CN212779369U - 一种设备运行状态的模组化诊断***及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种设备运行状态的模组化诊断***及装置，属于设备状态监测技术领域，***包括顺次连接的数据采集单元、信号预处理单元、控制单元和报警单元，所述数据采集单元用于采集设备的转速、加速度、速度信号。本实用新型通过设备的加速度、速度、包络信号对设备的工作状态进行多方面的监测，监测全面且能够进一步保证诊断准确度，整个过程完全智能化，方便快捷，监测效率高。

Description

一种设备运行状态的模组化诊断***及装置

技术领域

本实用新型涉及设备状态监测技术领域，涉及一种设备运行状态的模组化诊断***，尤其涉及一种适用于旋转机械设备的设备运行状态的模组化诊断***及装置。

背景技术

世界上最早开发设备诊断技术的国家是美国。1967年在美国宇航局和海军研究所的倡导和组织下，成立了美国机械故障预防小组(MFPG)，随后美国的

(PCBPiezotronics，Inc.)、CTC(USAConnectionTechnologyCenter， Inc.)CO.,LTD，及后来居上的福禄克(FLUKE)均研发生产了众多设备诊断产品，代表产品型号Fluke802CN，Fluke810，此外，设备诊断技术在欧洲一些国家，比如瑞典的斯凯孚(SKF)和亚洲的日本也得到很大发展。

在国内，随着计算机技术及数字信号处理技术的迅速发展，设备振动监测与故障诊断技术被广泛应用于电力、石油化工、冶金等行业的大型、高速旋转机械中。目前这种技术已成为设备现代化管理和提高企业综合效益的技术基础。它之所以得到迅速发展，是由于传统的设备计划维修制度的缺陷造成了维修费用的巨大浪费。国内外经验表明，以振动监测与故障诊断技术为基础的设备预知维修能节省大量的维修费用，可以取得显著的经济效益，而且还能保证设备的安全运行，预防和减少恶性事故的发生，消除故障隐患，保障人身和设备安全，提高劳动生产率。国内的厂家如安徽容知，上海东太等。

从总体上分析，国内外的产品有两个特征，其一是在线监测***，以SKF 公司的IMX-S振动在线监测***，通过现场16通道或32通道振动数据采集，数据传输到远程，高级数据分析师通过时域和频域信号分析，得出诊断分析报告，但是缺点是过程复杂，设备价格高，依赖高技术诊断分析师；其二是简单的一体化振动变送器，这类产品是将振动传感器的信号通过信号调理转换为 4～20mA，用于单个测振点的振动强度烈度的检测，但是对于准确地判断设备状态与故障，还需要更多设备管理和维护经验的后续技术支持，对于复杂设备则无法全面反映设备状态。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中无法准确判断设备的工作状态的问题，提供一种设备运行状态的模组化诊断***及装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种设备运行状态的模组化诊断***，所述***包括顺次连接的数据采集单元、信号预处理单元、控制单元和报警单元，所述数据采集单元用于采集设备的转速、加速度、速度信号。本实用新型通过设备的加速度、速度、包络信号对设备的工作状态进行多方面的监测，监测全面且能够进一步保证诊断准确度，整个过程完全智能化，方便快捷，监测效率高。

作为一选项，所述信号预处理单元包括信号调理模块，所述信号调理模块包括数模转换子模块、用于生成第一频率的振动信号的第一信号调理子模块和用于生成第二频率的振动信号的第二信号调理子模块，所述第一信号调理子模块、第二信号调理子模块的输出端均与数模转换子模块连接。

作为一选项，所述第一信号调理子模块包括顺次连接的隔离电路、检波与隔离电路、第一滤波电路，所述第一滤波电路输出端与数模转换子模块连接；所述第二信号调理子模块包括顺次连接的第二滤波电路、第三滤波电路；所述第二滤波电路与所述检波与隔离电路输出端连接，所述第三滤波电路输出端与数模转换子模块连接。

作为一选项，所述数据采集单元具体包括振动信号采集模块、温度信号采集模块和转速信号采集模块，所述振动信号采集模块用于采集设备的加速度、速度信号。

作为一选项，所述信号预处理单元还包括变送器单元，变送器单元包括若干变送器，各变送器分别与数据采集单元中各个信号采集模块输出端对应连接，且振动信号采集模块输出端与至少两个变送器连接。

作为一选项，所述信号预处理单元还包括采样模块和采样处理模块，所述采样模块与所述转速信号采集模块输出端连接，所述采样模块、采样处理模块均与控制单元输入端连接。

作为一选项，所述控制单元具体为单片机或PLC控制器。

作为一选项，***还包括通信单元，所述通信单元与控制单元双向连接。

作为一选项，所述***还包括人机交互单元，所述人机交互单元与控制单元输出端连接。

本实用新型还包括一种装置，所述装置包括上述的设备运行状态的模组化诊断***和外部***，所述外部***包括第一通信单元，第一通信单元与所述设备运行状态的模组化诊断***中的通信单元双向连接，实现设备运行状态的模组化诊断***与外部***的双向通信。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

(1)本实用新型通过设备的加速度、速度、包络信号对设备的工作状态进行多方面的监测，监测全面且能够进一步保证诊断准确度，整个过程完全智能化，方便快捷，监测效率高。

(2)本实用新型的信号调理模块包括用于生成第一频率的振动信号的第一信号调理子模块和用于生成第二频率的振动信号的第二信号调理子模块，和数模转换模块，同时将两路不同频率信号经数模转换模块输入控制单元，提高了工作效率，保证了诊断的准确度。

(3)本实用新型的信号调理子模块对振动信号进行进一步隔离、检波等处理，进一步抑制了杂波，保证了数据传输的准确性。

(4)本实用新型的数据采集单元包括振动信号采集模块、温度信号采集模块和转速信号采集模块，用于进一步采集振动信号(速度、加速度信号)、温度信号和设备的转速信号，温度信号的采集能够进一步排除环境对设备带来的干扰，保证了诊断的准确性。

(5)本实用新型还包括变送器单元，各个信号采集器与变送器连接，能够进一步对数据采集单元采集的模拟信号进行隔离及变换处理，防止各个信号之间的干扰；振动信号采集模块输出端与至少两个变送器连接，将设备的加速度、速度、包络信号进行隔离，实现了多信号的模组化配置。

(6)本实用新型的数据处理单元还包括采样模块和采样处理模块，采样模块用于对转速信号进行采样处理，采样处理模块用于对温度信号、包络信号进行隔离处理。

(7)本实用新型的控制单元具体为单片机或控制器，数据处理能力强，且价格低，能够进一步降低***的成本，利于***的推广应用。

(8)本实用新型***还包括通信单元，经所述通信单元实现与外部终端、***实现数据分享。

(9)本实用新型***还包括人机交互单元，人机交互单元用于显示各设备的实时工作状态，便于工作人员及时查看并处理设备出现的各类型故障。

(10)本实用新型还包括一种装置，该装置包括设备运行状态的模组化诊断***和外部***，该外部***用于与设备运行状态的模组化诊断***进行通信，利于远程控制，实现了数据的共享与存储。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型实施例1的***框图；

图2为本实用新型实施例1的信号调理模块的部分电路示意图；

图3为本实用新型实施例1的数模转换模块电路示意图；

图4为本实用新型实施例1的采样模块的电路示意图；

图5为本实用新型实施例1的采样处理模块的电路示意图；

图6a为本实用新型实施例1的控制单元中单片机的部分电路示意图；

图6b为本实用新型实施例1的控制单元中单片机的部分电路示意图；

图6c为本实用新型实施例1的控制单元中单片机的部分电路示意图；

图7为本实用新型实施例1的通信单元的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

在实施例1中，提供了一种设备运行状态的模组化诊断***，用于解决现有设备诊断***无法准确判断设备的工作状态(故障类型)的问题。如图1所示，***具体包括顺次连接的数据采集单元、信号预处理单元、控制单元和报警单元；其中，数据采集单元，用于采集设备的转速、加速度、速度信号；信号预处理单元，用于将接收到的转速、加速度、速度信号进行预处理；控制单元，用于将预处理后的速度、加速度信号进行处理得到设备的包络信号，再根据所述设备的转速信号、加速度信号、速度信号和包络信号判断设备的实时工作状态；报警单元，用于响应控制单元的指令，在控制单元判断设备处在不同类型故障状态时，作出对应报警动作。本实用新型数据采集单元将采集到的转速、加速度、速度信号经信号预处理单元传输至控制单元，控制单元对设备的速度、加速度信号进一步处理得到设备的包络信号，并根据该转速信号、加速度信号、速度信号和包络信号对设备的工作状态进行诊断，若判断设备处于故障状态，报警单元根据不同的故障类型及时向工作人员作出不同的报警动作。本实用新型通过设备的加速度、速度、包络信号对设备的工作状态进行多方面的监测，监测全面且能够进一步保证诊断准确度，整个过程完全智能化，方便快捷，监测效率高。需要进一步说明的是，控制单元对设备的速度、加速度信号进一步处理得到设备的包络信号属于本领域技术人员惯用的技术手段，如将设备的速度、加速度信号进行傅里叶变换得到对应的频谱，该频谱进一步反应该加速度或速度的包络信号，不属于本实用新型的保护范围。同样地，控制单元根据该转速信号、加速度信号、速度信号和包络信号对设备的工作状态进行诊断即通过将采集的实时速度信号、加速度信号、转速信号与预存对应类型信号的阈值进行比较，也属于本领域技术人员的惯用技术手段，不属于本实用新型的保护范围。

需要进一步说明的是，故障类型包括但不限于轴承故障、齿轮故障、叶片故障、转子不平衡故障、转子不对称故障等。控制单元根据诊断出的不同故障类型控制报警单元以不同报警动作进行报警，例如轴承故障对应蜂鸣器长鸣，齿轮报警对应蜂鸣器间歇性发声等，或者通过扬声器直接播报当前的处于故障的设备及对应的故障类型，更为直观的提示工作人员进行处理。更进一步地，控制单元将接收到的加速度、速度信号进行快速傅里叶变换，即可获得对应的包络信号，该包络信号能够更加直观的反映信号的幅值变化，利于判断设备当前的故障类型。

进一步地，信号预处理单元包括信号调理模块，信号调理模块包括数模转换子模块、用于生成第一频率的振动信号的第一信号调理子模块和用于生成第二频率的振动信号的第二信号调理子模块，第一信号调理子模块、第二信号调理子模块的输出端均与数模转换子模块连接，用于同时将两路不同频率信号经数模转换模块输入控制单元，提高了工作效率，保证了诊断的准确度。作为一优选实施例，第一信号调理子模块用于生成一10K振动信号，第二信号调理子模块用于生成一1K振动信号。

更进一步地，如图2所示，第一信号调理子模块包括顺次连接的基于芯片 TS321芯片的隔离电路、基于电容C₄和运放芯片OP2A的检波与隔离电路、基于运放芯片OP2B的第一滤波电路，第一滤波电路输出端与数模转换子模块连接；第二信号调理子模块包括顺次连接的基于运放芯片OP2D的第二滤波电路、基于运放芯片OP2C的第三滤波电路；第二滤波电路与检波与隔离电路输出端连接，第三滤波电路输出端与数模转换子模块连接。本实用新型的信号调理子模块对振动信号进行进一步隔离、检波等处理，进一步抑制了杂波，保证了数据传输的准确性。需要进一步说明的是，信号调理模块还包括用于检测与判断振动信号直流信号的第三调理子模块，用于对振动信号进行缓冲处理的第四调理子模块。运放芯片OP2具体为TL064或MC34074或TLC2274集成芯片。

进一步地，如图3所示，本实用新型的数模转换模块具体采用的是AD采样芯片MCP3911，是一款2.7V至3.6V的双通道模拟前端，包含两个同步采样Δ-Σ模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)、两个PGA、一个相位延时补偿模块、一个低漂移内部参考电压、一个调制器输出模块、数字失调和增益误差校准寄存器以及一个高速20MHzSPI兼容串行接口。AD采样芯片 MCP3911的引脚4、引脚7分别引入10K振动信号(VIB_OUT_10K)、1K振动信号(BOV_OUT_1K2_LP)，对其进行数模转换处理并传输至控制单元。

进一步地，数据采集单元具体包括振动信号采集模块、温度信号采集模块和转速信号采集模块，用于进一步采集设备的振动信号(加速度、速度信号)、环境温度信号和设备的转速信号，温度信号的采集能够进一步排除环境对设备带来的干扰。上述振动信号采集模块、温度信号采集模块可以采用集温度检测与振动信号检测于一体的传感器，也可以采用单独的振动信号传感器和温度传感器。作为一选项，本实用新型温度信号、振动信号的采集采用的是江苏联能振动加速度温度传感器CA-YD-170或CTC加速度传感器TA102-1A，以输出设备的加速度、速度和温度信号；更为具体地，控制单元根据设备的振动信号可进一步获取设备的位移信号，能够更加精准地实现对设备工作状态的监控；转速信号采集模块具体为的德宝罗的霍尔齿轮转速传感器和/或其他霍尔转速传感器，均是现有传感器，其与信号调理单元连接方式是本领域技术人员的公知常识，本实用新型不再进一步赘述。

进一步地，信号预处理单元还包括变送器单元，本实施例中，变送器单元包括4个变送器，各变送器分别与数据采集单元中各个信号采集模块(传感器) 输出端对应连接，且振动信号采集模块(振动传感器)输出端与2个变送器连接，能够进一步对数据采集单元采集的模拟信号进行隔离及变换处理，隔离处理能够防止各个信号之间的干扰，变换处理即将数据采集单元中各传感器采集的信号进行4～20mA变换；振动信号采集模块输出端与至少两个变送器连接，是用于将设备的加速度、速度信号进行隔离，实现了多信号的模组化配置。更进一步地，当本实用新型***需要进一步采集新的参数时，可进一步配置对应的变送器，扩展性强。

进一步地，信号预处理单元还包括采样模块和采样处理模块，采样模块与转速信号采集模块输出端连接，采样模块、采样处理模块均与控制单元输入端连接。如图4所示，转速采样模块经集成芯片TS341的引脚3引入转速传感器器采集的转速信号ZS-IN进行采样处理，并经集成芯片TS341的引脚1、4输出采样处理后的信号传输至控制单元。如图5所示，采样处理模块具体采用的是运放芯片OPA348，运放芯片OPA348从其引脚3将温度信号TEMPXTRNEXT、包络信号ENVXTRNEXT进行隔离处理，进一步经其引脚1传输至控制单元，完成信号的采样处理。

进一步地，控制单元包括单片机、与单片机双向连接的工控机，单片机与信号调理单元输出端连接。单片机将数据采集单元采集的实时数据(振动信号、温度信号、转速信号)传输至工控机，工控机对该实时数据进行分析，并发出相应的控制信号并回传至单片机，单片机进一步控制单元以实现精准的设备故障类型分析。需要进一步说明的是，如图6a-6c所示，单片机具体为单片机 STM32F405RG，Cortex^TM-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，集成了单周期DSP指令和FPU(floating point unit，浮点单元)，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。

进一步地，***还包括通信单元，通信单元与控制单元双向连接。如图7 所示，通信单元具体采用的隔离式全双工通信芯片ADM2587E，其数据通信引脚4、引脚7与单片机STM32F405RG的引脚30、引脚29连接，以此实现本实用新型***与外部终端、***的数据分享。

进一步地，***还包括人机交互单元，人机交互单元与控制单元输出端连接，便于工作人员的现场对旋转机械设备的工作状态进行查看与控制。人机交互单元具体为HMI人机显示屏，采用上海繁易生产的HM607S，作为用户设备信息显示，设备信息算法信息录入，配繁易公司的FLINK物联模块。

进一步地，***还包括用户终端与云端，经通信单元与本实用新型***实现双向连接。需要进一步说明的是，用户终端包括手机、Pad、工控机、集成PLC 的控制装置等，工控机上可进一步集成本实用新型***，多个工控机之间还可实现数据(旋转机械设备的运行状态数据)的交互与共享，实现了旋转机械设备的远程监控。

进一步地，***还包括电源单元，该电源单元输出18V、5V、3.3V直流电压为***各单元提供工作电压，保证***的正常运行。需要进一步说明的，人机交互单元HMI、用户终端均集成有电源电路；报警单元可通过本***电源单元实现供电，也可通过外部电源实现电源单元的供电。

本实用新型数据采集单元将采集到的转速、加速度、速度信号经信号预处理单元传输至控制单元，控制单元对设备的速度、加速度信号进一步处理得到设备的包络信号，并根据该转速信号、加速度信号、速度信号和包络信号对设备的工作状态进行诊断，若判断设备处于故障状态，报警单元根据不同的故障类型及时向工作人员作出不同的报警动作。本实用新型通过设备的加速度、速度、包络信号对设备的工作状态进行多方面的监测，监测全面且能够进一步保证诊断准确度，整个过程完全智能化，方便快捷，监测效率高。

实施例2

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例的基础上提供了一种装置，该装置包括如实施例1设备运行状态的模组化诊断***和外部***，外部***包括第一通信单元，第一通信单元与设备运行状态的模组化诊断***中的通信单元双向连接，实现设备运行状态的模组化诊断***与外部***的双向通信，利于远程控制，实现了数据的共享与存储。作为一选项，该装置具体为终端终端，如手机、IPAD、功控机、PC机等。

以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述***包括顺次连接的数据采集单元、信号预处理单元、控制单元和报警单元，所述数据采集单元用于采集设备的转速、加速度、速度信号；所述信号预处理单元包括信号调理模块，所述信号调理模块包括数模转换子模块、用于生成第一频率的振动信号的第一信号调理子模块和用于生成第二频率的振动信号的第二信号调理子模块，所述第一信号调理子模块、第二信号调理子模块的输出端均与数模转换子模块连接。

2.根据权利要求1所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述第一信号调理子模块包括顺次连接的隔离电路、检波与隔离电路、第一滤波电路，所述第一滤波电路输出端与数模转换子模块连接；

所述第二信号调理子模块包括顺次连接的第二滤波电路、第三滤波电路；所述第二滤波电路与所述检波与隔离电路输出端连接，所述第三滤波电路输出端与数模转换子模块连接。

3.根据权利要求1所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述数据采集单元具体包括振动信号采集模块、温度信号采集模块和转速信号采集模块，所述振动信号采集模块用于采集设备的加速度、速度信号。

4.根据权利要求3所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述信号预处理单元还包括变送器单元，变送器单元包括若干变送器，各变送器分别与数据采集单元中各个信号采集模块输出端对应连接，且振动信号采集模块输出端与至少两个变送器连接。

5.根据权利要求3所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述信号预处理单元还包括采样模块和采样处理模块，所述采样模块与所述转速信号采集模块输出端连接，所述采样模块、采样处理模块均与控制单元输入端连接。

6.根据权利要求1所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述控制单元具体为单片机或PLC控制器。

7.根据权利要求1所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：***还包括通信单元，所述通信单元与控制单元双向连接。

8.根据权利要求1所述的设备运行状态的模组化诊断***，其特征在于：所述***还包括人机交互单元，所述人机交互单元与控制单元输出端连接。

9.一种设备运行状态的模组化诊断装置，其特征在于：所述装置包括权利要求1-8中任意一项所述的设备运行状态的模组化诊断***和外部***，所述外部***包括第一通信单元，第一通信单元与所述设备运行状态的模组化诊断***中的通信单元双向连接，实现设备运行状态的模组化诊断***与外部***的双向通信。

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