用于对装置进行状态监控的方法和组件与流程

1.本发明涉及一种通过测量代表装置的状态变量的时间连续和数值连续的模拟信号对装置进行状态监控的方法，其中，利用模数转换器在测量间隔内的采样时间点将模拟信号转换为数字信号，其中，模数转换器在测量范围内运行，其中，对于模拟信号超过测量范围的情况，在数字信号中切断模拟信号的超出测量范围的信号部分，其中，随后将频谱分析应用于数字信号，以便确定模拟信号在频谱中包括哪些频率部分，并且根据出现的频率部分和已知的损坏频率的比较推断出装置的故障。
2.本发明还涉及一种电子组件，所述电子组件设计用于对装置进行状态监控，所述电子组件包括输入电路，用于测量代表装置的状态变量的时间连续和数值连续的模拟信号；模数转换器，所述模数转换器在测量间隔内的采样时间点扫描模拟信号并且将模拟信号转换为数字信号，其中，模数转换器设计用于测量范围内，其中，对于模拟信号超过测量范围的情况，在数字信号中切断模拟信号的超出测量范围的信号部分；机构，所述机构用于频谱分析，以便将频谱分析应用于数字信号，以便确定模拟信号在频谱中包括哪些频率部分，并且根据出现的频率部分和已知的损坏频率的比较推断出装置的故障。


背景技术：

3.这种方法和这种组件例如从操作说明“siemens,siplus sm 1281,condition montioring system sm 1281 condition monitoring,06/2016,ae536912747-ab”中已知。
4.就本发明而言，装置的状态监控理解为对机器或设施的预防性监控，以避免较大损坏或较长的停机时间。
5.例如，根据通过频率分析进行的振动诊断来执行轴承端盖的诊断。频率分析的原理在于，通过频谱分析将信号从时域变换到频域。对此，常见的数学方法是傅立叶变换。
6.已知的方法和组件的缺点是，例如在震动分析的情况下，特别是在轴承严重损坏的情况下，应当诊断轴承损坏的程度，传感器信号输入短暂达到饱和，因为通过实际出现的振幅达到了测量输入范围的上限/下限。高振幅的其他原因可能是由于故障的部件或通过工艺影响而改变的机器列对准和出现的不平衡。由此，数字化系统的传感器信号和测量输入会被过调，因为实际出现的错误超过了设计测量范围。
7.在电流特征分析中也会出现传感器信号饱和，特别是当具有铁氧体芯的电流转换器、但还有霍尔传感器或罗戈夫斯基电流测量输入在电机的高启动电流或过高的启动电流的情况下达到饱和，或者当在三导体系统中的单个分支中产生临界故障电流时，测量系统并没有针对所述临界故障电流的强度设计。
8.根据现有技术已知的装置和方法的缺点是，具有切断的信号部分的检测到的信号在随后要评估的频谱中产生附加的故障性频率，其中所述信号部分尤其通过测量输入的过调而引起。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提出一种方法，所述方法识别状态监控传感器信号的部分的过调并且提供用于过调的量度或用于信号质量的量度。
10.针对开始提出的方法，所述目的通过如下方式实现，即对于在数字信号中切断在采样时间点超出测量范围的模拟信号的情况，检测该事件并且将该事件确定为数量，其中，提供信号质量作为测量间隔内数量与总采样数的商，并且信号质量用于评价，尽管通过可能的被切断的信号部分在频谱中产生附加的过调部分，是否仍可以从频谱的已确定的频率部分中识别出已知的损坏频率。
11.根据本发明的方法提出，在每个采样时间点确定，测量范围是否已经过调并且由此形成切断的信号。然后，将一些切断的信号事件与采样的总数量关联。有利的是，如果信号质量不仅被确定并且通信给上级的系统或应用程序，而且还被用于信号校正方法的优化的使用。
12.因此，在方法的一个优化的设计方案中提出，利用信号校正方法来校正或估计数字信号，由此在估计信号中消除或至少减少通过切断形成的附加的过调部分，其中，还识别已知的损坏频率并且将损坏频率映射到传递函数中，其中，根据信号质量继续使用传递函数直至信号质量的可预设的极限值。
13.因为现在根据该方法持续检测一定的测量范围外部的或边缘处的多个样本，所以可以利用该知识来提供信号质量，其中所述多个样本也被定义为低电平和高电平。所提到的极限可以定义为可靠保证测量通道的一定线性的极限，在模数转换器或放大器中最大可用的极限(例如距工作电压的工作电压间距)或可靠地允许可在一定程度调节的应用测量极限的极限。
14.在数字输出处造成“削波”之前，可施加到转换器的输入处的最大的信号幅度称为模数转换器的全测量范围(也称为全偏转)。在全偏转的情况下，输出使用模数转换器的最小和最大的代码。
15.就本发明而言，削波理解为将多余的信号部分由处理的硬件或软件“切断”。因为在谱中大多数损坏类型在典型的损坏频率或损坏频率的典型模式的出现时是可以识别的，那么在要分析的谱中还附加地出现由削波已经引起的频率部分，则是不利的。
16.然而，该方法现在通过所确定的信号质量实现更好地评价频率部分的观察和评估。如果例如由于实际出现的幅度使振动大于测量范围，则可以将信号质量的信息用于执行频率部分的评价和/或要监控的装置的恶化状态的评价。
17.如果根据信号质量修改传递函数，则也是有利的。
18.如果在装置处于良好状态的学习阶段中根据信号质量形成并存档一系列传递函数，则也是有利的，其中，然后将被监控的装置的处于原始的良好状态下的传递函数用作参考。
19.尤其在合适的估计信号方面，为了减少由过调部分通过削波形成的频率部分，有利的是，使用维纳滤波器作为信号校正方法。维纳滤波器在方法中用于尝试重建(估计)缺失的或通过噪声失真或畸变的采样值。虽然维纳滤波器用于从噪声信号中估计时域中的未知的原始信号，并且由具有传递函数的ldi系统畸变的且测量到的信号在时域中作为最佳可行的近似y，但是也可以将滤波器用于削波的信号。
20.针对开始提到的电子组件，开始提到的目的还通过如下方式来实现，即在组件中存在检测机构，所述检测机构设计用于，对于在数字信号中切断在采样时间点超出测量范围的模拟信号的情况，检测该事件并且在计数器中将该事件计数为数量，其中，存在信号质量评估设备，所述信号质量评估设备提供信号质量作为测量间隔内数量与总采样数的商，还具有决策机构，所述决策机构设计用于，尽管通过可能的被切断的信号部分在频谱中产生附加的过调部分，根据信号质量评价是否仍可以从频谱的已确定的频率部分中识别出已知的损坏频率。
21.削波主要在高频率的情况下产生幅度高达10％的谱线。该方法，转移到轴承损坏分析，则意味着代表轴承损坏的谱线可能会渐显。要么造成错误解释(“误报”)。但是要么将轴承损坏归类为比实际更严重，因为现有的线和谐波由削波的线覆盖。
22.在组件的一个改进方案中，所述组件具有滤波器机构，在所述滤波器机构中运行信号校正方法，所述信号校正方法校正或估计数字信号并且由此在估计信号中消除或至少减少由切断形成的附加的过调部分，其中，滤波器机构还具有传递函数，所述传递函数还映射已知的损坏频率，其中，滤波器机构具有用于信号质量的输入端，并且滤波器机构设计用于，根据信号质量继续使用传递函数直至可预设的极限值。
23.在使用信号校正方法时，可预期的误报的错误减少；测量系统例如也可以超过设计测量范围在一定的频段中更可靠地工作。正常运行中的可测量的损坏频率、即测量极限(信号质量q＝1)之内可测量的所有损坏频率，由维纳滤波器识别并映射到传递函数中。如果现在出现削波的信号(q《1)，则应仍保留传递函数，即首先继续抑制削波引起的伪影，但可能已经存在的轴承损坏频率会继续传输。用于监控状态的方法在很大程度上保留了其频谱图和分类功能。
24.为了实现这一点，有利的是在组件内具有适配机构，所述适配机构设计用于根据信号质量修改传递函数。
25.还可以利用学习机构继续优化组件，所述学习机构设计用于，在装置处于良好状态的学习阶段中，根据信号质量形成并存档一系列传递函数，所述学习机构还设计用于，将被监控的装置的处于原始的良好状态下的传递函数用作参考。
26.有利地，在滤波器机构中实施维纳滤波器。
附图说明
27.附图示出本发明的实施例，在此示出：
28.图1示出用于状态监控的组件，
29.图2示出图1中的组件的一个改进方案，
30.图3示出装置的状态监控的原理，
31.图4示出具有故障频率的谱的一个示例，
32.图5示出转变为测量范围限制的要检测的信号，
33.图6示出用于谱功率密度的图表，
34.图7示出从谱功率密度中推导出的传递函数，和
35.图8示出与原始信号相比利用维纳滤波器估计的信号。
具体实施方式
36.在图1中绘出用于对装置1进行状态监控的组件10。组件10包括：用于测量代表装置1的状态变量的、时间连续和数值连续的模拟信号xa(t)；模数转换器adu，所述模数转换器在测量间隔tn内的采样时间点ts扫描模拟信号xa(t)并且将模拟信号转换为数字信号xd[k]，其中，模数转换器adu设计用于，在测量范围mb内工作，其中，对于模拟信号xa(t)超过测量范围mb的情况，在数字信号xd[k]中切断模拟信号xa(t)的超出测量范围mb的信号部分(参见图5)。此外，组件10具有用于频谱分析的机构12，以便将频谱分析应用于数字信号xd[k]。从所确定的频谱分析中或从所确定的频谱fft中可以读出：模拟信号xa(t)包括哪些频率部分fi，并且根据在比较机构21中出现的频率部分fi和已知的损坏频率fs的比较可以推断出装置1的故障。
[0037]
根据本发明，现在在组件10中存在检测机构13，所述检测机构设计用于，对于在数字信号xd[k]中切断在采样时间点ts超出测量范围mb的模拟信号xa(t)的情况，检测该事件并且在计数器14中将该事件计数为数量nsat。
[0038]
经由信号质量评估设备15，现在可以提供信号质量q作为测量间隔tn内数量nsat与总采样数n的商。此外，在组件10中存在决策机构16，所述决策机构设计用于，尽管通过可能的被切断的信号部分在频谱fft中产生附加的过调部分fk，根据信号质量q评价是否仍可以从频谱fft的已确定的频率部分fi中识别出已知的损坏频率fs。
[0039]
如果在决策机构16中借助于信号质量q决定，仍可以从所确定的频率部分fi中确定损坏频率fs，则将有效信号30转发给评估单元。
[0040]
图2示出图1中所示的组件10的改进方案。组件10现在附加地具有滤波器机构17，在所述滤波器机构中运行信号校正方法wf，所述信号校正方法校正或估计数字信号xd[k]并且由此在估计信号y[k]中消除或至少减少由切断形成的附加的过调部分fk。滤波器机构17还具有传递函数g(w)，所述传递函数还映射已知的损坏频率fs，其中，滤波器机构17具有用于信号质量q的输入端18，并且滤波器机构17设计用于，根据信号质量q继续使用传递函数g(w)直至可预设的极限值vt。
[0041]
根据图2，组件10还具有适配机构19，所述适配机构设计用于，根据信号质量q修改传递函数g(w)。在根据图2的设计变型中，组件10还设有学习机构20，所述学习机构设计用于在装置1处于良好状态的学习阶段中，根据信号质量q形成并存档一系列传递函数gj(w)。学习机构20还设计用于，将被监控的装置1的处于原始的良好状态下的传递函数p(w)用作参考。
[0042]
在滤波器机构17中实施维纳滤波器。
[0043]
利用图3示意性地示出装置1的状态监控。装置1包括具有变速器和驱动轴和摆动载荷的马达。例如，不平衡件31置于摆动载荷上。经由传感器32在良好状态时记录测量33。由于惯性轮上的不平衡件31，具有机器振动的增加的振幅的测量34可以被确定为故障。振动速度的其所属的谱35示出三个不同的频率部分用于三个不同的旋转频率。
[0044]
利用图4示例性地示出，可以根据频谱上的损坏频率来确定哪些故障。因此，具有故障频率的谱40在位置41处显示出皮带故障、在位置42处显示出滚动轴承损坏、在位置43处显示出叶片通过频率和在位置44处显示出齿啮合故障。
[0045]
图5从上到下示出达到极限的原始信号x'a(t)，其中，测量范围mb在信号曲线x'a
(t)中绘制，并且一旦原始信号x'a(t)的信号部分离开测量范围，就将其切断。在其下方绘制信号质量q，所述信号质量随着削波的增加从100％下降到0％。在其下方绘制的削波的信号部分的数量nsat成反比。
[0046]
图6示出谱的功率密度psd，其中，在图表中一方面对于具有x的x绘出功率密度61，并且另一方面对于具有削波的信号的x绘出功率密度62。
[0047]
图7示出根据维纳的传递函数从图6的曲线中构造的滤波器。削波主要在高频率的情况下产生幅度高达10％的谱线。该行为，转移到轴承损坏分析，则意味着代表轴承损坏的谱线可能会渐显。要么造成错误解释(“误报”)，但是要么将轴承损坏归类为比实际更严重。这是因为现有的谱线和谐波被通过削波引起的故障部分覆盖。
[0048]
利用维纳滤波器从原始信号形成的估计的信号现在几乎仅具有原始信号的三个主要组分。估计的信号的虚假部分在《1％的范围内，即由削波引起的谱线被抑制了10-2
，并且现有的谱线被加宽。只要根据本发明的量度q或类似的饱和的测量值的数量的量度超过阈值，就可以通过使用由此得出的传递函数持续地计算psdxx和psdxs的谱的功率密度psd来优化维纳滤波器。
[0049]
利用图8在fft谱80中示出原始信号xa[k]、包括削波部分的观测的信号xd[k]和由维纳滤波器估计的信号y[k]。
[0050]
利用维纳滤波器从x估计的信号y几乎仅具有原始信号的三个主要组分。估计的信号的错误部分在《1％的范围内，即通过削波引起的谱线被抑制了10-2
，并且现有的谱线以加宽示出。