一种基于微分算法的编码器故障诊断系统及方法与流程

本发明属于机械设备故障诊断技术领域，具体涉及一种基于微分算法的编码器故障诊断系统及方法。

背景技术：

随着工业机械化的快速发展，机械设备的功率、效率也不断提高，设备工作状态也变得复杂多变，给故障诊断造成很多困难。当无缝钢管生产线中关键设备限动齿条、横移小车等重载高速直线运行设备的位置检测编码器出现故障时，通过常规方式是很难准确诊断出其故障。日前，很多无缝管厂了解到大部分企业对此问题几乎没有诊断办法，保护措施基本依靠人为点检与机械缓冲保护等方式。由于此类重载设备的大惯量，高速度特性，无论是漏判还是延迟判断，造成编码器震动、断轴等问题，都可能对设备造成极大的损伤，生产线出现重大事故，导致停产等不良后果，最终会有较大的经济损失。针对此类问题，通过走访鞍山、天津以及山东地区的大小型无缝钢管厂了解到，几乎每家都存在此问题造成过设备损坏，停机时间最长可达数月，严重影响厂家产量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种稳定性和适用性高，故障诊断精度高，能够快速诊断出编码器震动，断轴等现场问题，可以避免生产线出现重大事故的基于微分算法的编码器故障诊断系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种基于微分算法的编码器故障诊断系统，其特征在于，包括与一个以上速度编码器和一个以上位置编码器连接的编码器信号采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ，与采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ连接的微分模块，与微分模块连接的信号处理转换模块，与信号处理转换模块连接的系统逻辑模块，分别与系统逻辑模块连接的数据输出模块、故障判断模块和外接辅助信号；所述数据输出模块将逻辑模块输出的运行数据通过通讯方式输出至人机界面进行显示或送至生产自动化系统进行存储。

所述的编码器信号采集模块ⅰ采集安装在设备驱动电机侧的速度编码器信号，对设备速度进行检测；

所述的编码器信号采集模块ⅱ采集安装在减速机侧的位置编码器信号，对设备位置进行检测；

所述的微分模块用于将编码器信号采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ采集到的设备速度信号及设备位置信号，在时间上进行一次、二次微分计算，一次微分计算得出设备位置信号的变化率即转速，二次微分计算得出转速的加速度；

所述的信号处理转换模块用于对系统接收的所有信号进行量纲转化，滤波处理，并将单个采样周期内数值明显偏离的错误采样的编码器溢出、信号干扰产生的数据进行抛离；

所述的外接辅助信号包括加速度信号和接近开关信号；

所述的逻辑模块与外接辅助信号联动，采用对比方法工作，通过对多个微分模块输出的转速信号间的对比得出编码器接的同步状态；单个微分模块输出的加速度信号与外接辅助信号中的加速度信号对比得出震动状态；单个微分模块输出的速度信号与外接辅助信号的接近开关信号对比得出生命状态；

所述故障判断模块通过分析逻辑模块输出的编码器状态确认编码器故障类型，并根据故障类型与预设好的停机逻辑得出故障诊断信息，送至产线自动化系统指导其进行故障停机并报警。

发明的一种基于微分算法的编码器故障诊断方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：数据采集

在设备减速机侧安装位置编码器，对设备位置进行检测，得到设备运行时的实时位置信号，在设备驱动电机侧安装速度编码器，得到设备运行时的实时转速信号，并将编码器的位置信号和转速信号由采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ转换为数据信号；

步骤二：数据微分

故障诊断系统的微分模块将由采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ采集到的数据信号，在时间上进行一次与二次微分计算，通过离散后的一次微分方程，得出设备位置的变化率即转速；再通过离散后的二次微分方程，得出转速的加速度，并将这些信号传送给故障诊断系统的信号处理转换模块进行处理；

步骤三：数据转换

故障诊断系统的信号处理转换模块对微分模块计算的数据采用低通滤波及冒泡运算处理点编码器纹波及溢出偏移信号，并对信号的量纲进行转化，将处理过的数据输出至逻辑模块;

步骤四：故障诊断

系统逻辑模块，采用对比方法得出编码器接的同步状态、震动状态和生命状态，

将多个微分模块输出的一次微分信号间差值是否超过500ms内是否超过0.5至0.75rpm/ms，1500ms内是否超过50rpm/s，匀速运行时是否超过30rpm/min，得出编码器之间的同步状态；

将单个微分模块输出的二次微分信号与外接辅助信号中的加速度信号进行对比，得出震动状态；

将单个微分模块输出信号的连续性与外接辅助信号的接近开关信号的对比得出生命状态；

步骤五：停机策略与信号传输

通过数据输出模块将系统逻辑模块输出的数据转化并输送至人机界面进行显示或l2自动化进行数据采集记录；

通过故障判断模块，参考预先设定的停机方式，输出给生产线自动化系统，指导其进行停机。

本发明所述的离散后的一次微分方程如下式所示：

o=(i(t)-i(t-1))/deltat

所述的离散后的二次微分方程如下式所示：

o2=(o(t)-o(t-1))/deltat

式中o：一次微分方程输出；o2：二次微分方程输出；i:位置编

码器采集信号；t：时间值；deltat：微分时间。

所述的预先设定的停机方式为重故障直接停机，中故障减速生产，轻故障报警提示。

本发明具有以下突出的有益效果：

本发明的基于微分算法的编码器故障诊断方法，通过微分算法以及对比方法，能够快速诊断出编码器震动，断轴等现场问题，且故障诊断精度高，可以避免生产线出现大型现场事故，节约现场维护成本，此故障诊断系统也能够通过系统模型之间对比进行多编码器控制，当其中一个编码器出现问题后，可以实现编码器在线切换。

本发明的故障诊断系统稳定性和适用性均有大大提高，各指标和性能均达到系统设计最初要求，运行效果良好。

附图说明

图1为双电机控制的限动齿条的编码器故障诊断系统示意图。

图2为基于微分算法的编码器故障诊断系统框图。

图3为本发明应用于无缝钢管生产线中顶杆小车编码器故障诊断系统的示意。

图4为编码器反馈微分波形图。

图5为1#位置编码器同步性检测波形图。

图6为2#位置编码器同步性检测波形图。

图7为位置编编码器同步性异常图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明:

如图1-2所示，本发明的一种基于微分算法的编码器故障诊断系统，其特征在于，包括与一个以上速度编码器和一个以上位置编码器连接的编码器信号采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ，与采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ连接的微分模块，与微分模块连接的信号处理转换模块，与信号处理转换模块连接的系统逻辑模块，分别与系统逻辑模块连接的数据输出模块、故障判断模块和外接辅助信号，所述数据输出模块将逻辑模块输出的运行数据通过通讯方式输出至人机界面进行显示或送至生产自动化系统进行存储。

所述的编码器信号采集模块ⅰ用于采集安装在设备驱动电机侧的速度编码器信号，对设备速度进行检测。

所述的编码器信号采集模块ⅱ用于采集安装在减速机侧的位置编码器信号，对设备位置进行检测。

所述的微分模块用于将编码器信号采集模块ⅰ和编码器信号采集模块ⅱ采集到的设备速度信号及设备位置信号，在时间上进行一次、二次微分计算，一次微分计算得出设备位置信号的变化率即转速，二次微分计算得出转速的加速度。

所述的信号处理转换模块用于对系统接收的所有信号进行量纲转化，滤波处理，并通过编码器溢出判断模块将单个采样周期内数值明显偏离的错误采样的编码器溢出、信号干扰产生的数据进行抛离。

所述的外接辅助信号包括加速度信号和接近开关信号。

所述的逻辑模块与外接辅助信号联动，采用对比方法工作，通过对多个微分模块输出的转速信号间的对比得出编码器接的同步状态；单个微分模块输出的加速度信号与外接辅助信号中的加速度信号对比得出震动状态；单个微分模块输出的速度信号与外接辅助信号的接近开关信号对比得出生命状态。

所述数据输出模块将逻辑模块输出的运行数据通过通讯方式输出至人机界面进行显示或送至生产自动化系统进行存储。

所述故障判断模块通过分析逻辑模块输出的编码器状态确认编码器故障类型，并根据故障类型与预设好的停机逻辑得出故障诊断信息，送至产线自动化系统指导其进行故障停机并报警。

作为实施例，如图3所示，本发明应用于无缝钢管生产线中，由双电机控制的限动齿条，在生产过程中，顶杆小车6负责运送穿孔顶杆8和毛管，其运行速度一般在4m/s以上。顶杆小车驱动系统由电机1、减速箱2及卷筒4组成，卷筒4与顶杆小车6由钢绳连接，本实施例是在顶杆小车6的减速箱2上安装两个位置编码器，即位置编码器ⅰ和位置编码器ⅱ，由于电机采用双电机，在电机ⅰ和电机ⅱ上分别设有速度编码器ⅰ和速度编码器ⅱ，并设置两套编码器故障诊断系统，其位置编码器ⅰ及速度编码器ⅰ与1#编码器故障诊断系统相连接，位置编码器ⅱ及速度编码器ⅱ与2#编码器故障诊断系统相连接，这种情况下可以对两个位置编码器的反馈进行主从关系设置，当主编码器诊断出故障后，系统自动切换主从编码器，并对主编码器进行报警处理，已确保运行的流畅性，减少故障停机次数。

图3中位置编码器3输出信号为设备运行的绝对位置，即顶杆小车6的基准位置5，将此信号在时间上进行一次微分计算得出位置的变化率即转速，若再对转速进行再次微分可得出转速的加速度，当系统匀速运行，转速的加速度可以被认为是系统直线运动设备的震动幅度。

图4所示位置编码器输出信号为设备运行的绝对位置，将此信号在时间上进行微分计算得出位置的变化率即转速。若再对转速进行再次微分可得出转速的加速度，当系统匀速运行，转速的加速度可以被认为是系统直线运动设备的震动幅度。

本发明通过分别对一次微分波形值以及二次微分波形值进行逻辑分析，系统逻辑模块，采用对比方法得出编码器接的同步状态、震动状态和生命状态。

一次微分波形值分析及应用

通过对编码器一次微分波形值与给定波形值之间的对比，或多个编码器一次微分波形值之间的对比，就可以得出编码器之间的同步状态与生命状态。不论是编码器断轴导致同步性下降还是编码器损坏导致生命状态消失，都会直接引起位置系统出现偏差，可能造成设备相撞的事故。图中7为顶杆小车校准位，9为轧钢位，10为编码器故障诊断系统，11为生产线自动化系统，12为速度编码器。

图5-图7是双编码器之间对比为例。从图中可以看出两根曲线分别代表不同两个位置编码器的一次微分输出值，1#编码器同步性检测波形中，两个位置编码器相互之间的跟随性较好，两个曲线几乎完全重合；2#编码器的微分输出值略微滞后于1#编码器，可见2#同步性检测波形统中，双编码器之间的同步性略差。

只有当同步性差值超过门槛值时，编码器存在同步性差问题或生命型号问题，系统给予报警输出。

二次微分波形分析

对采用编码器的设备较大的振动幅度既是导致其编码器损坏的主要原因，又是导致编码器断轴的重要因素。

通过对二次微分波形进行分析，可以得出每采样周期的编码器振动值，对此振动值进行逻辑判断，当其超出预设门槛值时，系统进行报警。

对于二次微分波形来说，门槛值与采样周期的标定也是系统精度的一个影响因素。其中门槛值的标定需要根据机械的实际情况确定，推荐首次安装完编码器时对其同心度进行测量，编码器震动小于3μm时进行门槛值标定。同样系统采样周期的标定也需要根据现场实际情况来确定，根据相容性采样定理，建议二次微分的采样周期应是一次微分采样周期的2到3倍。

系统逻辑模块是对编码器一次微分波形值与给定速度之间的对比，或多个编码器一次微分波形值之间的对比，并通过限位开关对位置进行校验，得出各编码器之间的同步状态与生命状态，并事先设定的停机方式，所述的预先设定的停机方式为重故障直接停，中故障减速生产，轻故障报警提示。将最终的故障判断结果通过数据输出模块输出，通过生产线自动化系统的停机逻辑对是否停机以及停机方式进行最终处理。