TWI394021B - Servo valve detection system and its detection method - Google Patents

Description

伺服閥檢測系統及其檢測方法

本發明係有關於一種油壓設備檢測系統及其檢測方法，詳言之，係關於一種伺服閥檢測系統及其檢測方法。

在許多重工產業中，油壓控制設備使用廣泛，幾乎每條生產線都裝配許多不同規格的伺服閥，因此，伺服閥是否正常運作係為一重要課題。針對重要油壓控制設備，維護人員常遇到設備異常卻無法立即判斷，該異常是否因伺服閥發生問題而引起。在習知技術中，若發現設備異常，如設備顫振(Hunting)、反應速率慢或控制不良，操作人員會先認為伺服閥產生問題，接著，維護人員立刻拆換伺服閥，並將疑似故障的伺服閥送至專業的伺服閥修護單位(如伺服閥供應商)，進行伺服閥的測試及檢查。

上述之檢修單位使用一測試平台，該平台可提供伺服閥所需之固定、油壓與驅動訊號，以離線(Off－line)的方式進行伺服閥的性能檢測、評估與判斷。然而，在習知技術中，容易發生經現場判定為故障的伺服閥，在經繁雜的拆卸及送修程序後，卻被檢定為功能正常。因此，不僅增加維護人員的工作負擔，更因不必要之檢修造成龐大的維護時間、人力及費用，甚至可能因故障原因的誤判導致產線長時間的停擺，造成極大的損失。

因此，有必要提供一創新且富有進步性之伺服閥檢測系統及其檢測方法，以解決上述問題。

本發明提供一種伺服閥檢測系統，用以檢測一油壓設備之伺服閥，該油壓設備包括一輥隙控制裝置、一伺服閥控制單元及一油壓系統，該油壓系統包括一油路、一伺服閥及一油壓缸，該油路連通該伺服閥及該油壓缸，該伺服閥檢測系統包括：一油路阻斷開關、一診斷單元及一訊號切換裝置。

該油路阻斷開關設置於該油壓缸與該伺服閥之間，用以阻斷該伺服閥與該油壓缸間之油路。該診斷單元提供一伺服閥位置訊號至該伺服閥控制單元。該訊號切換裝置連接該輥隙控制裝置、該伺服閥控制單元及該診斷單元，用以切換該輥隙控制裝置及該伺服閥控制單元導通或該伺服閥控制單元及該診斷單元導通。其中，該伺服閥控制單元根據該伺服閥位置訊號控制該伺服閥，該診斷單元由該伺服閥擷取一閥軸位移訊號，並根據該閥軸位移訊號以一系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥之狀態。

本發明另提供一種伺服閥檢測方法，用以檢測一油壓設備之伺服閥，該油壓設備包括一輥隙控制裝置、一伺服閥控制單元及一油壓系統，該油壓系統包括一油路、一伺服閥及一油壓缸，該油路連通該伺服閥及該油壓缸，該伺服閥檢測方法包括以下步驟：(a)提供一診斷單元；(b)阻斷該伺服閥與該油壓缸間之油路；(c)導通該伺服閥控制單元及該診斷單元；(d)擷取一閥軸位移訊號；及(e)根據該閥軸位移訊號以一系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥之狀 態。

利用本發明之伺服閥檢測系統及其檢測方法，不需將伺服閥自設備上拆卸下來，即可經由該診斷單元應用系統鑑別方法，在線(In－line)、即時且有效地檢測出該伺服閥之狀態，以提供維護人員伺服閥之性能資訊，作為維護伺服閥及是否更換伺服閥之依據。藉此，本發明之伺服閥檢測方法改善習知技術中因判斷錯誤造成不必要的伺服閥拆卸動作，並且可提高設備的妥善率、減少意外停機及增加製程穩定性。

圖1顯示本發明伺服閥檢測系統應用於一油壓設備(精軋機)之示意圖；圖2顯示本發明伺服閥檢測系統之局部示意圖。配合參考圖1及圖2，該油壓設備1包括一輥隙控制裝置11、一伺服閥控制單元12及一油壓系統13。該油壓系統13包括一油路131、一油槽132、一油泵133、一伺服閥134及一油壓缸135，該油路131連通該油槽132、該油泵133、該伺服閥134及該油壓缸135。

在本實施例中，該輥隙控制裝置11係為可程式控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。其中，為使該油壓設備1可依據生產之需求而動作，會由該輥隙控制裝置11傳送一油壓缸位置訊號至該伺服閥控制單元12，該伺服閥控制單元12依據該油壓缸135之一回授位置訊號，計算並輸出該伺服閥134之一控制電流。該伺服閥134則依據該控制電流之變化，切換該油壓系統13的供給方向，進而驅 動該油壓缸135以升降至需求之位置。

本發明之該伺服閥檢測系統2包括：一油路阻斷開關21、一診斷單元22及一訊號切換裝置23。該油路阻斷開關21設置於該油壓缸135與該伺服閥134之間，用以阻斷該伺服閥134與該油壓缸135間之油路131。該診斷單元22用以提供一伺服閥位置訊號至該伺服閥控制單元12。較佳地，該診斷單元22係為一電腦，其包括一訊號輸出入界面221及一診斷模組222。

該訊號切換裝置23連接該輥隙控制裝置11、該伺服閥控制單元12及該診斷單元22，用以將該輥隙控制裝置11與該伺服閥控制單元12間之導通電路切換至導通該伺服閥控制單元12及該診斷單元22。在本實施例中，該伺服閥檢測系統2另包括一電壓/電流訊號轉換器24及一出入線盒25，設置於該訊號切換裝置23與該診斷單元22之間，其中該出入線盒25連接該診斷單元22及該電壓/電流訊號轉換器24，該電壓/電流訊號轉換器24連接該訊號切換裝置23。

在本實施例中，該伺服閥控制單元12係根據該伺服閥位置訊號控制該伺服閥134之一閥軸，使該閥軸產生位移，該診斷單元22接收來自該伺服閥134之一閥軸位移訊號，並根據該閥軸位移訊號以系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥134之狀態。其中，系統鑑別方法係為控制理論中之基盤知識，在此不再加以贅述。

圖3顯示本發明第一實施例伺服閥檢測方法之流程圖。配合參考圖1至圖3，首先參考步驟S31，提供一診斷單 元。參考步驟S32，以設置於該油壓缸135與該伺服閥134間之該油路阻斷開關21，阻斷該伺服閥134與該油壓缸135間之油路131。其中，阻斷該伺服閥134與該油壓缸135間之油路131，係為了移除該油壓缸135對該伺服閥134性能估測時之影響，以單獨檢測出該伺服閥134之性能狀態。

參考步驟S33，利用該訊號切換裝置23將該輥隙控制裝置11與該伺服閥控制單元12間之導通電路，切換至導通該伺服閥控制單元12及該診斷單元22。其中，為了單獨檢測出該伺服閥134之性能狀態，在隔離該油壓缸135對該伺服閥134的影響後，另將控制該伺服閥134之該伺服閥位置訊號由該輥隙控制裝置11切換至該診斷單元22來提供，以隔離該輥隙控制裝置11之影響。

參考步驟S34，擷取一閥軸位移訊號。在隔離該油壓缸135及該輥隙控制裝置11之影響後，即可進行該伺服閥134性能之檢測。其中，當開始進行該伺服閥134之性能檢測時，該診斷單元22先依據該伺服閥134之規格傳送特定波形之指令訊號(該伺服閥位置訊號)，經該出入線盒25、該電壓/電流訊號轉換器24及該訊號切換裝置23傳遞至該伺服閥控制單元12，該伺服閥控制單元12再根據該特定波形之指令訊號控制該伺服閥134，並且，同時擷取該伺服閥134之閥軸的回授訊號(該閥軸位移訊號)並傳遞至該診斷單元22。

參考步驟S35，根據該閥軸位移訊號以系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥134之狀態。在本實施例中，步驟S35包 括：步驟S351，根據該閥軸位移訊號計算一特徵曲線；步驟S352，計算該特徵曲線與一基準曲線之曲線偏離度；及步驟S353，根據該曲線偏離度、一低臨界偏離度及一高臨界偏離度判斷該伺服閥134之狀態。其中，該診斷單元22內具有多組診斷模組，該等診斷模組係作為各種不同伺服閥性能之理想值樣版。

該基準曲線具有複數個基準點，每一基準點具有一基準點順序及一基準訊號幅度值，該特徵曲線具有複數個檢測點，每一檢測點具有一檢測點順序及一檢測訊號幅度值。在步驟S352中，其係根據該等檢測點之數量、該等基準訊號幅度值、該等檢測訊號幅度值及複數個權重計算該曲線偏離度。

每一權重具有一權重順序，其中，該等檢測點順序及該等權重順序係分別相對於該等基準點順序，並且，在本實施例中係根據該等檢測點之數量及相對之檢測點順序計算該等權重。

以下茲詳細說明本發明第一實施例中曲線偏離度之計算方法。在此，本發明係以一正常伺服閥之動態響應曲線作為該基準曲線，每次檢測後所得之特徵曲線與該基準曲線比對，計算該特徵曲線與該基準曲線之曲線偏離度，藉以判斷伺服閥之狀態是否正常。

其中，以{f ₁ ，f ₂ ，…，f _m }代表該正常伺服閥之動態響應曲線中之各個點的值(基準點之基準訊號幅度值)，{g ₁ ，g ₂ ，…，g _m }代表某一次檢測之特徵曲線中之各個點的值 (檢測點之檢測訊號幅度值)，m 代表曲線中之數量，則曲線偏離度定義為： 其中，w _i 為權重函數，其定義為：w _i =1-(i /m )．0.5 (2)

方程式(2)中的權重函數主要之功能是考慮高頻部分可能因雜訊干擾而有較大的誤差，故在計算時給予較低的權重。曲線偏離度(Devia )既然代表伺服閥偏離正常狀態的程度，亦即，曲線偏離度越大表示伺服閥的性能愈差，應更加注意。

其中，在步驟S353中，若該曲線偏離度小於該低臨界偏離度，判斷該伺服閥134之狀態為正常狀態；若該曲線偏離度大於等於該低臨界偏離度且小於該高臨界偏離度，判斷該伺服閥134之狀態為警戒狀態；若該曲線偏離度大於該高臨界偏離度，判斷該伺服閥134之狀態為危險狀態。

圖4顯示本發明第二實施例伺服閥檢測方法之流程圖。該第二實施例伺服閥檢測方法包括以下步驟：步驟S41，提供一診斷單元22；步驟S42，阻斷該伺服閥134與該油壓缸135間之油路；步驟S43，將該輥隙控制裝置11與該伺服閥控制單元12間之導通電路切換至導通該伺服閥控制單元12及該診斷單元22；步驟S44，擷取一閥軸位移訊號；及步驟S45，根據該閥軸位移訊號以系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥134之狀態。

配合參考圖1、圖2及圖4，與上述圖3中之第一實施例伺服閥檢測方法不同之處在於，在該第二實施例伺服閥檢測方法中，步驟S45包括：步驟S451，根據該閥軸位移訊號計算一特徵曲線；步驟S452，計算該特徵曲線之複數個特徵參數(Characteristic factors)，每一特徵參數具有一特徵參數順序；步驟S453，根據每一特徵參數定義相對之一低臨界值百分比、一高臨界值百分比及一理想特徵參數；及步驟S454，根據相對之特徵參數之值、理想特徵參數之值、低臨界值百分比及高臨界值百分比，判斷該伺服閥134之狀態，其中每一理想特徵參數具有一理想特徵參數順序，該等特徵參數順序係分別相對於該等理想特徵參數順序。

在本實施例中，在步驟S454中係根據相對之理想特徵參數之值及低臨界值百分比計算複數個低臨界值，且根據相對之理想特徵參數之值及高臨界值百分比計算複數個高臨界值。

以下茲詳細說明本發明第二實施例中判斷該伺服閥狀態之方法。在此，本發明係假設某一伺服閥以系統鑑別方法完成系統鑑別後可計算n個特徵參數(由檢測後所得之特徵曲線計算而得)，針對每一特徵參數訂定其警戒值(低臨界值)及危險值(高臨界值)。其中，警戒值及危險值可依據伺服閥原廠提供之建議值乘以一設定百分比，或透過經驗需求加以設定。{T ₁ ，T ₂ ，…，T _n }代表某一次檢測之複數個特徵參數之值，{L ₁ ，L ₂ ，…，L _n }代表一正常伺服閥性能 之理想特徵參數之值，{A ₁ ，A ₂ ，…，A _n }代表相對應該等特徵參數之低臨界值百分比，{D ₁ ，D ₂ ，…，D _n }代表相對應該等特徵參數之高臨界值百分比。該伺服閥之狀態判斷如下：正常狀態(Good)：當T _x <(L _x ．A _x )警戒狀態(Alarm)：當T _x >＝(L _x ．A _x )且T _x <(L _x ．D _x )危險狀態(Danger)：當T _x >＝(L _x ．D _x )

其中，x ＝1 ，2 ，…，n 為任一數，(L _x ．A _x )為低臨界值，(L _x ．D _x )為高臨界值。

如上所述，若一特徵參數之值小於相對之低臨界值，判斷該伺服閥134之狀態為正常狀態；若一特徵參數之值大於等於相對之低臨界值且小於相對之高臨界值，判斷該伺服閥134之狀態為警戒狀態；若一特徵參數之值大於等於相對之高臨界值，判斷該伺服閥134之狀態為危險狀態。

圖5顯示利用本發明伺服閥檢測方法所得之頻域之幅度響應曲線比較圖，其中，曲線A1表示A伺服閥之幅度響應曲線，曲線B1表示B伺服閥之幅度響應曲線。圖6顯示利用本發明伺服閥檢測方法所得之頻域之相角響應曲線比較圖，其中，曲線A2表示A伺服閥之相角響應曲線，曲線B2表示B伺服閥之相角響應曲線。其中，本發明伺服閥檢測方法檢測結果，顯示A伺服閥之狀態為正常而B伺服閥之狀態為異常。並且，由圖5及圖6可明顯得知，B伺服閥之幅度響應曲線及相角響應曲線明顯地比A伺服閥差(即B伺服閥之性能比A伺服閥差)。經由實際拆解B伺服閥驗證後 發現，其閥軸回授彈簧球體已磨耗，因此伺服閥性能變差，此結果更進一步印證了本發明伺服閥檢測方法之檢測結果。

本發明之伺服閥檢測系統及其檢測方法不需將伺服閥自設備上拆卸下來，即可經由該診斷單元22(例如：電腦)應用系統鑑別方法，在線(In－line)、即時且有效地檢測出該伺服閥134之狀態，以提供維護人員伺服閥之性能資訊，作為維護伺服閥及是否更換伺服閥之依據。藉此，本發明之伺服閥檢測方法改善習知技術中因判斷錯誤造成不必要的伺服閥拆卸動作，並且可提高設備的妥善率、減少意外停機及增加製程穩定性。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明。因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧油壓設備

2‧‧‧本發明之伺服閥檢測系統

11‧‧‧輥隙控制裝置

12‧‧‧伺服閥控制單元

13‧‧‧油壓系統

21‧‧‧油路阻斷開關

22‧‧‧診斷單元

23‧‧‧訊號切換裝置

24‧‧‧電壓/電流訊號轉換器

25‧‧‧出入線盒

131‧‧‧油路

132‧‧‧油槽

133‧‧‧油泵

134‧‧‧伺服閥

135‧‧‧油壓缸

221‧‧‧訊號輸出入界面

222‧‧‧診斷模組

圖1顯示本發明伺服閥檢測系統應用於一油壓設備之示意圖；圖2顯示本發明伺服閥檢測系統之局部示意圖；圖3顯示本發明第一實施例伺服閥檢測方法之流程圖；圖4顯示本發明第二實施例伺服閥檢測方法之流程圖；圖5顯示利用本發明伺服閥檢測方法所得之頻域之幅度響應曲線比較圖；及圖6顯示利用本發明伺服閥檢測方法所得之頻域之相角 響應曲線比較圖。

1‧‧‧油壓設備

2‧‧‧本發明之伺服閥檢測系統

11‧‧‧輥隙控制裝置

12‧‧‧伺服閥控制單元

13‧‧‧油壓系統

21‧‧‧油路阻斷開關

22‧‧‧診斷單元

23‧‧‧訊號切換裝置

131‧‧‧油路

132‧‧‧油槽

133‧‧‧油泵

134‧‧‧伺服閥

135‧‧‧油壓缸

Claims (12)

1. 一種伺服閥檢測系統，用以檢測一油壓設備之伺服閥，該油壓設備包括一輥隙控制裝置、一伺服閥控制單元及一油壓系統，該油壓系統包括一油路、一伺服閥及一油壓缸，該油路連通該伺服閥及該油壓缸，該伺服閥檢測系統包括：一油路阻斷開關，設置於該油壓缸與該伺服閥之間，用以阻斷該伺服閥與該油壓缸間之油路；一診斷單元，提供一伺服閥位置訊號至該伺服閥控制單元；及一訊號切換裝置，連接該輥隙控制裝置、該伺服閥控制單元及該診斷單元，用以切換該輥隙控制裝置及該伺服閥控制單元導通或該伺服閥控制單元及該診斷單元導通；其中，該伺服閥控制單元根據該伺服閥位置訊號控制該伺服閥，該診斷單元由該伺服閥擷取一閥軸位移訊號，並根據該閥軸位移訊號以一系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥之狀態。
2. 如請求項1之系統，其中該輥隙控制裝置係為可程式控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。
3. 如請求項1之系統，其中該診斷單元係為一電腦。
4. 如請求項1之系統，另包括一電壓/電流訊號轉換器及一出入線盒，設置於該訊號切換裝置與該診斷單元之間，該出入線盒連接該診斷單元及該電壓/電流訊號轉換器， 該電壓/電流訊號轉換器連接該訊號切換裝置。
5. 一種伺服閥檢測方法，用以檢測一油壓設備之伺服閥，該油壓設備包括一輥隙控制裝置、一伺服閥控制單元及一油壓系統，該油壓系統包括一油路、一伺服閥及一油壓缸，該油路連通該伺服閥及該油壓缸，該伺服閥檢測方法包括以下步驟：(a)提供一診斷單元；(b)阻斷該伺服閥與該油壓缸間之油路；(c)導通該伺服閥控制單元及該診斷單元；(d)擷取一閥軸位移訊號；及(e)根據該閥軸位移訊號以一系統鑑別方法計算及判斷該伺服閥之狀態。
6. 如請求項5之方法，其中步驟(e)包括以下步驟：(e1)根據該閥軸位移訊號計算一特徵曲線；(e2)計算該特徵曲線與一基準曲線之曲線偏離度；及(e3)根據該曲線偏離度、一低臨界偏離度及一高臨界偏離度判斷該伺服閥之狀態。
7. 如請求項6之方法，其中該基準曲線具有複數個基準點，每一基準點具有一基準訊號幅度值，該特徵曲線具有複數個檢測點，每一檢測點具有一檢測訊號幅度值，在步驟(e2)中係根據該等檢測點之數量、該等基準訊號幅度值、該等檢測訊號幅度值及複數個權重計算該曲線偏離度。
8. 如請求項7之方法，其中每一基準點具有一基準點順 序，每一檢測點具有一檢測點順序，每一權重具有一權重順序，該等檢測點順序及該等權重順序係分別相對於該等基準點順序，每一權重係根據該等檢測點之數量及相對之檢測點順序計算。
9. 如請求項8之方法，其中在步驟(e3)中，若該曲線偏離度小於該低臨界偏離度，判斷該伺服閥之狀態為正常狀態；若該曲線偏離度大於等於該低臨界偏離度且小於該高臨界偏離度，判斷該伺服閥之狀態為警戒狀態；若該曲線偏離度大於該高臨界偏離度，判斷該伺服閥之狀態為危險狀態。
10. 如請求項5之方法，其中步驟(e)包括以下步驟：(e1)根據該閥軸位移訊號計算一特徵曲線；(e2)計算該特徵曲線之複數個特徵參數，每一特徵參數具有一特徵參數順序；(e3)根據每一特徵參數定義相對之一低臨界值百分比、一高臨界值百分比及一理想特徵參數；及(e4)根據相對之特徵參數之值、理想特徵參數之值、低臨界值百分比及高臨界值百分比，判斷該伺服閥之狀態，其中每一理想特徵參數具有一理想特徵參數順序，該等特徵參數順序係分別相對於該等理想特徵參數順序。
11. 如請求項10之方法，其中在步驟(e4)中係根據相對之理想特徵參數之值及低臨界值百分比計算複數個低臨界值，且根據相對之理想特徵參數之值及高臨界值百分比 計算複數個高臨界值。
12. 如請求項11之方法，其中在步驟(e4)中，若一特徵參數之值小於相對之低臨界值，判斷該伺服閥之狀態為正常狀態；若一特徵參數之值大於等於相對之低臨界值且小於相對之高臨界值，判斷該伺服閥之狀態為警戒狀態；若一特徵參數之值大於等於相對之高臨界值，判斷該伺服閥之狀態為危險狀態。