一种设备状态监测装置

1.本实用新型涉及监测装置领域，尤其涉及一种设备状态监测装置，该装置用于在多个尺度(频率)上监控设备的运行状态，当被监控参数在某一尺度(频率)上超出允许范围的时候可以发出报警，提醒运行人员及时进行维护，避免设备故障进一步扩大，乃至威胁生产安全。


背景技术：

2.现代工业体系日益复杂，设备自动化程度以及集成度的提高使故障造成的经济损失巨大。实时评估设备的运行状态，采用状态监测替代传统的定检、巡检的方式，可以极大降低故障发生的几率，提高安全生产的可靠性与经济性，并降低设备的维护成本。
3.当前，大量设备还是采用传统的维护方式，主要包括定检和巡检。
4.1、定检，即定期检查。对设备按照一定的周期进行检测和维护，检测周期通常根据设备的磨损速度确定，例如：电梯属于典型的定检设备，其检测周期通常为1年左右。
5.2、巡检，即维护人员以班组为单位，每天依照轮班次序对设备进行检测，通过设备运行过程中发出的声音、震动等信号，判断设备的运行状态。
6.上述两种传统的检修、维护方式都不能保障设备实现按需检测的要求。对于定检，当检修周期过长的时候，就会出现设备已经发生了故障或者有了故障先兆，由于未到检修时间，维护人员未及时巡视或检修造成设备不坏不修的局面；而当检修周期过短的时候，会浪费维护人员大量精力与时间，造成效率低下。对于巡检由于更多的依赖维护人员的经验，因此人为因素的影响较大，容易发生漏判或者误判的情况。
7.此外，传统的对设备的监测主要依赖于单一频率的判断，但是往往设备先期出现故障先兆的时候，依靠单一频率的监测由于其数值较低被淹没于背景噪声中难以发现。


技术实现要素：

8.本实用新型提供了一种设备状态监测装置，本实用新型通过对设备运行参数在不同尺度上的监测，综合、实时判断设备的运行状态，在故障发生初期即可发现并产生报警，及时提醒维护人员进行维修并避免故障进一步扩大，详见下文描述：
9.一种设备状态监测装置，所述装置包括：供电模块、可调滤波器组模块、报警模块、及输入模块，
10.被监测信号从所述输入模块传输至所述可调滤波器组模块，所述可调滤波器组模块对被监测信号进行不同频率的滤波处理，并将处理结果发送至所述报警模块；
11.处理结果超过阈值时触发所述报警模块，所述供电模块用于提供电源；
12.所述可调滤波器组模块由尺度滤波器、多个小波滤波器以及阈值比较器组成。
13.在一种实施方式中，所述报警模块为mos管或三极管组成的驱动电路。所述输入模块以运算放大器为核心的电压跟随器组成。
14.其中，所述供电模块用于将24v直流电转换为12v、5v、3.3v直流电。
15.在一种实施方式中，所述运算放大器的型号为opa353ua、opa2137ea/250。所述三极管的型号为bc817-25、mmbt2907a-tp；所述mos管的型号为mem4n60a3g、ruh30120m-c。
16.本实用新型提供的技术方案的有益效果是：
17.1、该设备状态监测装置可以实时监测系统的运行状态，并根据设定值进行自动的监控和报警，即避免了人为因素的干扰以及检修周期过长或过短的影响，降低了系统维护成本；另外，本发明对设备数据进行多个尺度的监测，在不同尺度上监测信号是否正常，可以在一定程度上滤除噪声等影响，提高监测精度；
18.2、该设备磨损状态监测装置采用滤波器组，基于小波变换的基本原理进行设计，使用便捷，能够实现设备运行状态的实时监测，降低了设备的维护成本、提高了设备的维护效率，为进一步的预知维护提供了技术依据。
附图说明
19.图1为一种设备状态监测装置的结构示意图；
20.图2为电压输入情况下跟随器结构的示意图；
21.图3为电流输入情况下跟随器结构的示意图；
22.图4为尺度滤波器结构的示意图；
23.图5为小波滤波器结构的示意图；
24.图6为阈值比较器结构的示意图；
25.图7为滤波器组的结构示意图；
26.图8为报警子系统的结构示意图。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
28.实施例1
29.一种设备状态监测装置，参见图1，该装置主要包括：供电模块、可调滤波器组模块、报警模块、输入模块。被监测信号首先进入输入模块。输入模块的阻抗较大，可以起到隔离作用。然后被监测信号从输入模块进入可调滤波器组模块，该可调滤波器组模块对被监测信号进行不同频率的滤波处理，并将处理结果发送至报警模块，当送至报警模块的数据超过阈值的时候就会触发报警，以提醒维护人员进行维护。供电模块用于向系统的各模块提供充足的电源，保证系统正常运行。
30.供电模块：用于为其他模块的运行提供稳定可靠的电源，包括：24v、5v、3.3v等不同规格的电源。
31.可调滤波器组模块：由多个滤波器组成滤波器组，通过调节各个滤波器的电阻、电容大小，达到调整高通、低通滤波器滤波频率的目的。
32.报警模块：以mos管或三极管为核心组成的驱动电路，用于驱动外部的声、光报警器，发出声、光提醒，引起维护人员或现场工作人员的注意，以及时对设备进行维护。
33.输入模块：以运算放大器为核心的电压跟随器组成，旨在增大输入阻抗并对监测信号的阻抗进行匹配，保证输入信号的完整性。
34.综上所述，本实用新型实施例通过上述模块之间的相互配合，借助可调滤波器组模块对输入的信号进行滤波，并分解成不同频率的信号(即不同尺度的信号)，而后在不同频率(即尺度)上分别进行阈值的判断，当某些频率(尺度)上的信号超过阈值时，即说明设备存在故障，系统会进行报警，及时提醒维护人员进行维修并避免故障进一步扩大。
35.实施例2
36.下面结合图1-图8对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
37.一、供电模块
38.该状态监测装置的输入电压为直流24v，供电模块用于将24v直流电转换为12v、5v、3.3v直流电供可调滤波器组模块2等使用，根据所需的电流大小，可以选择ams1117-5.0，ams1117-3.3ldo电源芯片，亦可以选择dc-dc电源芯片进行电源的转换，例如lm2596sx-5.0等。
39.二、输入模块
40.输入模块采用运算放大器构成电压跟随器，例如：输入电流信号则增加采样电阻以进行电流-电压的转换，系统电路如图2、图3所示：
41.对于运算放大器可以选择opa353ua、opa2137ea/250等型号。对于采样电阻，可以选择200ω固定阻值的电阻，也可以选择3296w-1-102等型号的电阻。
42.三、可调滤波器组模块
43.可调滤波器组模块接收来自输入模块传递的电压，通过多个不同的滤波器组成滤波器组，依次筛选信号不同频率的特征，当某些特征超过阈值时，报警模块就会发出报警。
44.(1)尺度滤波器
45.尺度滤波器是一个高通滤波器，其主要作用是筛选出输入信号中的高频成分，通常这些成分是由各种噪声引起，需要将其滤除掉。尺度滤波器的结构如图4所示：
46.输入信号经过c1、r1的第一级滤波后进入运算放大器的同相输入端，而后一级运算放大器的输出连接两个滤波电容c2、c3，并与电阻r2、r3形成第二级滤波电路，并输入第二级运算放大器。第二级运算放大器的输出信号即为滤除高频干扰的信号。
47.通过调节c1、c2、c3、r1、r2、r3，可以获得不同的滤波频率，以取得合适的滤波效果。
48.对于运算放大器可以选择tlv2369等型号。对于电阻可以选择固定的阻值，例如0806封装的100～4.7kω的电阻，也可以选择3296w-1-102、3296w-1-102等型号的可调电阻。对于电容可以选择固定容值的电容，例如0806封装的100pf～10uf的电容，也可以选择tzy2z030ac01r00、tzb4z250ab10r00等型号的可调电容，本实用新型实施例对此不做限制。
49.(2)小波滤波器
50.根据小波变换尺度滤波器可以设计为低通滤波器，其主要作用是筛选出输入信号中的低频成分，通常这些成分是由磨损或者参数变化引起的，不同参数可以设计出不同截止频率的滤波器，并反映出不同的故障类型。尺度滤波器的结构如图5所示：
51.输入信号经过r4、c4形成的rc回路进行第一级滤波，并经过第一级运算放大器输出后，与r5、r6、c5、c6构成第二级低通滤波，并输入第二级运算放大器中，最终信号中的低频成分从第二级运算放大器的输出端输出，其他高频成分均被电路滤除。
52.通过调节c4、c5、c6、r4、r5、r6，可以获得不同的滤波频率，以取得合适的滤波效
果。
53.对于运算放大器可以选择tlv2369、lp2904等型号。对于电阻可以选择固定阻值，例如0806封装的100～4.7kω的电阻，也可以选择3296w-1-102、3296w-1-102等型号的可调电阻。对于电容可以选择固定容值的电容，例如0806封装的100pf～10uf的电容，也可以选择tzy2z030ac01r00、tzb4z250ab10r00等型号的可调电容，本实用新型实施例对此不做限制。
54.(3)阈值比较器
55.阈值滤波器接收小波滤波器的输出，并与设定的阈值进行比较，当小波滤波器的输出超过阈值设定值的时候，阈值比较器就会向报警模块输出报警信号，触发声光报警。阈值比较器的结构如图6所示。
56.小波滤波器的输出进入阈值比较器中的运算放大器的反相输入端。电源电压经过r7、r8的分压，输入运算放大器的同相输入端，在r8上的电压形成了报警阈值。当报警阈值电压与小波滤波器的输入电压相等，或者小于小波滤波器的输出电压时，运算放大器的输出端就会产生触发报警的信号。
57.通过调节r7、r8可以获得不同的报警触发阈值。
58.对于电阻r7、r8可以选择固定阻值的例如0806封装的100～4.7kω的电阻，也可以选择3296w-1-102、3296w-1-102等型号的可调电阻。
59.(4)滤波器组
60.为了实现设备的状态监测，需要将尺度滤波器、多个小波滤波器以及阈值比较器进行组合，以获得能够实现参数多尺度分析的滤波器组，并针对不同尺度的滤波器设置不同的报警阈值以实现报警功能，如图7所示。
61.四、报警模块
62.报警模块通过三极管，如图8所示或者mos管等，接收可调滤波器组模块阈值比较器的输出，将其进行电压或电流的放大以驱动外部声光报警器，发出声光报警信号。
63.mos管可以选择mem4n60a3g、ruh30120m-c等，或者选择三极管bc817-25、mmbt2907a-tp等型号。
64.五、工作原理
65.该状态监测装置的核心为可调多尺度滤波器组，滤波器组分为尺度滤波器和小波滤波器，其中尺度滤波器为高通滤波器，其滤波参数的选择应使高通滤波器的通过频率为采样频率的1/2，对于常见的过程控制系统可将其设置为100～200hz，以滤除高频噪声对后续分析的干扰与影响。
66.对于小波滤波器，其主要提取的是输入信号的低频部分，其往往蕴含了设备的运行特性，例如磨损情况等，其采用滤波器组的设计，每个后级滤波器的截止频率是前一级小波滤波器截止频率的1/2，对于常见的过程控制系统可将第一级小波滤波器的截止频率设定为0～100hz左右。
67.通常输入信号的低频段中往往包含设备劣化程度的信息，例如：对于旋转机械类，其轴承的磨损程度可以由第4～5级小波滤波器的输出大小代表，小波滤波器输入数值越大，代表其轴承磨损程度越高。因此设定相应阈值比较器的报警阈值电压，在轴承磨损达到一定程度的时候发出报警以提醒维护人员对设备进行维护。
68.以磨辊磨损程度的状态监测为例，说明设备磨损状态监测装置的设计与使用方法。
69.磨煤机是电厂重要的辅机，其运行状态直接关系锅炉带负荷能力及炉内燃烧的稳定性，实现磨煤机的预知维修对电厂安全、经济生产具有重要意义。磨辊是磨煤机的主要易磨损件，长期承受煤的摩擦磨损及高应力接触疲劳作用，某些严酷工况下寿命只有3至4个月。实现磨辊磨损程度的状态监测，是磨煤机预知维修的前提与难点。
70.通过机理分析与数据分析，磨煤机的电流能够反映出磨煤机磨辊的磨损程度。因此设备状态监测装置选用磨煤机电流作为输入信号。
71.1、输入模块的设计
72.通常磨煤机的磨电流在运行中其范围为0～60a，选择4～20ma输出的电流互感器检测磨煤机的磨电流。由于装置输入的是电流信号，因此选用图3所示的输入模块结构，调节器可调电阻的阻值为200ω，则输入子系统向滤波器组子系统的输出电压范围为0～4v。
73.2、滤波器组模块的设计
74.根据理论分析，滤波器组模块的各级滤波器的设计如表1所示：
75.表1滤波器组设计参数
[0076][0077][0078]
3、阈值比较器设计
[0079]
根据理论分析，当磨煤机的磨辊磨损至需要维护的程度时，其v级小波滤波器的输出电压应在0.8v。因此阈值比较器选择输入电压3.3v，r1电阻选择3.125k，r2电阻选择1kω。
[0080]
4、供电模块的设计
[0081]
电源子系统使用24v直流电源作为输入，并使用dc-dc芯片lm2596sx-5.0/nopb将24v直流电转换为5v直流电，使用lm1085isx-3.3v将5v直流电转换为3.3v直流电，并将二者作为电源供给至其他子系统使用。
[0082]
本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0083]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0084]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。