一种轧机传动设备工作异常的在线检测方法与流程

本发明涉及一种轧机传动设备工作异常的在线检测方法，属于冶金设备自动控制技术领域。

背景技术：

在冶金行业的轧钢生产中，由于轧机传动设备负荷大，发生设备故障的概率高，经常发生轧机烧轴承、减速机打齿、断辊、传动控制柜部件性能不良引发的变频柜爆管等事故；该类事故一旦发生，则会造成重大设备和生产损失。如果在传动设备刚出现异常时能够及时发现及时检查和处理，则有可能将事故消灭在萌芽状态，减少或避免由此造成的重大损失。目前，轧钢传动设备故障检测方法，一是对机械传动设备人工检查，但无法实现对设备的实时检测；二是通过传动设备过电流报警来检测设备异常，但对于未达到过电流报警的设备异常则无能为力；三是采用测振传感器检测传动机械的振动波，通过对其分析判断机械设备是否发生异常，因轧钢机械运行工况就是冲击大，振动大，振动波并非设备工况的真实反映，故该方法在轧钢设备上应用效果不佳。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种轧机传动设备工作异常的在线检测方法，通过实时检测轧机传动设备转矩的变化率和变化幅度来判断轧钢传动设备是否存在异常，若异常则及时发出报警，避免事故扩大化，方法简便，准确率高，效果显著，解决已有技术存在的上述问题。

本发明采用的技术方案是：

一种轧机传动设备工作异常的在线检测方法，变频柜输出转矩在稳定工作状态下等于负载的工作转矩，该负载转矩等于轧机的工作转矩与自电机至轧机中间传动环节的转矩损失之和，当轧机及其传动中间环节出现异常，（诸如轧机轴承损坏、减速机传动轴打齿等设备组件的异常状况），会造成变频柜输出转矩的幅度和变化率发生改变；通过可编程控制器实时检测变频柜输出转矩的幅度变化及变化率大小来判断传动设备是否出现工作异常；若异常则通过hmi计算机发出报警信息。

轧机传动设备运行状态分为空载状态和负荷状态，其状态通过可编程控制器采集变频柜输出转矩的输出量与两种工作状态转换的变频柜输出转矩特征值来区分；该状态转换特征值以空载转矩加权后的转矩值来设置；

轧机传动设备处于空载状态时，其空载转矩基本为一恒定值，并在一个很小的范围内上下变动，当空载转矩变化大幅度超出该波动范围，控制系统及时发出报警；该故障报警阈值根据轧钢设备负荷的实际状态对正常空载转矩加权后设置。

轧件轧制过程中轧机的负载转矩一般比较平稳，当传动系统异常时，轧机的负载转矩变化幅度和变化率变化较大，当二者数值超过设定的阈值时，即发出报警。

轧机传动系统在空载与负载转换时，传动系统输出转矩会有一个动态调节过程，该过程会使转矩因超调而失真，在两种状态转换时需要对输出转矩延时采样，延时时间根据实际传动系统的动态调节性能确定。

本发明对轧机传动设备的空载状态和负荷状态的传动设备整个工作周期的转矩变化均进行实时监测，保证对传动设备的监测无死角。

本发明有益效果：通过实时检测轧机传动设备变频柜输出转矩的变化率和变化幅度大小来判断轧钢传动设备是否存在异常，若异常则及时发出报警。本发明是轧钢传动设备故障在线诊断技术的创新，在传动设备整个工作周期内能够及时检测出设备异常并报警，避免事故扩大化，该检测方法简便，准确率高，效果显著，有极高地推广应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例系统示意图；

图中标记如下：可编程控制器1、变频柜2、hmi计算机3、电机4、减速机5、轧机6、传动轴7、电减连接轴8、profibus网络9、以太网10；

图2是本发明实施例轧机传动设备工作异常时的典型转矩曲线图；

图中标记如下：t1为轧机空载起始点、t2为轧机空载结束始点（也是负载状态的起始点）、t3为轧机负载状态的结束点、t0为轧机传动设备正常时空载状态的转矩值、t1为轧机传动设备异常时空载状态的转矩报警阈值、tk为区分轧机传动设备空载与负载状态的转矩特征值（实际转矩小于该值为空载状态，否则为负荷状态）、a,b,c为传动设备工作异常时的典型转矩跳变点。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

一种轧机传动设备工作异常的在线检测方法，变频柜输出转矩在稳定工作状态下等于负载的工作转矩，该负载转矩等于轧机的工作转矩与自电机至轧机中间传动环节的转矩损失之和，当轧机及其传动中间环节出现异常，（诸如轧机轴承损坏、减速机传动轴打齿等设备组件的异常状况），会造成变频柜输出转矩的幅度和变化率发生改变；通过可编程控制器实时检测变频柜输出转矩的幅度变化及变化率大小来判断传动设备是否出现工作异常；若异常则通过hmi计算机发出报警信息。

轧机传动设备运行状态分为空载状态和负荷状态，其状态通过可编程控制器采集变频柜输出转矩的输出量与两种工作状态转换的变频柜输出转矩特征值来区分；该状态转换特征值以空载转矩加权后的转矩值来设置；

1、轧机传动设备处于空载状态

对于轧机来说，其空载状态的正常传动转矩在一个很小的范围内上下变动，基本为一恒定值，当实际转矩大幅度超出该波动范围，则说明该传动设备出现异常，控制系统及时发出报警；该空载状态故障报警阈值，根据轧钢设备正常空载转矩加权后设置；

2、轧机传动设备处于生产负荷状态

该状态分为轧件咬入轧机、轧件轧制中、轧件尾部脱离轧机三个阶段；

a、轧件咬入轧机

轧件咬入轧机时，由于传动设备负荷突然增大，变频柜对冲击负荷有一个短时调节过程，该调节过程存在因转矩超调而使数据失真的问题，故应延迟采样，延迟时间与变频柜的调节参数相关，一般为毫秒级；

b、轧件轧制过程中

轧件轧制过程中轧机转矩一般比较平稳，变化和缓，当传动系统异常时，一般会在其转矩指标上有所体现，转矩的变化幅度和变化率会比较明显，通过实时检测这两项指标的变化情况，就可检测出传动设备是否存在异常；若异常则发出报警；

c、轧件尾部脱离轧机过程

轧件尾部脱离轧机时，传动转矩由负载转矩降至空载转矩的突然变化，变频柜同样有一个调节过程，其脱离信号的判断方法与轧机咬入信号同理；即：轧件脱离轧机信号以实时采样的转矩负载低于状态转换矩特征值为判定条件；状态转换后的转矩亦应延迟采样，延迟时间根据变频柜的动态调节参数设置。

在实施例中，参照附图1，本发明涉及的硬件设备包括：可编程控制器1、变频柜2、电机3、电减连接轴4、减速机5、传动轴6、轧机7、hmi计算机8、profibus网络9、以太网10。

图1中显示，可编程控制器1与变频柜2通过控制网络9相连，变频柜2为电机3提供变频电源，电机3通过电减连接轴4连接减速机5，减速机5通过传动轴6驱动轧机7运转，hmi计算机与可编程控制器1通过以太网10相连。可编程控制器通过通讯网络按一定采样周期（毫秒级）采集变频柜的转矩值并存储，用于对传动设备的运行状况进行分析判断。

变频柜2输出转矩在稳定工作状态下等于轧机的工作转矩与自电机至轧机中间传动环节的转矩损失之和，当轧机及其传动中间环节出现异常，诸如轧机轴承损坏、减速机传动轴打齿等机械组件的异常状况会造成变频柜的输出转矩发生变化，如图2中轧机空载状态t1~t2为正常状态，自t2~t3负载阶段的转矩在a点发生跳变以后，后续空载阶段的转矩变高，后续带载阶段转矩亦不稳，跳变频繁，如b点、c点。

本发明利用下列方法实现传动设备空载阶段的工作异常判断。该阶段由于转矩较小，即使有转矩跳变，其变化率也较小，不易准确区分。而采用报警阈值比较法则简便实用，如图2所示，根据正常空载转矩值t0合理确定设备异常时的转矩报警阈值t1，比如该传动设备空载时正常转矩在13%-15%额定转矩范围内，则可以将转矩大于20%额定转矩作为转矩异常的报警阈值。若可编程控制器检测到空载阶段的变频柜实际输出转矩大于t1，则发出传动设备状况异常报警。

本发明利用下述方法实现传动设备负载阶段工作异常的判断。该阶段负载转矩较大，设备发生异常时负载的变化率和变化幅度明显，由于变化率是变化幅度与计算区间时间段的比值，当时间段取值较小时，变化幅度即可代表变化率的大小。当一定时间段内的转矩变化幅度数值超过设定的阈值时，即发出传动设备运转异常报警。

首先对轧制过程中的转矩值确定一时间检测窗口，窗口大小应根据传动系统的动态性能和转矩采样周期确定（比如转矩采样周期50毫秒，动态调整时间为150毫秒，则时间检测窗口可采用400毫秒），对窗口范围内的传动转矩进行采样并存储，建立如下转矩值序列：

buff=(t1,t2,...,tn)

除t1外，对序列内的其余采样值进行排序，除去序列中的一定数量的最大值和最小值，剩余数值求和再取平均值，目的是去除负荷转矩中脉动转矩和随机转矩对转矩真值的影响。当前采样值t1再与该平均值做差，该差值与设定的报警阈值进行比较，若超过报警阈值，则在hmi计算机画面上发出报警。若报警时，该差值小于0，则说明传动设备发生了诸如轧机断辊、传动轴打齿等负载突然减小的设备异常，如果报警时该值大于0，则说明传动设备发生了诸如轧机“烧轴承”、电机接地等负载突然增大的传动设备异常状况，可根据传动设备异常时的的特征表现设置对应的报警信息。

最新的转矩采样值会更新序列中的t1值，原t1~tn-1依次替换原序列中的t2~tn值,形成新的转矩值序列，保证了检测窗口的实时性。可编程控制器对新的转矩序列再次进行上述分析判断，实现了对传动设备工作状况的实时检测。

传动设备空载和负载状态的判断，是利用正常负载和空载转矩的中间的数值来区分（如图2中的tk），例如正常空载转矩为15%额定转矩，正常负载都在40%额定转矩，则tk可选择25%额定转矩作为二者的区分标准。

空载与负载转换时，由于传动系统在负载变动时会有一个动态调节过程（该过程调节时间很短，一般为毫秒级），该过程会使转矩因超调而失真，故在两种状态转换时需要延时采样，延时时间根据实际传动系统的动态调节性能确定，比如200毫秒。