数字式电机超速保护装置及方法与流程

本发明涉及一种数字式电机超速保护装置，尤其适合应用于环境恶劣，安装空间小的冶金起重设备电机超速保护领域。

背景技术：
超速开关是起重机必备的安全部件，也是起重机设计标准中明文规定必须设置的保护部件。其可靠性直接关系到整个起重机的安全性。目前在国内起重机中主要采用机械式超速开关。机械式超速开关其制造工艺复杂，制造精度要求很高，超速阀值固定，不可调节；并且由于弹性材料的要求非常高，不易制作，导致机械式超速开关的离散型很高，寿命也不长；随着时间的延长，动作阀值也在变动，导致其超速保护的灵活性和可靠性在逐渐降低。由于其工作原理是利用高速产生的离心力来触发开关动作，因此对于低速设备也是无法提供低速保护的。因而就需要选用电子式或者数字式超速开关，其可以在现场自由设置超速阀值，且精度高、寿命长、可靠性高。但是目前国内此类产品还存在一定欠缺：专利号(应为公告号)为CN201220151116.1所提出的一种用于起重机的电子式超速开关其必须配备速度检测编码器，这就对电机的机械轴提出了较高的要求，必须具备高速轴出头，而那些不具备高速轴出头的电机则无法进行安装；同时编码器本身成本也高，相应就增加了超速开关的整体成本。专利号为CN201374614Y所提出的用于交流异步电机超速保护装置，同样对于安装条件要求较高，电机必须有高速轴出头；同时该超速保护控制装置未留有通讯接口，在未来数据信息化过程中其扩展性将受到限制，且其超速阀值固定，现场调试无法更改。因此，需要一款安装要求简便多样，且能在高温高粉尘等恶劣环境下准确运行，能与未来起重机信息化通讯的现代化数字式超速保护控制装置来填补国内的空白。

技术实现要素：
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种数字式电机超速保护装置。为了实现上述目的，本发明的技术方案：数字式电机超速保护装置，包括速度检测模块以及控制单元，其特征在于：所述速度检测模块用于实时采集电机速度脉冲信号，且在同一时刻内所述电机速度脉冲信号至少采集两个；所述控制单元包括：用于将所述速度检测模块检测到的各个电机速度脉冲信号转换成各自相应的脉冲参数后得到各自对应的电机实时速度的脉冲检测模块；用于按照电机实际运行情况，将获得的电机实时速度与内部预设的超限保护阈值表进行比对，通过逻辑运算判定电机运行状态是否正常的中央处理单元以及用于当中央处理单元判定电机超速时，通过故障继电器输出故障信号进行相应的故障报警的逻辑输出模块。所述速度检测模块包括用于实现电机运行时带动其进行同步旋转的齿盘部件；若干均匀设置于所述齿盘部件上的齿盘金属片；相对固设于所述齿盘部件两侧，用于安装速度检测器件的安装支架；分别设置于安装支架上，用于与齿盘金属片配合，实时检测电机运行转速信号的速度检测器件以及两侧下端分别固定于两个传感器安装支架上端，用于将齿盘部件罩覆在内的防护罩。为了因对不同电机结构的安装条件，若现场电机没有旋转轴，则所述齿盘部件为两个可以组成一个圆环结构齿盘，该齿盘对扣在电机浮动轴上并固定，使得电机运行带动齿盘同步进行旋转；若现场电机具备旋转轴，则所述齿盘部件包括圆环形齿盘以及一端与电机旋转轴连接，另一端连接圆环形齿盘的连接轴，同样使得电机运行带动齿盘同步进行旋转。所述的速度检测器件为传感器，用于与齿盘金属片配合产生脉冲信号，实时检测电机运行转速信号同时所述的传感器分别对称设置于上述齿盘部件的两个侧面，且安装在上述安装支架垂直于齿盘部件的轴线位置处。进一步的，所述的传感器与齿盘部件之间具有一定的距离，最佳距离为10mm。进一步的，所述脉冲检测模块，其通过信号连接线与速度检测模块相连，通过脉冲数量计数与周期计算进而获得电机的实时速度信息。进一步的，所述中央处理单元包括：与制动器三相电源的两相连接，实时检测制动器得电开启状态，并将状态信息反馈至比较判定模块的制动器状态监控模块；将速度检测模块检测的信号进行比较处理，获得电机速度最大值A11以及最小值A22后，结合内部预设的超限保护阈值表进行比对判定电机运行状态是否正常的比较判定模块。所述的超限保护阈值表包括电机超速保护阈值A电机超速、传感器故障保护阈值A传感器故障以及对应制动器开启状态的电机故障保护阈值A电机故障；其中所述电机超速保护阈值A电机超速为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最大值A11进行比较；所述传感器故障保护阈值传感器故障为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最大值A11、最小值A22之间的差值进行比较；所述对应制动器开启状态的电机故障保护阈值包括制动器未开启，但电机已有速度故障保护阈值A电机故障1以及制动器已开启，但电机未有速度故障保护阈值A电机故障2，A电机故障1为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最大值A11进行比较，A电机故障2为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最小值A22进行比较。所述的中央控制单元还包括电机模式选择模块，所述电机模式选择模块包括三种可选模式分别是双电机同步运行模式、双电机可不同步运行模式、单电机运行模式，上述三种模式可通过按键进行电机超速保护模式的选择设置；其中每一种模式中涉及的电机都对应一套独立的包括速度检测模块、脉冲检测模块、中央处理单元以及逻辑输出模块的超限保护报警装置。进一步的，所述控制单元还包括按键开关模块，用于实现中央处理单元的工作模式、超限阈值参数及电机超速模拟测试的设定操作；所述按键开关模块包含复位按钮、测试按钮、参数设定按钮以及按键输入保护、电压转换及电平滤波电路共同组成，来自复位按钮、测试按钮、参数设定按钮的按键信号通过与中央处理单元的I/O接口连接的按键输入保护、电压转换及电平滤波电路转换成相应的按键参数后，中央处理单元扫描并根据按键参数值执行相应的按键动作。本发明还提供一种数字式电机超速保护方法，其特征在于：包括实时采集电机速度脉冲信号，且在同一时刻内所述电机速度脉冲信号至少采集两个；将检测到的各个电机速度脉冲信号转换成各自相应的脉冲参数后得到各自对应的电机实时速度信号；按照电机实际运行情况，将获得的电机实时速度与内部预设的超限保护阈值表进行比对，通过逻辑运算判定电机运行状态是否正常；以及在判定电机超速时，通过故障继电器输出故障信号进行相应的故障报警。所述实时采集电机速度脉冲信号通过速度检测模块实现，该速度检测模块包括用于实现电机运行时带动其进行同步旋转的齿盘部件；若干均匀设置于所述齿盘部件上的齿盘金属片；相对固设于所述齿盘部件两侧，用于安装速度检测器件的安装支架；分别设置于安装支架上，用于与齿盘金属片配合，实时检测电机运行转速信号的速度检测器件以及两侧下端分别固定于两个传感器安装支架上端，用于将齿盘部件罩覆在内的防护罩。为了因对不同电机结构的安装条件，若现场电机没有旋转轴，则所述齿盘部件为两个可以组成一个圆环结构齿盘，该齿盘对扣在电机浮动轴上并固定，使得电机运行带动齿盘同步进行旋转；若现场电机具备旋转轴，则所述齿盘部件包括圆环形齿盘以及一端与电机旋转轴连接，另一端连接圆环形齿盘的连接轴，同样使得电机运行带动齿盘同步进行旋转。所述的速度检测器件为传感器，用于与齿盘金属片配合产生脉冲信号，实时检测电机运行转速信号同时所述的传感器分别对称设置于上述齿盘部件的两个侧面，且安装在上述安装支架垂直于齿盘部件的轴线位置处。进一步的，所述逻辑运算判定过程包括：首先进行制动器状态监控：与制动器三相电源的两相连接，实时检测制动器得电开启状态；其次进行比较处理：结合制动器开启状态信息以及将电机实时速度信号进行比较处理，获得电机速度最大值A11以及最小值A22后，结合内部预设的超限保护阈值表进行比对判定电机运行状态是否正常；其中所述的超限保护阈值表包括电机超速保护阈值A电机超速、传感器故障保护阈值A传感器故障以及对应制动器开启状态的电机故障保护阈值A电机故障；其中所述电机超速保护阈值A电机超速为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与检测的电机速度最大值A11进行比较；所述传感器故障保护阈值传感器故障为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与电机速度最大值A11、最小值A22之间的差值进行比较；所述对应制动器开启状态的电机故障保护阈值包括制动器未开启，但电机已有速度故障保护阈值A电机故障1以及制动器已开启，但电机未有速度故障保护阈值A电机故障2，A电机故障1为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与电机速度最大值A11进行比较，A电机故障2为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与电机速度最小值A22进行比较。本发明工作原理：首先速度检测模块实时采集电机速度脉冲信号，即将齿盘部件安装在电机的旋转轴上，传感器垂直于齿盘的轴线安装在齿盘侧面适合的位置，当电机旋转时，带动安装在电机旋转轴上的齿盘部件旋转，传感器采集齿盘金属片发出的脉冲信号，通过对脉冲数量计数和周期计算，得到电机的实时测速；通过信号连接线与脉冲检测模块相连，由脉冲检测模块对脉冲数量计数和周期计算，得到电机的实测速度A1、A2；通过中央处理单元将实际电机速度与内置故障保护设置的逻辑速度进行比较，通过判定通过逻辑输出模块进行相应的故障报警，实现超速保护功能。与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构简单，安装方便，能够应对不同电机的安装条件，有效克服现场因电机结构问题导致无法安装的状况，且测速及时准确；同时本发明采用双重测速信号A1、A2对实际电机速度与内置故障保护设置的逻辑速度进行区别性的比较判定，并通过逻辑输出模块进行相应的故障报警，有效提高了超限保护装置精度以及可靠性。附图说明图1是本发明速度检测模块结构示意图一；图2是本发明速度检测模块结构示意图二；图3是本发明模块电路结构示意图；图4是本发明中央处理单元结构示意图；图5是本发明模式选择逻辑控制流程图；图6是本发明比较判断过程流程图。图中，1、防护罩，2、齿盘金属片，3、半环形齿盘部件，4、传感器，5、安装支架，6、传感器，7、半环形齿盘部件，8、电机旋转轴，9、安装支架，10、圆环形齿盘，11、连接轴。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。本发明为了对应于现场不同电机类型，分类设定了两种类型的速度检测模块结构：图1为现场电机没有旋转轴即没有高速轴出头及电机侧和减速器高速侧没有制动轮时，齿盘部件需安装在浮动轴上的安装结构；图2为现场电机具备旋转轴即电机后侧有高速轴出头或者电机侧或减速器高速侧有制动轮时，齿盘部件安装于电机高速轴上的安装结构。下文以图1所示结构为例，进行阐述本发明的具体实施例。如图1所示，一种速度检测模块结构，其现场电机不具备电机高速轴输出抽头或电机侧或者减速器高速侧没有制动轮(旋转轴)时，机械部件需要安装在浮动轴上，则其包含：两个半环形齿盘部件3、7；齿盘金属片2作为检测目标物，数量为8个均布于所述齿盘部件上；传感器4、6数量为2个，安装支架5、9，数量2个以及防护罩1；其中电机旋转轴8(这里为浮动轴)即齿盘的固定位置。固定方式：两个半环形齿盘部件3、7如图1对扣在电机浮动轴8上并固定，使得电机运行时带动齿盘进行同向同速旋转；传感器4、6分别固定于安装支架5、9上，安装支架5、9分别固定在齿盘部件两侧，确保传感器4、6分别垂直于齿盘部件的轴线，且位于齿盘侧面位置处，上述传感器距离齿盘的最佳距离为10mm；防护罩1下端分别固定于两个安装支架5、9上端，确保将齿盘部件罩覆于其内，其中传感器4、6也可罩覆于其内，即完成整体安装。下文以图2所示结构为例，进行阐述本发明的具体实施例。如图2所示，一种速度检测模块结构，其现场电机具备旋转轴即电机后侧有高速轴出头或者电机侧或减速器高速侧有制动轮时，齿盘部件安装于电机高速轴上即旋转轴8，其包含：连接轴11、圆环形齿盘10、齿盘金属片2作为检测目标物，数量为8个均布于所述齿盘部件上；传感器4、6，数量为2个，安装支架5、9，数量2个以及防护罩1。固定方式：电机高速轴8与连接轴11一端相连，连接轴11另一端与圆环形齿盘10的圆心孔固定连接，使得电机运行时带动该齿盘进行同向同速旋转；传感器4、6分别固定于安装支架5、9上，安装支架5、9分别固定在齿盘两侧，确保传感器4、6分别垂直于齿盘部件的轴线，且位于齿盘侧面位置处，两个传感器4、6距离齿盘的最佳距离为10mm；防护罩1下端分别固定于两个安装支架5、9上端，确保将齿盘部件罩覆于其内，其中传感器4、6也可罩覆于其内，即完成整体安装。上述实施例工作过程：当电机旋转时，带动安装在电机旋转轴上的齿盘旋转，传感器采集到齿盘金属片发出的脉冲信号后，通过对脉冲数量计数和周期计算，得到电机的实时测速，通过判定进行相应的故障报警，进而实现超速保护功能。如图3、图4所示，本发明不仅包括用于实时采集电机速度脉冲信号的速度检测模块；还包括控制单元，其包括：用于将所述速度检测模块检测到的各个电机速度脉冲信号转换成各自相应的脉冲参数后得到各自对应的电机实时速度的脉冲检测模块；用于按照电机实际运行情况，将获得的电机实时速度与内部预设的超限保护阈值表进行比对，通过逻辑运算判定电机运行状态是否正常的中央处理单元以及用于当中央处理单元判定电机超速时，通过故障继电器输出故障信号进行相应的故障报警的逻辑输出模块。所述逻辑输出模块包括LED故障指示灯以及故障输出继电器。进一步的所述脉冲检测模块，其通过信号连接线与速度检测模块相连，通过脉冲数量计数与周期计算进而获得电机的实时速度信息。进一步的，所述中央处理单元包括：与制动器三相电源的两相连接，实时检测制动器得电开启状态，并将状态信息反馈至比较判定模块的制动器状态监控模块；将速度检测模块检测的信号进行比较处理，获得电机速度最大值A11以及最小值A22后，结合内部预设的超限保护阈值表进行比对判定电机运行状态是否正常的比较判定模块。所述的超限保护阈值表包括电机超速保护阈值A电机超速、传感器故障保护阈值A传感器故障以及对应制动器开启状态的电机故障保护阈值A电机故障；其中所述电机超速保护阈值A电机超速为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最大值A11进行比较；所述传感器故障保护阈值传感器故障为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最大值A11、最小值A22之间的差值进行比较；所述对应制动器开启状态的电机故障保护阈值包括制动器未开启，但电机已有速度故障保护阈值A电机故障1以及制动器已开启，但电机未有速度故障保护阈值A电机故障2，A电机故障1为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最大值A11进行比较，A电机故障2为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与速度检测模块检测的电机速度最小值A22进行比较。如图5、图6所示，比较判定模块涉及四中情况的比较判断分析：电机超速故障；制动器未开启，但电机已有速度故障；制动器已开启，但电机未有速度故障以及传感器故障，其中超限保护阈值表涉及到的电机额定转速值由实际操作者按照现场电机参数通过按键模块进行输入，而各个超速保护阈值则通过经验值以及相应的国标要求由实际操作者按照现场电机参数通过按键模块进行输入。具体过程，鉴于速度检测模块为双传感器结构(传感器4、6)进行双重测速，其某一时刻实测速度A1、A2进行比较处理，大者记为A11，小者记为A22：1、电机超速故障：将检测计算的电机速度与电机额定转速的1.3倍比较，若A11>1.3N0则报警，LED1故障指示灯亮，故障输出继电器断开；其中超速倍数参数可通过按键模块进行设置。2、制动器未开启，但电机已有速度故障：检测制动器开闸信号未输入，将检测计算的电机速度与电机额定转速的5％比较，若A11>5％N0则报警，LED3故障指示灯亮，故障输出继电器断开；其中制动器开闸开关量信号需输入控制单元，另比较速度百分比参数可通过按键模块进行设置。3、制动器已开启，但电机未有速度故障：检测制动器开闸信号已输入，将检测计算的电机速度与电机额定转速的5％比较，若A22<5％N0则报警，LED4故障指示灯亮，故障输出继电器断开；其中制动器开闸开关量信号需输入控制单元，另比较速度百分比参数可通过按键模块进行设置。4、传感器故障：两个传感器检测速度不同步或者其中一个或两个都故障时，故障保护。将两个传感器采集计算后的速度进行差值处理，将两者的差值与电机额定速度的5％比较，若|A1-A2|>5％N0则报警，LED2故障指示灯亮，故障输出继电器断开；另比较速度百分比参数可通过按键模块进行设置。所述的中央控制单元还包括电机模式选择模块，所述电机模式选择模块包括三种可选模式分别是双电机同步运行模式、双电机可不同步运行模式、单电机运行模式，三种电机模式分别适用于不同的工况条件，双电机同步运行模式(比如：冶金铸造起重机主起升双电机，非行星减速器链接)；双电机可不同步运行模式(比如：由行星减速器链接的两个电机；或者两个不同机构的单电机，例如主起升单电机、副起升单电机)；单电机运行模式。(比如：主起升单电机)。上述三种模式可通过按键进行电机超速保护模式的选择设置；其中每一种模式中涉及的电机都对应一套独立的包括速度检测模块、脉冲检测模块、中央处理单元以及逻辑输出模块的超限保护报警装置。进一步的，所述控制单元还包括按键开关模块，用于实现中央处理单元的工作模式、超限阈值参数及电机超速模拟测试的设定操作；所述按键开关模块包含复位按钮、测试按钮、参数设定按钮以及按键输入保护、电压转换及电平滤波电路共同组成，来自复位按钮、测试按钮、参数设定按钮的按键信号通过与中央处理单元的I/O接口连接的按键输入保护、电压转换及电平滤波电路转换成相应的按键参数后，中央处理单元扫描并根据按键参数值执行相应的按键动作。本发明还提供一种数字式电机超速保护方法，其特征在于：包括实时采集电机速度脉冲信号，且在同一时刻内所述电机速度脉冲信号至少采集两个；将检测到的各个电机速度脉冲信号转换成各自相应的脉冲参数后得到各自对应的电机实时速度信号；按照电机实际运行情况，将获得的电机实时速度与内部预设的超限保护阈值表进行比对，通过逻辑运算判定电机运行状态是否正常；以及在判定电机超速时，通过故障继电器输出故障信号进行相应的故障报警。所述实时采集电机速度脉冲信号通过速度检测模块实现，该速度检测模块包括用于实现电机运行时带动其进行同步旋转的齿盘部件；若干均匀设置于所述齿盘部件上的齿盘金属片；相对固设于所述齿盘部件两侧，用于安装速度检测器件的安装支架；分别设置于安装支架上，用于与齿盘金属片配合，实时检测电机运行转速信号的速度检测器件以及两侧下端分别固定于两个传感器安装支架上端，用于将齿盘部件罩覆在内的防护罩。为了因对不同电机结构的安装条件，若现场电机没有旋转轴，则所述齿盘部件为两个可以组成一个圆环结构齿盘，该齿盘对扣在电机浮动轴上并固定，使得电机运行带动齿盘同步进行旋转；若现场电机具备旋转轴，则所述齿盘部件包括圆环形齿盘以及一端与电机旋转轴连接，另一端连接圆环形齿盘的连接轴，同样使得电机运行带动齿盘同步进行旋转。所述的速度检测器件为传感器，用于与齿盘金属片配合产生脉冲信号，实时检测电机运行转速信号同时所述的传感器分别对称设置于上述齿盘部件的两个侧面，且安装在上述安装支架垂直于齿盘部件的轴线位置处。进一步的，所述逻辑运算判定过程包括：首先进行制动器状态监控：与制动器接触器的辅助触点连接，实时检测制动器开启状态；其次进行比较处理：结合制动器开启状态信息以及将电机实时速度信号进行比较处理，获得电机速度最大值A11以及最小值A22后，结合内部预设的超限保护阈值表进行比对判定电机运行状态是否正常；其中所述的超限保护阈值表包括电机超速保护阈值A电机超速、传感器故障保护阈值A传感器故障以及对应制动器开启状态的电机故障保护阈值A电机故障；其中所述电机超速保护阈值A电机超速为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与检测的电机速度最大值A11进行比较；所述传感器故障保护阈值传感器故障为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与电机速度最大值A11、最小值A22之间的差值进行比较；所述对应制动器开启状态的电机故障保护阈值包括制动器未开启，但电机已有速度故障保护阈值A电机故障1以及制动器已开启，但电机未有速度故障保护阈值A电机故障2，A电机故障1为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与电机速度最大值A11进行比较，A电机故障2为预设的电机额定转速值的一定倍数值，用于与电机速度最小值A22进行比较。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。