状态的报警信号，并进行声/光报警。

优选地，所述显示装置的工作界面设置有：

电流监测窗口，用于显示电机电流随时间的变化曲线；

温度监测窗口，用于显示电机绕组温度随时间的变化曲线；

振动监测窗口，用于显示电机传动轴的X轴和Y轴振动量随时间的变化曲线；

报警条件设置窗口，用于分别输入电机电流、电机绕组温度、电机传动轴振动的报警条件；

电流报警窗口，用于当电机电流值触发相应的报警条件时弹出报警信息；

温度报警窗口，用于当电机绕组温度值触发相应的报警条件时弹出报警信息；

振动报警窗口，用于当电机传动轴的X轴和/或Y轴的振动值触发相应的报警条件时弹出报警信息。

优选地，所述显示器的工作界面还设置有：

当前状态查看按钮，点击时所述电流监测窗口、所述温度监测窗口和所述振动监测窗口分别显示页面当前周期内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机传动轴的X轴和Y轴振动曲线；

历史状态查看按钮，点击时所述电流监测窗口、所述温度监测窗口和所述振动监测窗口分别显示页面当前周期的前一周期内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机传动轴的X轴和Y轴振动曲线。

本发明第二方面提供一种机电设备在线状态监测方法，包括：

实时采集电机运行时的模拟电信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号；

对采集到的所述模拟电信号进行模数转换处理，并根据得到的数字电信号绘制包括电流变化曲线、温度变化曲线和振动变化曲线在内的电机运行状态曲线，当电机运行状态达到报警条件时触发报警机制。

优选地，所述电流信号为电机的运行电流；

所述温度信号为由电机绕组温度转换成的模拟电信号；

所述振动信号为由电机传动轴的X轴和Y轴的振动信息转换成的模拟电信号。

根据上述技术方案，PLC控制器通过实时采集电机工作信号，包括电机运行的电流信号、温度信号和振动信号，上位监控装置依据电机工作信号绘制相应的电机运行状态曲线，由于电机运行状态曲线直观地反映了电机运行过程中包括电机电流、电机温度和电机轴振动随时间变化的信息，有利于工作人员实时观察电机的运行状态，同时，上位监控装置在电机运行状态达到预设的报警条件时触发报警机制，通过在电机运行异常时及时预警，避免发生电机故障。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是机电设备在线状态监测系统的结构示意图；

图2是显示器的工作界面示意图；

图3是机电设备在线状态监测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，本发明提供了一种机电设备在线状态监测系统，包括：

信号采集装置，用于实时采集电机运行时的模拟电信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号。

PLC控制器，与所述信号采集装置通信连接，用于对采集到的所述模拟电信号进行模数转换处理，并将转换得到的数字电信号传输至上位监控装置。

上位监控装置，与所述PLC控制器通信连接，用于根据接收到的所述数字电信号绘制包括电流曲线、温度曲线和振动曲线在内的电机运行状态曲线，当电机运行状态达到报警条件时触发报警机制。

本发明方案中通过实时采集电机工作信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号，依据该电机工作信号绘制相应的电机运行状态曲线，由于电机运行状态曲线直观地反映了电机运行过程中包括电机电流、电机温度和电机振动随时间变化的信息，有利于工作人员实时观察电机的运行状态，同时，利用上位监控装置中的监控软件预设报警条件，并在电机运行状态达到该预设的报警条件时触发报警信号，通过在电机运行异常时及时预警，避免发生电机故障。

具体地，本发明中所述的信号采集装置包括：

电流变送器，安装在电机输出轴上，用于实时采集电机输出的电流信号，示例性的，本发明中的电流变送器采用SIN-DJI-B-30A-V1-B1型号电流变送器；

温度变送器，安装在电机绕组上，用于实时采集电机绕组温度，并将所述电机绕组温度转换为相应的电信号，示例性的，本发明中的温度变送器采用PT100型号一体化温度变送器，将其传感模块采集到的电机绕组温度转换为模拟电信号；

振动变送器，安装在电机传动轴的X轴和Y轴上，用于实时采集电机传动轴的X轴和Y轴的振动信息，并将所述振动信息转换为相应的电信号，示例性的，本发明中的振动变送器采用CT1010LC系列一体化振动变送器，将传感模块采集到的电机传动轴的X轴和Y轴的振动量分别转换为模拟电信号。

其中，所述电流变送器、所述温度变送器和所述振动变送器采用DC24V的直流电源供电，其输出的电信号为4mA-20mA的电流信号。

进一步地，可编程序控制器PLC包括处理器和存储器，具体包括：CPU模块、A/D转换模块、数据存储模块和通信模块，由处理器执行储存在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

CPU模块用于控制A/D转换模块将所述模拟电信号转换为相应的数字电信号，并将转换得到的数字电信号储存在数据存储模块中。

通信模块与所述上位监控装置连接，CPU模块还用于控制数据存储模块中的数字电信号以循环中断的方式传输至上位监控装置。循环中断也称为周期性中断，循环中断组织块按一定时间间隔循环执行中断程序。

示例性的，该PLC控制器的型号为西门子S7-1214系列。所述PLC控制器的RS485接口与所述上位监控装置的RS232/485转换接口连接。

根据一个优选的实施方式，该上位监控装置采用工控机，工控机通过其RS232/485转换接口与PLC控制器的RS485接口利用双绞线进行通信连接，工控机与PLC控制器采用主从方式通讯，PLC控制器作为主机，工控机作为从机，工作方式为单双工方式。

在本发明方案中，PLC控制器的通信模块采用RS485串行通讯接口，遵循ModBus通讯协议。在建立PLC控制器与上位监控装置的通信连接前，需要对PLC控制器的通信模块设置串口通信参数，包括波特率、数据位、奇偶校验位、停止位、串口号等。

进一步地，所述上位监控装置具体包括：

工控机，利用数据分析软件对接收到的数字电信号进行处理和分析，实现电机的运行状态识别与故障报警；

显示装置，与所述工控机电连接，用于显示电机运行状态曲线和报警信息；

报警装置，与所述工控机连接，用于接收来自所述工控机的非正常工作状态的报警信号，并进行声/光报警。

在本发明方案中，工控机基于WINDOWS操作系统，采用visual C++编程环境及微软基础类库MFC对该数据分析软件进行编程，用于实现对电机运行的电流、温度、振动信号等进行分析和状态识别。工控机完成串口初始化、曲线外观设置后，通过其通信控件采集数据，利用接受消息处理函数对数据进行转换，并判断数据是否超过上限报警值。采用High-Speed Charting Control控件进行状态曲线绘制，该状态曲线的纵坐标为采样电流值、温度值或振动值，横坐标为采样时间，横坐标的刻度可以为1H/2H等。

具体地，如图2所示，所述显示装置的工作界面设置有：

电流监测窗口，用于显示电机电流随时间的变化曲线；

温度监测窗口，用于显示电机绕组温度随时间的变化曲线；

振动监测窗口，用于显示电机传动轴的X轴和Y轴振动量随时间的变化曲线。较佳地，电机的X轴振动曲线与Y轴振动曲线采用不同颜色进行区分。

报警条件设置窗口，具体包括电流报警条件设置窗口、温度报警条件设置窗口和振动报警条件输入窗口，分别用于输入电机电流、电机绕组温度、电机传动轴振动的报警条件。

电流报警窗口，用于当电机电流值触发相应的报警条件时弹出报警信息。

温度报警窗口，用于当电机绕组温度值触发相应的报警条件时弹出报警信息。

振动报警窗口，用于当电机传动轴的振动值触发相应的报警条件时弹出报警信息。

当工控机采集到的数据满足报警条件时，例如电机电流、电机绕组温度，以及电机传动轴的X轴和Y轴振动量中的任意一项满足报警条件时，报警装置启动，并在对应的报警窗口显示报警信息；当不满足报警条件时，报警自动解除。

进一步地，所述显示器的工作界面还设置有：

当前状态查看按钮，点击时所述电流监测窗口、所述温度监测窗口和所述振动监测窗口分别显示页面当前周期内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机X轴和Y轴振动曲线；

在实际应用中，点击当前状态查看按钮，电流监测窗口、温度监测窗口和振动监测窗口分别显示当前1H(小时)内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机X轴和Y轴振动曲线，当曲线绘制延伸到监测窗口的最右端时，时间横轴自动向左平移1H刻度，继续绘制下1H内的状态曲线；

历史状态查看按钮，点击时所述电流监测窗口、所述温度监测窗口和所述振动监测窗口分别显示页面当前周期的前一周期内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机X轴和Y轴振动曲线；

在实际应用中，以当前监测窗口界面为参考，点击该历史状态查看按钮，电流监测窗口、温度监测窗口和振动监测窗口的时间横轴自动向右平移1H刻度，分别显示前1H内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机X轴和Y轴振动曲线，即可查看电机在前1H内的运行状态数据。

本发明方案中采用PLC控制器进行数据采集，采集效率高且数据传输稳定、可靠，采集一次数据可在1毫秒内完成；其次，PLC控制器与工控机之间采用485总线方式通信连接，可同时对多台设备的电机进行状态检测；再次，利用显示器查看电机的实时运行状态曲线及历史运行曲线，电机运行温度曲线、电机运行电流曲线及电机振动曲线在同一画面上，可对同一时刻的运行数据进行直观分析；并且，电机运行故障前可及时报警，还可以查看历史报警信息，便于进行分析。

第二方面，本发明还提供了一种机电设备在线状态监测方法，如图3所示，该机电设备在线状态监测方法包括以下步骤：

S1、实时采集电机运行时的模拟电信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号；

S2、对采集到的所述模拟电信号进行模数转换处理，并根据所述数字电信号绘制包括电流变化曲线、温度变化曲线和振动变化曲线在内的电机运行状态曲线，当电机运行状态达到报警条件时触发报警信号。

在步骤S1中，所述电流信号为包含有电机的运行电流；所述温度信号为由电机绕组温度转换成的模拟电信号；所述振动信号为由电机传动轴的X轴和Y轴的振动信息转换成的模拟电信号。

步骤S2中利用PLC控制器对模拟电信号进行模数转换处理，并将转换得到的数字电信号以循环中断的方式传输至上位监控装置的工控机，工控机利用数据分析软件对接收到的数字电信号进行处理和分析，实现电机的运行状态识别与故障报警，具体工作过程和原理与上述机电设备在线状态监测系统相同或相似，此处不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述机电设备在线状态监测系统包括：

信号采集装置，用于实时采集电机运行时的模拟电信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号；

PLC控制器，与所述信号采集装置通信连接，用于对采集到的所述模拟电信号进行模数转换处理，并将转换得到的数字电信号传输至上位监控装置；

上位监控装置，与所述PLC控制器通信连接，用于根据接收到的所述数字电信号绘制包括电机电流曲线、电机温度曲线和电机振动曲线在内的电机运行状态曲线，并且当电机运行状态达到报警条件时触发报警机制。

2.根据权利要求1所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述信号采集装置包括：

电流变送器，安装在电机输出轴上，用于实时采集电机的运行电流；

温度变送器，安装在电机绕组上，用于实时采集电机绕组温度，并将所述电机绕组温度转换为相应的电信号；

振动变送器，安装在电机传动轴的X轴和Y轴上，用于实时采集电机传动轴的X轴和Y轴的振动信息，并将所述振动信息转换为相应的电信号。

3.根据权利要求2所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述电流变送器、所述温度变送器和所述振动变送器输出的电信号为4mA-20mA的电流信号。

4.根据权利要求1所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述PLC控制器包括：CPU模块、A/D转换模块、数据存储模块和通信模块；

所述CPU模块控制A/D转换模块将所述模拟电信号转换为相应的数字电信号，并将转换得到的数字电信号储存在数据存储模块中；

所述通信模块与所述上位监控装置连接，所述CPU模块还用于控制数据存储模块中的数字电信号以循环中断的方式传输至所述上位监控装置。

5.根据权利要求1所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述PLC控制器的RS485接口与所述上位监控装置的RS232/485转换接口连接。

6.根据权利要求1所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述上位监控装置包括：

工控机，利用数据分析软件对接收到的数字电信号进行处理和分析，实现电机的运行状态识别与故障报警；

显示装置，与所述工控机电连接，用于显示电机运行状态曲线和报警信息；

报警装置，与所述工控机连接，用于接收来自所述工控机的非正常工作状态的报警信号，并进行声/光报警。

7.根据权利要求6所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述显示装置的工作界面设置有：

电流监测窗口，用于显示电机电流随时间的变化曲线；

温度监测窗口，用于显示电机绕组温度随时间的变化曲线；

振动监测窗口，用于显示电机传动轴的X轴和Y轴振动量随时间的变化曲线；

报警条件设置窗口，用于分别输入电机电流、电机绕组温度、电机传动轴振动的报警条件；

电流报警窗口，用于当电机电流值触发相应的报警条件时弹出报警信息；

温度报警窗口，用于当电机绕组温度值触发相应的报警条件时弹出报警信息；

振动报警窗口，用于当电机传动轴的X轴和/或Y轴的振动值触发相应的报警条件时弹出报警信息。

8.根据权利要求7所述的机电设备在线状态监测系统，其特征在于，所述显示器的工作界面还设置有：

当前状态查看按钮，点击时所述电流监测窗口、所述温度监测窗口和所述振动监测窗口分别显示页面当前周期内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机传动轴的X轴和Y轴振动曲线；

历史状态查看按钮，点击时所述电流监测窗口、所述温度监测窗口和所述振动监测窗口分别显示页面当前周期的前一周期内的电机电流曲线、电机绕组温度曲线和电机传动轴的X轴和Y轴振动曲线。

9.一种机电设备在线状态监测方法，应用于上述权利要求1至8任意一项所述的机电设备在线状态监测系统中，其特征在于，所述机电设备在线状态监测方法包括：

实时采集电机运行时的模拟电信号，包括电机的电流信号、温度信号和振动信号；

对采集到的所述模拟电信号进行模数转换处理，并根据得到的数字电信号绘制包括电流变化曲线、温度变化曲线和振动变化曲线在内的电机运行状态曲线，当电机运行状态达到报警条件时触发报警机制。

10.根据权利要求9所述的机电设备在线状态监测方法，其特征在于，所述电流信号为电机的运行电流；

所述温度信号为由电机绕组温度转换成的模拟电信号；

所述振动信号为由电机传动轴的X轴和Y轴的振动信息转换成的模拟电信号。

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