CN114993461B - 一种塔机机构电机振动的检测系统和方法 - Google Patents

一种塔机机构电机振动的检测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塔机机构电机振动的检测系统和方法，具体包括以下步骤：S1：三轴振动加速度传感器周期性地将采集到的数据传输给中央处理模块，中央处理模块进行处理并进行缓存；S2：中央处理器筛选出缓存数据中的最大值；S3：将步骤S2获取的最大值与预设的振动异常阀值做比较，若T0时间内持续监测到的振动加速度大于阈值，人机交互模块就发出报警信息。本发明能实现运行状态下电机振动状态的实时监测，提高了振动检测的精度，能够及时的发现电机出现的异常情况并进行预警，这对提高电机设备的可利用率、塔机工作机构利用率等都起到了重要的作用。

Description

一种塔机机构电机振动的检测系统和方法
技术领域
本发明涉及电机振动检测技术领域，尤其一种塔机机构电机振动的检测系统和方法。
背景技术
在当前建筑工程建设中，塔机在其中扮演着必不可少且起着关键作用的角色，对于塔机而言，电机又是塔机上的工作机构重要组成部分，电机是把电能转换为旋转机械能的动力机械。在塔机上有着变幅、回转和起升三大工作机构，随着机械行业电动化的普及及发展，塔机基本上都有电机参与控制，由于每个工作机构作用不同，所以不同工作机构中的电机功率也基本不相同。
塔机工作机构的电机在日常使用和维护中，需要对电机各项数据进行检测，电机设备会出现部件磨损及变形、连接松动以及机器整体的动态性能出现问题，如转子不平衡、部件磨损、轴不对中等，大多无法通过外观能直接发现，因此需要通过对电机进行定期的振动检测来发现设备所存在的隐患，便于提前对设备进行维护。同时周期性的进行人工振动检测并不能避免一些紧急情况的出现，如电机转轴因短时间内振动超差导致温度急剧升高等，因此需要有一种能够实时检测电机振动状态的检测系统，能够在电机出现振动异常时及时的发出警报信息并对异常情况进行处理。
已公开专利带诊断功能的振动传感器及其动设备振动检测方法（公开号为CN113155262A）记载了一种带诊断功能的振动传感器，包括：嵌入式中央处理单元；低频振动采集器，采集动设备在不运行状态下自身固有频率的振动数据，并存储在存储单元中，在存储单元中还预存有根据动设备固有频率振动数据生成的不同类别的故障对应的故障频率数据；高频振动采集器，采集动设备在运行状态下的振动数据；嵌入式中央处理单元将固有频率振动数据从高频振动采集器采集的振动数据中滤除掉，并将处理后的数据与预存的故障频率数据进行比对，若存在一致，则出现故障，产生报警信息。该传感器能够有效去除动设备自身固有频率特性产生的干扰数据，使得到的数据更精确和真实，同时也能够实时诊断，实时预警。该发明还提供了一种动设备的振动检测方法。
该专利中的振动检测方法能够滤除设备的固有频率振动，即去除部分系统误差，但不能滤除或减小振动传感器自身及外围电路带来的误差或者噪声信号(同样为系统误差)。
其故障报警的方法为振动频率对比法，每一种故障有对应的振动频率，仅能识别特定故障，算法容错率高容易误识别，容错率低又容易漏识别。
已公开专利用于检测电机振动的系统和方法（公开号为CN104980081B）公开了一种用于监测电机的振动的改进系统及方法。根据一个实施方式，传感器被定位在与电动机传动轴正交的平面中，并且每个传感器检测沿电动机的至少一个轴的振动。传感器被定向成使得每个传感器的极性相反。成对的传感器可以用于隔离电动机内的特定振动。根据另一实施方式,传感器可以直接安装至电动机传动轴。电动机传动轴上的传感器直接检测沿电动机传动轴的振动。可选地，第二传感器可以安装至电动机壳体内的固定位置，并且电动机传动轴上的传感器与固定位置处的传感器的组合可以用于隔离电动机内的特定振动。电动机控制器可以调整电动机的操作以减少所隔离的振动。
该专利中的振动检测方法能够识别电机内的特定振动，并能够使控制器能够减小或者消除所识别的振动，但不能滤除或减小振动传感器自身及外围电路带来的误差或者噪声信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种塔机机构电机振动的检测系统和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种塔机机构电机振动的检测方法，具体包括以下步骤：
S1：振动加速度传感器周期性地将采集到的数据传输给中央处理模块，中央处理模块进行处理并进行缓存；
S2：中央处理器筛选出缓存数据中的最大值；
S3：将步骤S3获取的最大值与预设的振动异常阈值做比较，若T0时间内持续监测到的振动加速度大于阈值，人机交互模块就发出报警信息。
所述步骤S1具体包括以下步骤：
S101：将三轴振动加速度传感器安装在电机主轴附近；
S102：数据采集模块周期性地获取振动加速度传感器数据并发送给中央处理模块进行处理；
S103：中央处理模块对采集数据做进一步的补偿处理；
S104：将计算的数据进行缓存。
所述步骤S2中筛选出缓存数据中最大值的方法采用选择排序算法：共有length个缓存数据，选择其中一个元素与其他的元素进行大小比较，如果大于就交换位置，整个选择排序执行结束后，最后一个数值就是所有缓存数据里面的最大值。
所述步骤S103中补偿处理采用分段误差确认补偿方法，根据输入端输入数量n，将输出端划分n-1个区间，用作为线性函数模型，进行补偿计算时，根据输入值的区间范围采用两点法计算各区间的线性函数。
一种塔机机构电机振动的检测系统，包括电机、三轴振动加速度传感器、数据采集模块、中央处理模块和人机交互模块；所述三轴振动加速度传感器设置在所述电机主轴附近；所述单向振动加速度传感器输出端与数据采集模块输入端相连接，数据采集模块输出端与中央处理模块输入端相连接，中央处理模块与人机交互模块相连接。
本发明的有益效果：
1.通过分段拟合线性函数用作误差补偿的计算，能够去除或减小由传感器自身及外围电路带来的误差或者噪声信号，提高振动检测的精度。
2.采用加速度阈值+持续时间来共同判定异常振动，保证对异常振动有一定的敏感性，又不会出现频繁误报的情况，可以根据各不同工况设置相对应的参数来保证判定的有效性。
3.能实现运行状态下电机振动状态的实时监测，能够及时的发现电机出现的异常情况并进行预警，这对提高电机设备的可利用率、塔机工作机构利用率等都起到了重要的作用，并提高塔机运行的安全性从而避免安全事故的发生。
4.能够基于电机的监测状态来灵活的制定维修维护计划，减少日常的巡视频率，降低工人的工作强度以及维修维护次数；减少故障部件的二次损伤，降低损耗率，并延长电机的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明装置连接示意图；
图2是本发明的误差补偿计算函数图；
图3是本发明的数据处理流程示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种塔机机构电机振动的检测方法：
（1）结构构成部件
此结构系统主要由电机、三轴振动加速度传感器、数据采集模块、中央处理模块、人机交互模块组成。
（2）各部件之间的连接关系如附图1：
三轴振动加速度传感器布置在电机主轴附近，通过传感器自带的信号输出线连接到数据采集模块，数据采集子卡与中央处理模块处在同一块板卡上，中央处理模块通过与人机交互模块通过相应的通信协议进行数据交换。
（3）振动加速度传感器的数据计算和振动超标计算
①、需要说明的是，由于在硬件中元器件自身的误差无法完全消除，故需在软件上对采集数据做进一步的补偿处理，此处补偿处理的依据是抽取合适的标本，抽取方式：在所有标本中会输入同一组不同的输入值，不同的输入值会得到不同的输出结果，得到的输出值分层较为明显，故对采样标本抽取采用分层抽样。分层抽样特别适用于既要对总体参数进行推断，也要对各子层的参数进行推断情形，分层抽样能够提高样本的代表性，从而提高由样本推断总体的精确性，同时实施起来灵活方便且便于组织。
抽样公式：
Figure 958752DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，ni为第i层应抽出的样本数目；n为样本总数；Ni为第i层的调查单位数；Si为第i层调查单位的样本标准差。
本系统中采用了分段误差确认补偿方法对获取的振动加速度值进行补偿。根据输入端输入数量n，将输出端划分n-1个区间，用
Figure 813575DEST_PATH_IMAGE002
作为线性函数模型，采用两点法计算各区间的线性函数。
由于有多个采样标本数据，故先计算出同个输入值对应输出值的平均值，假设第i个区间的起始数据和末端数据分别为
Figure 530996DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 926205DEST_PATH_IMAGE004
，则该区间的斜率
Figure 179725DEST_PATH_IMAGE005
、截距
Figure 939871DEST_PATH_IMAGE006
、线性函数为
Figure 879008DEST_PATH_IMAGE007
，i=1、2、........、N；
可以得到一组分段线性函数来作为误差补偿的计算函数。(如附图2所示)
进行补偿计算时，根据输入值的区间范围选择补偿的线性函数。
③、检测系统对加速度的设定阀值判断流程：
·数据采集模块周期性的获取振动加速度传感器数据，将计算的数据进行缓存。
·从缓存数据中得到最大值，此处得到最大值的方法是利用选择排序算法，该算法的核心思想是：从0到length-1（length为缓存数据的数量），选择某个元素与其他的元素进行大小比较，如果大于就交换位置，其他情况不做操作。整个选择排序执行结束后，最后一个数值就是该缓存所有数据里面的最大值。
·将上述获取到的最大值与预设的振动异常阀值做比较，本系统中根据电机型号的差异，报警阈值是可根据具体情况可设置的，本系统中默认的阈值为3.7mm/s2，当某时刻监测到振动加速度值大于3.7mm/s2时，就会在T0时间内（T0也是可设置，本系统中默认为10s）持续的检测振动加速度值，若T0时间持续的监测到振动加速度大于阈值的次数占比高于60%（可设置），就会发出报警信息。
·基于上述描述说明，下面用工作流程图作进一步解释说明，见附图3。
（4）各部件的作用
电机主要把电能转换为旋转机械能；振动加速度传感器：主要用于实时监测电机振动状态，其连接至于数据采集模块；数据采集模块主要用于采集振动加速度传感器获取电机状态数据，并对获取的信号进行过滤，其连接至中央处理模块；中央处理模块主要用于对数据采集模块传送来的数据进行缓存和处理；人机交互模块主要用于实时显示电机振动状态数据，并能对异常情况及时预警。
（5）整个工作流程。
塔机驾驶室操控操作杆会启动电机进行旋转运动来带动机构工作，电机的旋转运动将产生相应的振动，此处则通过振动加速度传感器获取到电机振动状态数据，相应数据会传送至数据采集模块，数据采集模块前端将模电信号进行过滤并转换为数字信号传送至中央处理模块将数据进行缓存以及处理，将处理后的数据发送至人机交互模块，人机交互模块会将电机振动状态数据进行实时显示，并对数据进行监测，若某时刻发现振动数据超过设定的阀值时，会在后续的一段时间内进行持续的监测，若在这个时间段内异常情况持续出现，就会触发预警提示信息至显示器上。
本发明能实现运行状态下电机振动状态的实时监测，能够及时的发现电机出现的异常情况并进行预警，这对提高电机设备的可利用率、塔机工作机构利用率等都起到了重要的作用。
本发明能够基于电机的监测状态来灵活的制定维修维护计划，减少日常的巡视频率，降低工人的工作强度以及维修维护次数；减少故障部件的二次损伤，降低损耗率，并延长电机的使用寿命。
本发明能及时给予警示信息，提高塔机运行的安全性从而避免安全事故的发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种塔机机构电机振动的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：振动加速度传感器周期性地将采集到的数据传输给中央处理模块，中央处理模块进行处理并进行缓存；
S101：将振动加速度传感器安装在电机主轴附近；
S102：数据采集模块周期性地获取振动加速度传感器数据并发送给中央处理模块进行处理；
S103：中央处理模块对采集数据做进一步的补偿处理；补偿处理采用分段误差确认补偿方法，根据输入端输入数量n，将输出端划分n-1个区间，用y=ax+b作为线性函数模型，进行补偿计算时，根据输入值的区间范围采用两点法计算各区间的线性函数：
第i个区间的起始数据和末端数据分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，则该区间的斜率
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、截距
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、线性函数为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，i=1、2、........、N；
S104：将计算的数据进行缓存；
S2：中央处理器筛选出缓存数据中的最大值；
S3：将步骤S2获取的最大值与预设的振动异常阈值做比较，若T0时间内持续监测到的振动加速度大于阈值，人机交互模块就发出报警信息。
2.根据权利要求1所述的一种塔机机构电机振动的检测方法，其特征在于，所述S2中筛选出缓存数据中最大值具体采用选择排序算法：共有length个缓存数据，选择其中一个元素与其他的元素进行大小比较，如果这一元素大于其他元素则交换两个元素之间的位置，整个选择排序执行结束后，最后一个数值就是所有缓存数据里面的最大值。
3.根据权利要求1-2任意一项所述方法的一种塔机机构电机振动的检测系统，其特征在于，包括电机、振动加速度传感器、数据采集模块、中央处理模块和人机交互模块；所述振动加速度传感器设置在所述电机主轴附近；所述振动加速度传感器输出端与数据采集模块输入端相连接，数据采集模块输出端与中央处理模块输入端相连接，中央处理模块与人机交互模块相连接。
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基于时间相关性的无线传感器网络数据压缩与优化算法;王玲等;《计算机应用》;20131201(第12期);1-7 *
基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制;刘小河等;《自动化技术与应用》;20041230(第12期);20-25 *
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