專利名稱：用于傳感器級機(jī)器監(jiān)視的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器監(jiān)視，更具體地涉及用于傳感器級(sensor-level)機(jī)器監(jiān)視的 系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
高速、多軸承機(jī)器——諸如在煉油廠、采油平臺、發(fā)電站等等中所使用的那些機(jī) 器——可包括如轉(zhuǎn)子、軸和軸承的旋轉(zhuǎn)元件。通常，這些旋轉(zhuǎn)元件以高速旋轉(zhuǎn)并可導(dǎo)致機(jī)器 中的振動。存在定義的閾值水平，對于該閾值水平而言，振動變化是可接受的。然而，如果 振動增加超過該閾值水平，則機(jī)器可能受到各種故障的影響，所述各種故障諸如是機(jī)器失 衡、機(jī)器位移、機(jī)器軸承損壞、機(jī)器軸承不穩(wěn)定、機(jī)器推力軸承損壞、機(jī)器摩擦、軸失衡、軸破 裂、機(jī)器安置異常或者流體引發(fā)的不穩(wěn)定。這些各種故障可能導(dǎo)致對機(jī)器暫時的或永久的 損害。因此，為了防止發(fā)生這些故障，可實時或近實時地監(jiān)視各種與機(jī)器相關(guān)的物理量諸如 振動，以識別故障的發(fā)生和/或確定故障類型。已經(jīng)提出各種技術(shù)來實時或近實時地監(jiān)視 機(jī)器以確定發(fā)生和/或識別哪些故障可能在機(jī)器中發(fā)生。 包括多個傳感器、監(jiān)視臺(monitoring rack)和個人計算機(jī)("PC")的系統(tǒng)提供 了用于實時或近實時地監(jiān)視機(jī)器并識別和/或確定故障的常規(guī)技術(shù)。該多個傳感器被放置 在機(jī)器的高速旋轉(zhuǎn)元件的附近。這些傳感器感測在高速旋轉(zhuǎn)元件中發(fā)生的各種物理量，諸 如振動。這些傳感器基于對各種這樣的物理量的測量來生成感測的數(shù)據(jù)并將感測的數(shù)據(jù)發(fā) 送給監(jiān)視臺，該監(jiān)視臺對感測的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚集和整理(condition)。該監(jiān)視臺進(jìn)一步生成警 報以保護(hù)機(jī)器免受損害。然后，該監(jiān)視臺向PC發(fā)送聚集的數(shù)據(jù)以使用基于軟件的分析來確 定機(jī)器中的故障。 然而，上述常規(guī)系統(tǒng)需要大量硬件以實時或近實時地監(jiān)視機(jī)器。而且，在安裝、校 準(zhǔn)、操作和維護(hù)監(jiān)視臺、PC和分析軟件中通常牽涉高成本。因此，希望使確定機(jī)器中的故障 的硬件要求和相關(guān)成本最小化。 因此，存在對使用最小化的硬件要求來提供機(jī)器的監(jiān)視和故障的確定的系統(tǒng)的需 求。進(jìn)一步存在對用于傳感器級機(jī)器監(jiān)視的系統(tǒng)和方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，公開了一種用于監(jiān)視機(jī)器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括包含 第一處理器的第一傳感器和包含第二處理器的第二傳感器。該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括通信干線 (trunk)，所述通信干線與第一傳感器和第二傳感器通信并且可操作以在第一處理器和第 二處理器的每一個之間傳送傳感器數(shù)據(jù)。第一傳感器和第二傳感器可操作以生成與至少一 個機(jī)器狀況相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)。另外，第一處理器或第二處理器中的至少一個可操作以 分析由第一傳感器和第二傳感器中的每一個所生成的傳感器數(shù)據(jù)，并且至少部分基于所述 傳感器數(shù)據(jù)來確定至少一個機(jī)器故障。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，公開了一種用于監(jiān)視機(jī)器的方法。該方法可包括提供多個傳感器，每個傳感器都包括具有指令的處理器。該方法可進(jìn)一步包括提供至少一個通 信干線，所述通信干線與所述多個傳感器通信并且可操作以在多個傳感器的每一個之間傳 送傳感器數(shù)據(jù)。另外，該方法可包括通過多個傳感器中的每一個來感測至少一個機(jī)器狀況， 并且通過多個傳感器中的每一個來生成與至少一個機(jī)器狀況相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)。該方 法可進(jìn)一步包括執(zhí)行多個傳感器的至少一個處理器中的指令以分析由多個傳感器中的每 一個所生成的傳感器數(shù)據(jù)，并且至少部分基于至少一個傳感器數(shù)據(jù)來確定至少一個機(jī)器故 障。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，公開了一種用于監(jiān)視機(jī)器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括多個 傳感器，每個傳感器都包含處理器。該系統(tǒng)可進(jìn)一步包括至少一個通信干線，所述通信干線 與多個傳感器通信并可操作以在多個處理器的每一個之間傳送傳感器數(shù)據(jù)。另外，多個傳 感器中的每一個可操作來探測至少一個機(jī)器狀況。另外，該系統(tǒng)可包括多個傳感器中的至 少一個傳感器，其可操作來從多個傳感器中的至少一個其它傳感器接收與至少一個機(jī)器狀 況的探測相關(guān)聯(lián)的指示。另外，所述至少一個傳感器的處理器可操作來聚集任何接收到的 指示，并且對所聚集的指示執(zhí)行頻域分析、時域分析或濾波頻率分析中的至少一個，并且至 少部分基于所聚集的指示來表征至少一個機(jī)器狀況，并且至少部分基于所聚集的指示來確 定至少一個機(jī)器故障。 根據(jù)下面的詳細(xì)描述、附圖和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其它實施例、方面和特征將 對本領(lǐng)域的技術(shù)人員變得明顯。


在這樣大體上描述了本發(fā)明之后，現(xiàn)在將參照附圖，所述附圖未必按比例繪制，并 且其中 圖1是用于監(jiān)視機(jī)器的示例性現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于監(jiān)視機(jī)器的示例性系統(tǒng)的示意圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于監(jiān)視機(jī)器的一個示例性方法的流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖在下文中更完整地描述本發(fā)明的說明性實施例，其中示出一些、 但不是所有的本發(fā)明實施例。事實上，本發(fā)明可能以許多不同形式被具體化并且不應(yīng)被解 釋為限于在此闡明的實施例；更確切地說，提供這些實施例以使得本公開將滿足適用的法 律要求。在整個附圖中相似數(shù)字指代相似元件。 所公開的是用于監(jiān)視機(jī)器并因而確定在機(jī)器中發(fā)生的故障的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本 發(fā)明的實施例，多個傳感器被放置在機(jī)器的不同旋轉(zhuǎn)元件的附近。每個傳感器都包括處理 器以用于測量在機(jī)器的旋轉(zhuǎn)元件中發(fā)生的振動。該傳感器進(jìn)一步生成對應(yīng)于至少一個機(jī)器 狀況的傳感器數(shù)據(jù)。來自一些或所有傳感器的所生成的傳感器數(shù)據(jù)可被聚集在至少一個傳 感器上。隨后，與(傳感器數(shù)據(jù)聚集在其上的)該傳感器相關(guān)聯(lián)的處理器分析傳感器數(shù)據(jù)， 包括也已經(jīng)獲得的聚集數(shù)據(jù)，并因而確定在機(jī)器中發(fā)生的故障。出于補(bǔ)救目的，該傳感器可 進(jìn)一步將所確定的故障傳送給機(jī)器的主機(jī)。 圖1是用于監(jiān)視機(jī)器102的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100的示意圖。在圖1的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)
4100中，機(jī)器102是可包括諸如轉(zhuǎn)子、軸和軸承之類的高速旋轉(zhuǎn)元件的多軸承機(jī)組(machine train)。機(jī)器102可能是電的或非電的旋轉(zhuǎn)機(jī)器。機(jī)器102可被利用以用于例如煉油廠、 采油平臺和發(fā)電站中的各種應(yīng)用。由于裝備了高速旋轉(zhuǎn)元件，機(jī)器102易于發(fā)生各種故障， 諸如但不限于，機(jī)器失衡、機(jī)器位移、機(jī)器軸承損壞、機(jī)器軸承不穩(wěn)定、機(jī)器推力軸承損壞、 機(jī)器摩擦、軸失衡、軸破裂、機(jī)器安置異常、流體引發(fā)的不穩(wěn)定和特定的電機(jī)故障，諸如氣隙 漂移、變短的轉(zhuǎn)子棒(rotor bar)、松動的轉(zhuǎn)子棒、軸向浮動/磁中心漂移、或定相異常。該 故障中的一個或多個可由于高速旋轉(zhuǎn)元件的振動增加超過了閾值水平而發(fā)生。該閾值水平 可以是定義的振動級，在該振動級以下，機(jī)器102中的振動是可容忍的并可能不會導(dǎo)致任 何故障。因此，為了測量機(jī)器102中的該故障，將傳感器104a-h放置在高速旋轉(zhuǎn)元件的附 近。傳感器104a-h是測量諸如振動的物理量并且將測量轉(zhuǎn)換成可用于各類分析的電信號 的設(shè)備。若干傳感器諸如傳感器104a-h可被用于測量各種物理量?？墒褂玫牟煌愋蛡?感器例如是振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、加速計、流量傳感器、水平 傳感器(level sensor)、密度傳感器、材料成分傳感器或電功率特征傳感器(electrical powercharacterization sensor)。電功率特征傳感器可測量電動機(jī)或發(fā)電機(jī)的相電流、相 電壓等等。在這種應(yīng)用中所使用的傳感器數(shù)量不受限制，并且可使用任何數(shù)量的傳感器來 測量各種物理量。在圖1的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100中，傳感器被成對使用以測量由于高速旋轉(zhuǎn) 的元件導(dǎo)致在機(jī)器102中發(fā)生的振動變化。 如在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100中所示出的，傳感器104a-h經(jīng)由傳輸媒介108將感測的信 號發(fā)送給監(jiān)視臺106。在傳感器104a-h與監(jiān)視臺106之間的傳輸媒介108可以是有線連 接。監(jiān)視臺106是監(jiān)視傳感器104a-h的輸出的硬件模塊。傳感器104a-h的輸出是感測的 信號。感測的信號具有變化的幅度和頻率的電信號的形式。監(jiān)視臺106進(jìn)一步聚集從每個 傳感器104a-h所接收到的感測信號。監(jiān)視臺106處理來自所有傳感器的感測信號并隨后 測量機(jī)器102的高速旋轉(zhuǎn)元件中的振動量?；谒鶞y量的振動，如果高速旋轉(zhuǎn)元件的振動 變化超過預(yù)定的閾值極限，則監(jiān)視臺106可操作以生成警報。監(jiān)視臺106可將該警報發(fā)送 給任一機(jī)器102操作員(在圖l中未示出)以關(guān)掉或者以其它方式改變機(jī)器102的操作。 監(jiān)視臺106可將信號發(fā)送給控制系統(tǒng)(在圖1中未示出)以關(guān)掉或者以其它方式改變機(jī)器 102的操作。同樣，監(jiān)視臺106可調(diào)整信號(感測的數(shù)據(jù)信號)，從而信號可被分析以監(jiān)視 機(jī)器102的健康狀況(health)并因此能夠確定機(jī)器102的故障。在對機(jī)器102做出調(diào)節(jié) 之后，監(jiān)視臺106可通過通信鏈路112將從傳感器104a-h取得的感測信號發(fā)送到分析模塊 110以分析機(jī)器102中的故障。 系統(tǒng)100的分析模塊110進(jìn)一步分析從傳感器104取得的感測數(shù)據(jù)以通過執(zhí)行不 同類型的算法來確定機(jī)器102中的故障。 如由圖1的系統(tǒng)100所示出的，需要大量的硬件以在監(jiān)視臺106處使用所感測的 數(shù)據(jù)監(jiān)視振動并隨后通過分析模塊110確定故障。而且，在安裝、校準(zhǔn)、操作和維護(hù)監(jiān)視臺 106、分析模塊110和軟件以分析感測數(shù)據(jù)中通常牽涉高成本。因此，如果監(jiān)視臺106和分 析模塊110的性能能夠以傳感器104a-h的級別(level)實現(xiàn)，則確定機(jī)器102中故障的硬 件要求和成本能夠被顯著減小。 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于監(jiān)視機(jī)器102的系統(tǒng)200的示意圖。在本 發(fā)明的一個示例性實施例中， 一對第一傳感器202a和第二傳感器202b放置在機(jī)器102的
5高速旋轉(zhuǎn)元件的附近。類似地，在一個示例性實施例中，若干其它對傳感器202c-d、202e-f 和202g-h也可放置在機(jī)器102的相同或不同的高速旋轉(zhuǎn)元件的附近。傳感器202a-h包括 處理器204a-h，處理器204a-h具有分別與其集成在一起的相關(guān)存儲器。為簡化起見，當(dāng)提 到"第一傳感器"、"第二"或"傳感器"時，可能涉及包括在本發(fā)明實施例中的任何或所有可 能的傳感器。在示例性實施例中，包括處理器204a-h的傳感器202a-h可以是智能數(shù)字傳 感器。智能數(shù)字傳感器可具有多種性能。例如，智能數(shù)字傳感器可能能夠存儲其自身的信 息；簡化傳統(tǒng)上復(fù)雜的機(jī)器感測技術(shù)的安裝、建立和校準(zhǔn)，基本上允許它們作為"即插即用" 傳感器來操作。另外，智能數(shù)字傳感器可能能夠在它們自身內(nèi)嵌入并執(zhí)行算法或指令。在 另一示例中，智能數(shù)字傳感器可具有現(xiàn)場設(shè)備描述符(descriptor)性能，借此傳感器存儲 并且可操作以傳送包含關(guān)于傳感器及其特性的信息的數(shù)據(jù)。智能數(shù)字傳感器還可傳送機(jī)器 和/或連接到該機(jī)器或與機(jī)器相關(guān)聯(lián)的設(shè)備的健康狀況和/或完整性。另外，智能數(shù)字傳 感器可能能夠例如通過監(jiān)視和/或傳送命令來支持連接到機(jī)器102的各種類型的現(xiàn)場設(shè) 備209。而且，智能數(shù)字傳感器能夠從其它傳感器(例如其它智能數(shù)字傳感器)接收數(shù)據(jù)， 并且在其自身內(nèi)處理該獲得的數(shù)據(jù)。例如，第一傳感器202a可從第二傳感器202b獲得數(shù) 據(jù)并且隨后分析該數(shù)據(jù)。在另一實施例中，第一傳感器對202a-b可從一個或多個其它傳感 器對202c-d、202e-f和/或202g_h獲得數(shù)據(jù)。在又一實施例中， 一個或多個傳感器可將局 部控制指令直接傳送給連接到機(jī)器102的現(xiàn)場設(shè)備209，例如可操作以改變機(jī)器的運(yùn)行的 致動器、閥或其它機(jī)械的、機(jī)電的、或電子控制機(jī)構(gòu)。在一個示例性實施例中，第一傳感器 202a可包括可編程邏輯器件("PLD")。可編程邏輯器件的示例可以是現(xiàn)場可編程門陣列 ("FPGA")、專用集成電路("ASIC")、微處理器、數(shù)字信號處理器("DSP")或者復(fù)雜可編 程邏輯器件("CPLD")。 FPGA是一種能夠被編程以執(zhí)行不同任務(wù)的邏輯芯片，而ASIC是 被設(shè)計用于特定應(yīng)用的芯片。微處理器可將中央處理單元("CPU")的所有功能都合并在 單個集成電路("IC")上。DSP可以是為數(shù)字信號處理而專門設(shè)計的專用微處理器。CPLD 包含其輸入和輸出被連接在一起的多個PLD塊。 再次參照圖2，第一傳感器202a和第二傳感器202b可操作來生成基于各種機(jī)器 102狀況的傳感器數(shù)據(jù)。該感測的數(shù)據(jù)可能是機(jī)器102狀況的指示。在下文中，"感測的數(shù) 據(jù)"可互換地被稱為"機(jī)器狀況的指示"。機(jī)器102狀況可以基于機(jī)器102的各種物理行為， 諸如但不限于，振動、溫度、壓力、位置、加速度、流量、密度、水平(level)和材料成分。在一 個示例性實施例中，傳感器202a-h可感測機(jī)器102的高速旋轉(zhuǎn)元件的振動。然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識 到，可以使用各種傳感器來感測不同的機(jī)器行為?？墒褂玫牟煌N類的傳感器是但不限于 振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、加速計、流量傳感器、水平傳感器、密度 傳感器、或者材料成分傳感器。 在本發(fā)明的一個實施例中，傳感器202a-h從機(jī)器102的高速旋轉(zhuǎn)元件感測機(jī)器狀 況和/或感測電功率特征，諸如相電流或相電壓。例如，為了感測機(jī)器102的高速旋轉(zhuǎn)元件 的振動變化，可將第一傳感器202a和第二傳感器202b相互正交(90度)地放置在垂直于 機(jī)器102的中心線的平面中。然而，在本發(fā)明的另一示例性實施例中，可將第一傳感器202a 和第二傳感器202b以不同于90度的角度定位在垂直于機(jī)器102的中心線的平面中?？蓱?yīng) 用已知的校準(zhǔn)技術(shù)來說明相對于機(jī)器的各種傳感器位置。 另外，傳感器202a-h經(jīng)由通信干線206相互耦合。在一個示例性實施例中，通信干線206可以是用于鏈接獨(dú)立的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字的、雙向的、多點(diǎn)、串行總線通信網(wǎng)絡(luò)，所述獨(dú)立的現(xiàn)場設(shè)備諸如控制器、換能器(transducer)、致動器(actuator)和傳感器。通信干線206的雙向性能支持感測數(shù)據(jù)在傳感器202a-h之間的同時通信。另外，通信干線206提供感測數(shù)據(jù)的高速和時間關(guān)鍵(time-critical)的傳輸。 在一個示例性實施例中，通信干線206可基于"基金會現(xiàn)場總線(FOUNDATIONFieldbus)"標(biāo)準(zhǔn)。"基金會現(xiàn)場總線"標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可用作例如車間或工廠自動化環(huán)境中的基層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字、串行、雙向通信系統(tǒng)。在本發(fā)明的另一示例性實施例中，通信干線206可基于過程現(xiàn)場總線("PR0FIBUS")標(biāo)準(zhǔn)。"PROFIBUS"是用于自動化技術(shù)中的現(xiàn)場總線通信的標(biāo)準(zhǔn)?？墒褂?PROFIBUS"標(biāo)準(zhǔn)的變型來經(jīng)由生產(chǎn)技術(shù)中的集中式控制器操作傳感器和致動器，并且經(jīng)由過程工程中的過程控制系統(tǒng)來監(jiān)視測量裝置。另外，"基金會現(xiàn)場總線"和"PROFIBUS"標(biāo)準(zhǔn)兩者都基于開放式系統(tǒng)互連("0SI")網(wǎng)絡(luò)通信模型。"OSI"模型是用于網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)的邏輯框架。"OSI"模型是對于分層通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的抽象描述。"OSI"模型——如一般所描述的——可將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分成多層、例如七層，這七層從上到下可以是應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。與傳感器202a-h一起使用的這些或類似標(biāo)準(zhǔn)以及類似自動化通信技術(shù)(諸如設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)或任何其它的智能數(shù)字架構(gòu))的實施提供了在傳感器上和在傳感器之間感測、處理、分析和/或傳送數(shù)據(jù)的能力，如在此所描述的那樣。 另外，在一個示例性實施例中，當(dāng)傳感器202a_h已經(jīng)生成了感測數(shù)據(jù)時，傳感器202a-h中的至少一個傳感器(例如第一傳感器202a或者第一和第二傳感器202a_b)可從一個或多個其它傳感器202b-h聚集數(shù)據(jù)。第一傳感器202a可通過通信干線206接收數(shù)據(jù)。
在一個示例性實施例中，如果第一傳感器202a從任何聚集的感測數(shù)據(jù)中感測到振動變化超過閾值水平，則第一處理器204a將通過通信干線206將該變化傳送給主機(jī)系統(tǒng)208。在一個示例性實施例中，主機(jī)系統(tǒng)208可以是為機(jī)器102的操作員提供關(guān)于機(jī)器102的健康狀況和故障的咨詢信息的管理或咨詢系統(tǒng)。例如，主機(jī)系統(tǒng)108可顯示或以其它方式將信息發(fā)送給系統(tǒng)的操作員、另一管理或咨詢系統(tǒng)；將狀況記錄在機(jī)器日志中以用于隨后的分析和報告等等。在另一示例性實施例中，主機(jī)系統(tǒng)208可以是主機(jī)控制器，其可操作來改變機(jī)器102的運(yùn)行行為，諸如防止機(jī)器102由于振動變化超過閾值水平而遭受任何種類的損害或者以其它方式將任何種類損害的發(fā)生最小化。主機(jī)控制器可執(zhí)行不同的控制動作來防止機(jī)器102遭受任何種類的損害或故障或者以其它方式將任何種類的損害或故障的發(fā)生最小化。不同的控制動作可包括，但不限于，調(diào)節(jié)對機(jī)器102的控制、生成音頻的或視覺的警報或警告或通知、將感測數(shù)據(jù)或其它控制信號發(fā)送給或傳送給輔助機(jī)器或任何其它的控制系統(tǒng)。另外，調(diào)節(jié)對機(jī)器102的控制可包括，但不限于，命令停止或斷開(trip)機(jī)器102、命令減小機(jī)器102的負(fù)荷、命令減小機(jī)器的速度、以及命令將通信發(fā)送給輔助機(jī)器或任何其它的控制系統(tǒng)。如在此所使用的，可互換地使用術(shù)語"主機(jī)系統(tǒng)"和"主機(jī)控制器"。
在另一示例性實施例中，例如代替將命令傳送給主機(jī)控制器或主機(jī)系統(tǒng)208或除了將命令傳送給主機(jī)控制器或主機(jī)系統(tǒng)208之外，第一處理器204a可將控制動作直接傳送給現(xiàn)場裝置209以用于局部地控制機(jī)器102。然而在一個示例性實施例中，第一傳感器202a可將變化兼?zhèn)魉徒o主機(jī)系統(tǒng)208和現(xiàn)場設(shè)備209?，F(xiàn)場設(shè)備209可以是任何局部控制設(shè)備，諸如任何的可操作來調(diào)節(jié)或以其它方式改變機(jī)器運(yùn)行的任何方面的機(jī)械的、電的或機(jī)電的設(shè)備。充當(dāng)局部控制設(shè)備的示例性現(xiàn)場設(shè)備209可以是，但不限于，閥控致動器、入口導(dǎo)流葉片致動器、空氣調(diào)節(jié)孔致動器、旁通閥致動器、燃料控制致動器、燃料溫度致動器、潤滑油致動器、產(chǎn)品流致動器、或產(chǎn)品流溫度控制件。例如，響應(yīng)于由傳感器202a-h所感測的測量， 一個或多個處理器204a-h可確定一個或多個響應(yīng)于或影響機(jī)器參數(shù)的控制動作，所述機(jī)器參數(shù)諸如是，但不限于，例如燃料流量、溫度、軸承溫度、軸承振動和/或產(chǎn)品入口 /出口溫度。然后，現(xiàn)場設(shè)備209可局部地控制機(jī)器102。 再次參照圖2， 一個或多個處理器204a-h可包括可數(shù)字地配置的算法以分析感測的數(shù)據(jù)。在一個示例性實施例中，可將可數(shù)字地配置的算法下載到處理器諸如第一處理器204a的存儲器中。在另一示例性實施例中，可將可數(shù)字地配置的算法嵌入到可編程邏輯器件的存儲器中。處理器204a-h可利用可數(shù)字地配置的算法來分析感測的數(shù)據(jù)并因此確定在機(jī)器102中發(fā)生的故障或其它行為，其中所述感測的數(shù)據(jù)可選地包括來自其它傳感器的聚集數(shù)據(jù)。在示例性實施例中，可例如通過頻域分析、時域分析或濾波頻率分析來分析感測的數(shù)據(jù)。可使用快速傅立葉變換("FFT")來執(zhí)行頻域分析。FFT將由智能數(shù)字傳感器所感測的信號的時域表示轉(zhuǎn)換成頻域表示。時域分析可包括分析振動波形、旋轉(zhuǎn)元件的軌道形狀、感測數(shù)據(jù)中的DC偏移、旋轉(zhuǎn)元件的位置、絕對相角、同步和/或非同步分析。濾波頻率分析可包括基于頻率濾波器對部分感測數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和分析。對感測的數(shù)據(jù)使用這些或任何其它分析方法中的至少之一，第一處理器204a-h可以能夠確定在機(jī)器102中發(fā)生的不同類型的故障或其它狀況。示例故障類型可能是，但不限于，機(jī)器失衡、機(jī)器位移、機(jī)器軸承損壞、機(jī)器軸承不穩(wěn)定、機(jī)器推力軸承損壞、機(jī)器摩擦、軸失衡、軸破裂、機(jī)器安置異常、以及流體引發(fā)的不穩(wěn)定。另外，處理器204a-h可將所確定的故障傳送給主機(jī)系統(tǒng)208。
另外，在本發(fā)明的一個實施例中，一個或多個處理器204a-h可生成感測數(shù)據(jù)的特征。感測數(shù)據(jù)的特征可包括，但不限于，機(jī)器的軌道形狀、機(jī)器的全譜、機(jī)器的濾波譜、轉(zhuǎn)子位置、進(jìn)動(precessional)方向、相角、或濾波頻率振動幅度。隨后，處理器204a_h可經(jīng)由通信干線206將感測數(shù)據(jù)特征傳送給主機(jī)系統(tǒng)208。 再次參照圖2，在一個示例性實施例中，第二傳感器202b和第一傳感器202a都是智能數(shù)字傳感器。因為第一處理器204a和第二處理器204b都對其各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所以可將系統(tǒng)200可操作地實施為冗余系統(tǒng)和/或分布式系統(tǒng)。在冗余或分布式系統(tǒng)中，第一處理器204a和第二處理器204b都能夠感測和分析其自身的數(shù)據(jù)以及通過通信干線206從其它傳感器202a-h收集的數(shù)據(jù)。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在系統(tǒng)200中可存在多個智能數(shù)字傳感器(如第一傳感器202a和第二傳感器202b)，諸如傳感器202c_h，并且該多個智能數(shù)字傳感器可分析彼此的數(shù)據(jù)以提供感測任務(wù)的附加冗余和/或分布。 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于監(jiān)視機(jī)器的方法300的一個示例的流程圖。所提供的是示出由傳感器監(jiān)視機(jī)器的健康狀況的示例的流程圖。 該示例性方法起始于方框302。在方框302，多個傳感器被安裝在機(jī)器的高速旋轉(zhuǎn)元件的附近。每個傳感器都被提供以處理器，該處理器包括指令以感測機(jī)器狀況。顯然，能夠使用各種傳感器來感測各種機(jī)器狀況?？墒褂玫氖纠詡鞲衅骼缡?，但不限于，振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、加速計、流量傳感器、水平傳感器、密度傳感器、材料成分傳感器、或電功率特征傳感器。另外，在一個示例性實施例中，傳感器可被成對安裝在高速旋轉(zhuǎn)元件的附近。在一個示例性方法中，傳感器對中的第一傳感器和第二傳感器被相互正交(90度)地放置在垂直于機(jī)器中心線的平面中。在另一示例性方法中，第一傳感器和第二傳感器可被以不同于90度的角度定位在垂直于機(jī)器102中心線的平面中。
在方框302之后的是方框304，在方框304中提供了通信干線。通信干線與在機(jī)器處安裝的傳感器通信。通信干線與每個傳感器耦合，并且可操作來在傳感器之間傳送感測的數(shù)據(jù)。 在方框304之后的是方框306，在方框306中一個或多個安裝在機(jī)器上的傳感器感測機(jī)器狀況。機(jī)器狀況基于各種物理的機(jī)器行為和狀況，諸如但不限于，機(jī)器的振動、溫度、壓力、位置、加速度、流量、密度、水平、機(jī)器吞吐量(throughput)的材料成分、和/或電功率特征，諸如相電流或相電壓。 在方框306之后的是方框308，在方框308中每個傳感器都生成與機(jī)器狀況相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)。每個傳感器都感測物理的機(jī)器行為和與機(jī)器相關(guān)聯(lián)的狀況的變化，并且對應(yīng)于該變化，每個傳感器都生成形成感測數(shù)據(jù)的電信號。 在方框308之后的是方框310，在方框310中傳感器之一中的第一處理器執(zhí)行一組指令以分析由在機(jī)器處安裝的每個傳感器所生成的感測數(shù)據(jù)。這些指令可具有可被嵌入或下載到處理器的存儲器中的數(shù)字可配置的算法的形式。在一個示例性方法中，第一處理器首先通過通信干線從所有傳感器聚集感測的數(shù)據(jù)。在從所有傳感器聚集數(shù)據(jù)之后，第一處理器諸如通過例如頻域分析、時域分析和/或濾波頻率分量分析，來分析數(shù)據(jù)?？墒褂肍FT來執(zhí)行頻域分析。FFT將由智能數(shù)字傳感器所感測的數(shù)據(jù)的時域表示轉(zhuǎn)換成頻域表示。時域分析可包括分析振動波形、旋轉(zhuǎn)元件的軌道形狀、感測數(shù)據(jù)中的DC偏移、旋轉(zhuǎn)元件的位置、絕對相角、和/或同步和非同步分析。濾波頻率分析可包括基于頻率濾波器對部分感測數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和分析。 在示例性方法實施例的一個方面中，第二傳感器和第一傳感器是智能數(shù)字傳感器。因此，第一處理器和包括在第二傳感器中的第二處理器都分析其各自的數(shù)據(jù)，這提供了一種使用冗余系統(tǒng)和/或分布式系統(tǒng)分析機(jī)器狀況的方法。在這種情況下，第一處理器和第二處理器都感測和分析其自身的數(shù)據(jù)以及通過通信干線從其它傳感器收集到的數(shù)據(jù)。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員要明白，可存在多個智能數(shù)字傳感器并且該多個智能數(shù)字傳感器可分析彼此的數(shù)據(jù)。 在方框310之后的是方框312，在方框312中第一處理器執(zhí)行一組指令以生成感測數(shù)據(jù)的特征。感測數(shù)據(jù)的特征可包括，但不限于，機(jī)器的軌道形狀、機(jī)器的全譜、機(jī)器的濾波譜、轉(zhuǎn)子位置、進(jìn)動方向、相角、和/或濾波頻率振動幅度。 在方框312之后的是方框314，在方框314中第一處理器執(zhí)行一組指令以確定機(jī)器中的故障。可被確定的各種故障可以是，但不限于，例如機(jī)器失衡、機(jī)器位移、機(jī)器軸承損壞、機(jī)器軸承不穩(wěn)定、機(jī)器推力軸承損壞、機(jī)器摩擦、軸失衡、軸破裂、機(jī)器安置異常、流體引發(fā)的不穩(wěn)定、以及特定的電機(jī)故障(諸如氣隙漂移、變短的轉(zhuǎn)子棒、松動的轉(zhuǎn)子棒、軸向浮動/磁中心漂移、或定相異常)。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，根據(jù)所感測到的機(jī)器類型和/或機(jī)器特征與行為，故障類型將不相同。 在方框314之后的是方框316，在方框316中機(jī)器故障被可選地傳送給主機(jī)系統(tǒng)或主機(jī)控制器，以促使主機(jī)系統(tǒng)采取控制動作。故障被通過通信干線傳送給主機(jī)系統(tǒng)。在示例性方法中，主機(jī)系統(tǒng)是向機(jī)器的操作員提供關(guān)于機(jī)器的故障的咨詢信息的管理或咨詢系
9
在方框316之后的是方框318，在方框318中處理器可選地將控制動作傳送給現(xiàn)場設(shè)備以用于局部地控制機(jī)器運(yùn)行的任何方面(一個或多個)。在一個示例中，處理器可通過通信干線將一個或多個控制動作傳送給現(xiàn)場設(shè)備。在一個實施例中，在控制機(jī)器運(yùn)行的一個或多個方面之前，在現(xiàn)場設(shè)備級無需任何附加的分析。 在示例性方法實施例的另一方面中，主機(jī)系統(tǒng)是主機(jī)控制器，其可操作來生成控制動作以用于控制機(jī)器的運(yùn)行，諸如可操作來防止機(jī)器由于物理狀況的變化超過閾值水平而導(dǎo)致任何種類的故障。主機(jī)系統(tǒng)或控制器可生成各種類型的控制動作，諸如但不限于，調(diào)節(jié)對機(jī)器的控制、生成音頻的或視覺的警報或警告通知、或?qū)⒏袦y的數(shù)據(jù)和/或其它控制信號發(fā)送或傳送給輔助機(jī)器或任何其它的控制系統(tǒng)。 上面參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法和系統(tǒng)的方框圖和示意性圖解描述了本發(fā)明的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，圖的每個方框以及圖中方框的組合能夠由程序指令或邏輯來實施。這些指令可被裝載到一個或多個通用處理器或其它的可編程數(shù)據(jù)處理裝置(諸如通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī))上以產(chǎn)生機(jī)器，以使在計算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行的指令創(chuàng)建用于實施一個或多個方框中指定的功能的裝置。還可將該指令存儲在能夠引導(dǎo)可編程數(shù)據(jù)處理裝置以特定方式工作的處理器可讀存儲器中，以使存儲在該處理器可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括實施一個或多個方框中指定的功能的指令裝置的制品。 雖然已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為是最實際和最多種的實施例來描述本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，不應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明限于所公開的實施例，而是相反地，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的各種修改和等價設(shè)置。 該書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使得本領(lǐng)域內(nèi)的任何技術(shù)人員都能夠?qū)嵺`本發(fā)明、包括制作和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的可專利范圍在權(quán)利要求中加以限定，并且可包括被本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有與權(quán)利要求的字面語言沒有不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果這些其它示例包括與權(quán)利要求的字面語言沒有實質(zhì)區(qū)別的等價結(jié)構(gòu)要素，則這些其它示例被確定為在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。部件列表100現(xiàn)有系統(tǒng)102機(jī)器104a-h傳感器104a第一傳感器104b第二傳感器106監(jiān)視臺108傳輸媒介iio分析模塊112通信鏈路200用于監(jiān)視機(jī)器的系統(tǒng)202a-h傳感器202a第一傳感器
10
204a-h處理器204a第一處理器204b第二處理器206通信干線208主機(jī)系統(tǒng)209現(xiàn)場設(shè)備300用于監(jiān)視機(jī)器的方法302方框304方框306方框308方框310方框312方框314方框316方框318方框
權(quán)利要求
一種用于監(jiān)視機(jī)器(102)的系統(tǒng)(200)，包括包括第一處理器(204a)的第一傳感器(202a)；包括第二處理器(204b)的第二傳感器(202b)；以及至少一個通信干線(206)，其與第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b)通信并且可操作以在第一處理器(204a)和第二處理器(204b)的每一個之間傳送傳感器數(shù)據(jù)；其中第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b)可操作以生成與至少一個機(jī)器狀況相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)；并且其中第一處理器(204a)和第二處理器(204b)中的至少一個可操作以分析由第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b)中的每一個所生成的傳感器數(shù)據(jù)；并且至少部分基于所述傳感器數(shù)據(jù)來確定至少一個機(jī)器故障。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(200)，其中第一處理器(204a)和第二處理器(204b) 中的至少一個進(jìn)一步可操作以生成由第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b)中的每一個 所生成的傳感器數(shù)據(jù)的特征。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(200)，其中所述特征包括下列中的至少一個機(jī)器軌道 形狀、機(jī)器全譜、機(jī)器濾波譜、或轉(zhuǎn)子位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(200)，其中所述至少一個機(jī)器故障包括下列中的至少 一個機(jī)器失衡、機(jī)器位移、機(jī)器軸承損壞、機(jī)器軸承不穩(wěn)定、機(jī)器推力軸承損壞、機(jī)器摩擦、 軸失衡、軸破裂、機(jī)器安置異常、或流體引發(fā)的不穩(wěn)定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(200)，其中機(jī)器(102)包括旋轉(zhuǎn)機(jī)器，并且其中第一傳 感器(202a)和第二傳感器(202b)包括一對相對于彼此位于不同平面中的振動傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(200)，其中第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b) 每個都包括智能數(shù)字傳感器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(200)，其中第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b)中 的至少一個包括振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位置傳感器、加速計、流量傳感器、 水平傳感器、密度傳感器、或材料成分傳感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(200)，其中第一處理器(204a)和第二處理器(204b) 中的至少一個進(jìn)一步可操作以對由第一傳感器(202a)和第二傳感器(202b)中的每一個所 生成的傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行頻域分析、時域分析、或濾波頻率分析中的至少一個。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(200)，其中第一處理器(204a)和第二處理器(204b) 中的至少一個進(jìn)一步可操作以將所述至少一個機(jī)器故障傳送給主機(jī)系統(tǒng)(208)或主機(jī)控 制器中的至少一個。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)(200)，其中主機(jī)系統(tǒng)(208)或主機(jī)控制器可操作以至 少部分基于所述至少一個機(jī)器故障來促使至少一個控制動作。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于傳感器級機(jī)器監(jiān)視的系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)可包括包含第一處理器的第一傳感器和包含第二處理器的第二傳感器。系統(tǒng)可進(jìn)一步包括通信干線，所述通信干線與第一傳感器和第二傳感器通信并且可操作以在第一處理器和第二處理器的每一個之間傳送傳感器數(shù)據(jù)。第一傳感器和第二傳感器可操作以生成與至少一個機(jī)器狀況相關(guān)聯(lián)的傳感器數(shù)據(jù)。另外，第一處理器或第二處理器中的至少一個可操作以分析由第一傳感器和第二傳感器中的每一個所生成的傳感器數(shù)據(jù)，并且至少部分基于所述傳感器數(shù)據(jù)來確定至少一個機(jī)器故障。
文檔編號G01M99/00GK101713673SQ200910179028
公開日2010年5月26日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者M·S·湯普金斯, R·H·霍爾 申請人:通用電氣公司