专利名称：用于基于条件的维护的数据获取系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于获取用于基于条件的维护的数据的系统和方法。
背景技术：
机器和/或设备的可用寿命可以通过执行预防性维护来延长。在某些情况下，预 防性维护可以按一组计划表来执行，例如，针对机器和/或设备的部件经过的时间和/或工作小时。这样一组计划表可以导致某些部件在其必须被更换之前被更换。计划性维护中的延迟可以导致根据故障模式可能是灾难性的设备故障。为了预见组件和/或机器的故障，希望可以监测与该机器和/或组件有关的一个或多个条件。基于该监测，可以更有效地执行维护，例如，以避免更换完好的组件和/或在故障之前更换组件。在某些情况下(例如，风力场(wind farm))，该机器(例如，风轮机)可能暴露于恶劣的环境条件，例如，雨、雪和/或极端温度。位于该机器上或在其附近的监测装置可同样暴露于恶劣的环境条件。尽管可能存在被设计成经得住这种条件的电气和/或电子硬件，但这种硬件可能增加显著成本。由此，希望可以提供一种相对低成本且鲁棒的设备监测系统。
结合附图，通过阅读下面的详细描述，将更好地理解这些和其它特征以及优点，其中图IA是与本公开一致的、可以受益于基于条件的维护的示例性风力场的草图；图IB是图IA的风力场的风轮机塔总成(assembly)的草图；图IC是图IB的风轮机塔总成的风轮机的示例；图2是与本公开一致的示例性工业监测系统的功能框图；图3是与本公开一致的示例性本地数据集中器(LDC)的框图；图4A是与本公开一致的示例性接口模块的功能框图；图4B是与本公开一致的另一示例性接口模块的功能框图；图5是与本公开一致的、用于利用传感器模块进行数据获取的示例性流程图；图6示出了与本公开一致的LDC前缀的格式；图7示出了与本公开一致的用于传感器模块设备接口的命令集；图8示出了与本公开一致的源自LDC的响应的结构；图9示出了与本公开一致的源自传感器模块的响应的结构；图IOA到IOC是与本公开一致的示例性流程图11是例示与本公开一致的确定性分析的示例性流程图；图12是例示与本公开一致的包括TSA的轴分析的图形流程图；图13是例示与本公开一致的齿轮故障过程的流程图；图14是与本公开一致的轴承包络分析的例子；图15是与本公开一致的、针对旋转机器示例的健康指示符的实际值和估算值的标绘图；图16是与本公开一致的图15的旋转机器示例的实际和预报剩余可用寿命的标绘
图17是与本公开一致的图15的旋转机器示例的预报剩余可用寿命的第一导数的标绘图；图18是与本公开一致的针对图15的旋转机器示例的向用户显示的数据的标绘图；图19是与本公开一致的针对另一旋转机器示例的向用户显示的数据的标绘图；图20是与本公开一致的针对又一旋转机器示例的、加亮维护用时间的向用户显示的数据的标绘图。
具体实施例方式—般来说,与本公开一致的系统和方法可以提供一种相对低成本、相对鲁棒的、用于基于条件的维护的数据获取和分析系统。该系统可以用于工业应用(例如，设备和/或机械的工业应用)中的基于条件的维护。该工业监测系统例如可以被用于监测旋转机械(例如，风轮机)的条件。可以利用该工业监测系统进行监测的机器和/或设备的其它示例包括但不限于与地面车辆、轮船和/或飞机(例如，直升飞机)相关联的燃气轮机和/或变速箱。该系统可用于一般化的工业监测。该系统和方法可以包括可用于预见用于维护、修理和/或更换一个或多个组件的需要的数据分析。可以检测与组件的条件相关联的一个或多个参数。至少部分基于所感测的参数，可以确定该组件的条件。例如，利用振动和/或使用率数据，可以确定组件(例如，轴、齿轮和/或轴承)的条件。基于该组件的条件，接着可以确定剩余可用寿命(“RUL”)。可以将统计数据和/或物理限制用于确定当前设备状态。该剩余可用寿命可以例如利用故障模型和/或使用率和/或统计数据的物理学来确定。图IA是与本公开一致的、可以受益于基于条件的维护的示例性风力场100的草图。该风力场100包括许多安装有风轮机的塔(例如，风轮机塔总成105)，其被配置成将风能转换成电能。图IB是该风轮机塔总成105的草图。该风轮机塔总成105包括塔107和安装在塔107上的风轮机110。可以将与本公开一致的数据获取子系统115安装在风轮机110和/或塔107中和/或之上。再次转至图1A，该数据获取系统115可以例如经由网络140耦接至远程服务器145。该服务器145可以容纳在受控环境中，并且用户可以访问以监测风轮机105的条件，如在此所述的。图IC是风轮机(例如，风轮机110)的示例。每个风轮机110包括转子120、变速箱130以及发电机135。转子120经由变速箱130耦接至发电机135。转子120包括耦接至轮轴124的多个叶片122，该轮轴耦接至主轴126。主轴126可以穿过轴承(例如，主轴承128)并且耦接至变速箱130。变速箱130可以包括多个齿轮和关联轴承。变速箱130可以经由耦接器132耦接至发电机135。风力场可以位于经常刮风的偏远地区，例如，在山顶和/或丘陵上或附近，和/或在海洋和/或其它水体中。除了执行维护和/或修理的成本以外，与接近风轮机以便维护和/或修理相关联的成本可能是显著的。允许组件(例如，齿轮、轴和/或轴承)故障可能导致对风轮机的灾难性损坏和用于修理的相对更大成本。因此，希望可以预见对于维护和/或修理的需要，以便为成本做计划和/或防止灾难性的故障。“提早”(即，在良好的时候)更换组件可能不必要地贡献维护风力场的成本。因此，希望可以预测组件的剩余可用寿命，以使得可以在该组件不再良好时但在灾难性故障之前安排更换。这种预测可以至少部分地基于检测何时该组件不再良好但尚未损坏。示例性系统架构图2是与本公开一致的示例性工业监测系统200的功能框图。该系统200可以包
括耦接至基站(例如，服务器215)的一个或多个数据获取子系统205a.....205n (总称为子
系统205)。该子系统205a、...、205n可以经由网络215 (可以包括有线和/或无线链路)耦接至服务器215。例如，网络215可以利用以太网协议。该以太网协议可以遵守由电气和电子工程师协会(IEEE)在2002年3月公布的、标题为“IEEE802. 3 Standard”的以太网标准和/或该标准的更新版本，或与其兼容。服务器215可以位于与设备点(例如，在受控环境中)相距一定距离处。每个数据获取子系统205a、...、205n可以与相应机器(例如，设备202a、…、202n)相关联，并且可以位于设备点处，相对靠近被监测设备(即，设备202a、…、202n)。被监测设备可以包括但不限于，与地面车辆(例如，卡车和/或火车)、轮船、飞机和/或一般工业设备相关联的燃气轮机、变速箱。例如，风力场100中的每个风轮机105可以具有关联数据获取子系统205a、…、或205n (对应于图IB的数据获取子系统115)。每个子系统205a、…、205n接着可以位于相应塔的、支承相应风轮机的顶部处或附近，和/或风轮机本身中和/或之上。因此，子系统205a、…、205n可以被配置用于在潜在严峻环境中操作。服务器215可以包括用户接口 250、处理器252、存储器254和/或存储部256。服务器215被配置成通过网络210与数据获取子系统205a、-,205n通信。服务器215可以被配置成向子系统205a、…、205n提供用户接入。例如，服务器215可以被配置成利用用户接口 250来显示与被监测设备和/或机器的状况有关的数据和/或信息。服务器215可以被配置成提供如在此描述的对剩余可用寿命的估算。用户接口 250可以包括被配置成辅助访问数据和/或信息的图形用户接口(⑶I)。GUI可以被配置成向用户提供所获取数据和/或分析结果的图形例示。存储器254可以被配置成存储被配置用于获取、分析和/或显示传感器和/或机器和/或设备状况数据的应用程序250，并且处理器252可以被配置成运行该应用程序250。存储器254和/或存储部256可以被配置成存储配置数据、传感器数据和/或机器和/或设备相关数据，如在此所述。例如，该用户接口可以允许用户查看由所列出的数据获取子系统205a(例如，在设备点处)监测的设备的状况，查看被监测设备和/或数据获取子系统的健康/状况，使由数据获取子系统监测的单个组件交互并对其进行查看，以及命令/更新站点的状况。例如，数据获取子系统可以安装在风轮机上，被配置成监测该风轮机的健康。用户接口 250可以显示风轮机上被监测的单个组件的总体健康和/或状况。可以利用配置数据260来映射针对被监测风轮机的命令、数据以及响应。每个数据获取子系统205a、-,205n可以包括通过总线225耦接至本地数据集中器(“LDC”)230的一个或多个传感器模块220a、. . . ,220m (总称为传感器模块220)。总线225可以被配置成在传感器模块220a、…、220m与相关联的LDC 230之间提供串行通信。总线结构被配置成辅助可扩展性(scalability)，例如，向/从子系统添加和/或去除一个或多个传感器模块。例如，总线225可以被配置为菊链(daisy chain)。该总线结构还被配置成缩减LDC 230与传感器模块220a、…、220m之间的布线。例如，在菊链总线结构中，LDC 230可以通过该总线中的第一链路连接至第一传感器模块，例如，传感器模块220a。第一传感器模块可以通过该总线中的第二链路连接至第二传感器模块，例如，传感器模块220b，等等，直到最后一个传感器模块通过该总线中的最后一个链路连接至次最后一个传感器模块为止。该总线接着可以例如通过电阻器来端接，如在此所 述。因此，每个传感器模块可以包括用于连接至该总线中的至多两个链路的连接器。例如，总线225可以是4线总线或2线总线。该4线总线可以包括用于在每个传感器模块220a、…、220m与相关联的LDC 230之间通信的两条线，和用于从LDC 230向传感器模块220a、…、220m提供电力和/或接地的两条线。该两线总线可以被配置成用于电力传输数据(通信)，即，可以利用两条线在每个传感器模块220a、…、220m与相关联的LDC230之间提供通信，并且从LDC 230向传感器模块220a、…、220m提供电力和/或接地。例如，为了通信，这两条线可以按半双工模式根据RS-485来配置。RS-485(还已知为EIA-485或TIA/EIA-485)是由ANSI电信工业协会/电子工业联盟公布的一种标准，其定义用于通过网络进行数字通信的驱动器和接收器的电特性。物理介质可以是被配置为双绞线的两条线。该总线可以被配置为线性、多分支式(即，菊链)，并且可以通过横跨两条线的电阻器来端接(以缩减噪声灵敏度和缩减来自导线端部的可能破坏数据的反射)。例如，对于两线总线来说，数据可以利用曼彻斯特(Manchester)编码(还已知为相位编码)来传送。在曼彻斯特编码中，每个数据比特具有两种转变，并且占用一个时段，例如，一个时钟周期。例如，对于高或I比特来说，该转变可以从+1.65伏特至-I. 65伏特，而对于低或0比特来说，该转变可以从-I. 65伏特至+1. 65伏特。根据数据比特的转变在该时钟周期的中点发生。转变可以在时钟周期的起点发生，以便针对中周期转变将数据信号设置为合适状态。例如，时钟速率可以是7. 2兆赫兹(MHz)而比特率可以是每秒3. 6兆比特(Mbps)。曼彻斯特编码信号具有辅助电力传输数据双线配置的零DC分量。因此，该通信(数据)信号可以按电容方式或感应方式耦合。可使用滤波器来分离通信信号与DC电源电压。例如，该滤波器可以是具有2MHz通带带宽的模拟三极切比雪夫(chebyshev)滤波器。如本领域技术人员应当明白，可使用其它滤波器来隔离数据信号与DC电力。在一些实施例中，LDC 230可以被配置成向每个相关联的传感器模块220a、...、220m提供范围在20V至30V的电压。例如，LDC 230可以被配置成如果该设备处于车辆中，则向传感器模块220a、. . .、220m提供28Vdc。换句话说，一些车辆(例如，卡车、飞机以及火车)可以包括具有28Vdc的标称电压的电池。在另一示例中，LDC 230可以被配置成，如果该设备未处于车辆中或车辆上，则向传感器模块220a、…、220m提供24Vdc。在这个示例中，该24Vdc可以从被配置成向工业设备供电的一个或多个电源获得。图3是示例性LDC 230的框图。LDC 230被配置成经由总线225耦接至每个传感器模块220a、...、220m。LDC 230被配置成接收供应电压Vs并经由总线225将该供应电压提供给传感器模块220a、...、220m。LDC 230可以包括控制器305、存储器307、收发器Tx/Rx 310、高通滤波器(HPF)电路315、低通滤波器(LPF)电路320和/或DC/DC转换器325。控制器305可以被配置成接收来自网络210的通信(例如，命令和/或数据)和来自总线225的数据。存储器307可以被配置成存储模块输出数据、配置数据和/或应用。该收发器Tx/Rx 310被配置成解码和/或解调制从总线225 (例如，从传感器模块220a、. . .、220m)接收到的编码数据(例如，RS-485协议)，并将所解码/解调制的数据提供给控制器310。该收发器Tx/Rx 310还被配置成接收来自控制器305的数据和/或命令，例如利用曼彻斯特编码来编码和/或调制数据和/或命令，以及将所编码的数据和/或命令传送到总线225上，例 如，用于向传感器模块220a、…、220m中的一个或多个传送。HPF电路315和/或LPF电路320被配置成分离2线总线系统上的供应电压Vs与编码(encoded)和/或编译(coded)的数据和/或命令。例如，HPF电路315可以包括电容器，该电容器被配置成阻止dc电压(例如，Vs)抵达收发器Tx/Rx 310，而使编码数据和/或命令通过。例如，LPF电路320可以包括电感器，该电感器被配置成使供应电压Vs通过，而阻止编译的数据和/或命令(即，高频)抵达Vs的源。DC/DC转换器325被配置成将所接收的供应电压Vs (例如，24伏特或28伏特)转换成用于控制器305的合适的输入电压(例如，3. 3伏特或5伏特)。每个传感器模块220a、. . .、220m可以包括相应的传感器235a、. . .、235m，其耦接至相应的接口模块240a、...、240m。每个传感器模块220a、...、220m被配置成安装在被监测的相应组件(例如轴、轴承和/或齿轮)上或附近。根据被监测设备，传感器模块220a、…、220m中的一个或多个可能暴露于相对严峻的环境条件。因此，希望可以封装每个传感器模块220a、…、220m，以保护传感器235和接口模块240，同时允许传感器与该传感器被配置成检测的参数之间的良好耦合。具体来说，该封装应当被配置成保护传感器235和/或接口模块240不受静电放电和/或环境条件的影响，并且散热。该封装应当相对重量轻、相对廉价，以制造和/或允许多个安装选项。这种封装的一个示例是将传感器和/或接口模块密封在导热塑料中，如从 Cool Polymers, Inc. , North Kingstown, RI 可获的(:()0丨 J1O丨,Y轉导热液态聚合物。COOLPOLY 被配置成具有接近钢的热导率的热导率，与金属类似的抗拉强度，而重量(weighting)比钢的一半还少。而且，由COOLPOLY 制成的传感器模块外壳可以利用注模法来制造，从而导致比制造钢外壳更便宜的制造工序。每个传感器235a、…、235m被配置成检测与被监测的设备相关联的参数，并且提供作为与该参数相对应的输出传感器数据。传感器可以包括但不限于加速度计、转速计、压力传感器、温度传感器、用于检测油液磨粒(debris in oil)的传感器、用于检测油液粘度的传感器、应变传感器、声学传感器和/或本领域技术人员已知的其它传感器。加速度计被配置成测量物体的“固有加速度(proper acceleration)”,即，与自由落体相关的加速度。加速度计可以被用于检测组件的取向、加速度、振动、冲击和/或降落。加速度计可以被用作结构载荷传感器。例如，被用作结构载荷传感器的加速度计可以为相对低的频率，例如，0. 4kHz带宽，并且可以被配置成检测可以与结构损坏相关联的低频(例如，亚赫兹)的振动、模和/或谐振。加速度计技术可以包括基于压电的加速度计，和基于微机电系统(MEMS)的加速度计。例如，MEMS加速度计可以是从Analog Devices, Inc.，Norwood, MA可获得的ADXLOOIo ADXLOOI具有0至32kHz带宽并且显著比基于压电的加速度计更便宜。转速计可以被用于检测旋转组件(例如，轴、齿轮和/或轴承的部件)的转速。转速计技术包括基于光学传感器的、基于霍尔传感器的、基于发生器(例如，线圈传感器)的转速计以及本领域技术人员已知的其它转速计技术。转速计被配置成按与被监测的旋转组件的转速相对应(例如，成比例)的速率(例如，每转脉冲)提供输出。例如，对于风力场100来说，每个数据获取子系统115可以包括多个加速度计和一个转速计。转速计可以被配置成检测例如耦接器132的转速。可以将多个加速度计配置成检测例如轴126、主轴承128、变速箱130中的一个或多个齿轮，和/或耦接器132中的振动。接着可以分析所检测的振动数据以确定被监测的组件的条件，风轮机的条件和/或该组件和/或风轮机的剩余可用寿命，如在此所述。 每个接口模块240a、…、240m可以被配置成接收来自相关联的传感器235a、…、235m的传感器数据，并生成至少部分地基于所接收的传感器数据的模块输出数据。该模块输出数据接着可以表示被监测设备的条件。所接收的传感器数据可以是模拟数据。接口模块240a、…、240m可以被配置成将从相应传感器接收到的模拟传感器数据转换成对应数字数据。在一些实施例中，接口模块240a、…、240m可以被配置成分析该模拟和/或数字传感器数据。在这些实施例中，该模块输出数据可以对应于被监测的设备和/或组件的剩余可用寿命。图4A和图4B是与图2的接口模块240相对应的两个示例性接口模块的功能框图。接口模块240可以包括电路405、控制器410、收发器Tx/Rx 415、DC/DC转换器425和/或保护电路430。接口模块240可以对应于在此讨论的任何数据获取子系统中的任何接口模块。接口模块240可以被配置成接收来自LDC (例如，LDC 230)和/或服务器(例如，月艮务器215)的命令，获取和/或接收传感器数据(例如，来自传感器235)，生成至少部分地基于所接收的传感器数据的模块输出数据，以及通过总线(例如，总线225)向LDC 230发送该模块输出数据。例如，接口模块240可以包括用于耦接至总线225的端口。在第一示例(图4A)中，在4线总线系统中，如在此所述，接口模块240可以包括四个端口用于与LDC串行通信的两个端口，和用于接收来自LDC 230的电力的两个端口。在另一示例(图4B)中，在双线总线系统中，如在此所述，接口模块240可以包括两个端口 用于与LDC 230串行通信并且用于接收来自LDC 230的电力的两个端口。在这个示例中，接口模块240还可以包括HPF电路417和LPF电路419，其被配置成分离供电电压Vs与通信(即，数据和/或命令)，如在此关于LDC 230所述(图3)。接口模块240还可以包括用于耦接至传感器的端口。例如，接口模块240可以包括用于耦接至传感器的三个端口。例如，第一端口可以是公共接地，第二端口可以被配置用于向传感器提供供电电压和/或电流和/或接收所感测的电流，和/或第三端口可以被配置用于(利用公共地端口)感测电压，例如，可以是高阻抗输入。这些端口可以是例如经由二极管接地的浪涌电压保护端口。电路405被配置成接收来自相关联的传感器235的传感器数据，并提供至少部分地基于所接收的传感器数据的输出。例如，电路405可以包括模拟数字转换器(“ADC”)，其被配置成将模拟传感器数据转换成数字传感器数据，以供存储、分析和/或从接口模块240发送。例如，电路405可以包括在相关联的传感器是加速度计时的ADC，如在此所述。例如，ADC 可以是 Delta Sigma 模拟数字转换器，如从 Texas Instruments, Inc. , Dallas, TX 可获得的 Texas Instruments ADS 1241 或 ADS 1271。ADS 1241 是 24 比特、105kHz 模拟数字转换器。因为Delta Sigma设计，所以不需要信号调节(例如，防混叠滤波器)，允许利用多速率防混叠滤波器来改变ADC的采样率。ADC可以被命令以在希望时按低数据速率收集。不需要对该系统进行增益控制。使用16个最高有效比特，给出8个比特用于增益(例如，增益级 1、2、4、8、16、32、64、128 和 256)。在另一示例中，电路405可以包括比较器，该比较器被配置成检测所接收的传感器数据中的过零，例如，在相关联的传感器是转速计时。电路405接着可以被配置成提供在传感器输出超过阈值(例如，零)时改变状态(例如，低至高或者高至低)的www.输出。该比较器可以被配置成提供两种稳定状态的施密特(Schmitt)触发器，即，包括滞后。施密特触发器按其改变状态的输入可以取决于输出。电路405的输出可以是在传感器输出数据(即，转速计起跳(takeoff))中的过零处或其附近从低至高或者从高至低的转变的波形。该传 感器输出数据接着可以被用于确定旋转组件的转速(例如，每分钟转数RPM)，如在此所述。控制器410被配置成接收来自电路405的输出数据，该输出数据至少部分地基于该传感器数据。如果电路405包括ADC，例如，相关联的传感器是转速计，则数字化传感器数据可以从ADC提供给控制器410。控制器410可以被配置成命令ADC获取传感器数据，并接着可以在完成该获取时读取ADC输出。如果电路405包括比较器，例如，相关联的传感器是转速计，则该比较器的输出可以耦合至控制器410的通用输入/输出端口。控制器410接着可以被配置成确定从开始获取至改变比较器的输出状态的持续时间，并将一个或多个持续时间存储在存储器中。多个持续时间可以被包括在过零的矢量中，如在此所述。以硬件(即，利用如在此描述的比较器)检测过零可以比以软件(例如，通过向ADC提供转速计输出、将ADC输出提供给控制器，以及配置该控制器以通过分析所接收的ADC输出来确定过零)检测过零相对快。例如，控制器可以是微控制器。例如，该控制器410可以是从MicrochipTechnology, Inc.，Chandler, AZ可获得的PIC 17F型微控制器。在另一不例中，控制器410可以是包括浮点单元的Atmel微控制器,例如，从Atmel Corp.，San Jose, CA可获得的AtmelAT32UC3C0512。该浮点单元被配置成以硬件执行浮点计算。这种浮点单元可以提供优于以软件执行的浮点运算的速度益处。控制器410可以被配置成接收、分析、存储和/或输出来自电路405的数据。该输出数据至少部分基于所接收的传感器数据并且可以是数字传感器数据。控制器410可以包括存储器420，该存储器420被配置成存储数字传感器数据和/或基于所接收的传感器数据的输出数据。尽管示出为与控制器410集成，但存储器420可以在控制器410外部并接着可以耦接至控制器410。外部存储器可以是动态RAM(随机存取存储器)并且可以被配置成存储多达一百万的数据点。例如，该外部存储器可以是从Micron Technologies, Inc.，Boise, ID 可获得的 MT48H32M16LF32meg x 16 移动 RAM 器件。控制器410可以耦接至收发器415，并且可以被配置成向收发器415提供接口模块输出数据，以供在总线(例如，总线225)上向相关联的LDC传送。控制器410可以被配置成接收来自收发器415的数字数据和/或命令，收发器415被配置成编码用于在总线225上传送的模块输出数据和解码经由总线225从LDC接收的命令和/或数据。例如，所接收的数字数据可以包括例如来自相关联的LDC和/或服务器215的命令，以获取传感器数据和/或发送接收的传感器数据和/或模块输出数据。控制器410可以响应于例如来自相关联的LDC (例如，LDC230)的命令。控制器410可以管理接口模块240的输入和输出中的信息流，例如，命令和/或数据。例如，当相关联的LDC 230命令接口模块240获取数据数据时，控制器410可以启用电路405，将传感器数字数据累积(clock)到存储器420中(例如，优于相对高速的获取)和/或使数据流到收发器(例如，收发器415)中。如果控制器410将数据写入至存储器420，则在获取结束时，控制器410可以读取存储器420并将数据发送至收发器415。例如，LDC 230可以命令接口模块240收集数据，并接着可以命令接口模块240使数据流回至LDC 230，其中，该数据可以被制备以经由网络210向服务器215传送。例如，网络210可以是以太网。
例如，当传感器235是加速度计时，电路405可以包括ADC，如在此所述。控制器410接着可以启用ADC，并将该ADC的输出累积到存储器420中，和/或使ADC的输出流动到收发器415中。如果将ADC的输出存储在存储器420中，则控制器410可以被配置成，例如，响应于来自LDC 230的命令来分析所存储的ADC输出数据。在另一示例中，当传感器235是转速计时，电路405可以包括施密特触发器，其输出被配置成至少部分地基于转速计输出来改变状态，如在此所述。在这个示例中，控制器410可以被配置成，接收施密特触发器的输出，确定过零点之间的时间，以及生成过零时间的矢量。控制器410还可以被配置成至少部分地基于过零时间的矢量来确定转速(RPM)。控制器410可以被配置成，例如，响应于来自LDC 230的命令，将过零时间的矢量和/或转速存储在存储器420中，和/或将过零时间的矢量和/或转速提供给收发器415，以从接口模块240输出。例如，收发器415可以被配置用于利用RS-485协议发送和接收串行数据，如在此所述。例如，收发器可以是RS-485接收器/发送器,如从Texas Instruments, Dallas, TX可获得的Texas Instrument SN65HVD21。RS-485协议因其通常对于电磁干扰不敏感而可以在航空和其它相对严峻的电气环境中使用。DC至DC转换器425可以被配置成将输入电压(例如，24Vdc或28Vdc)转换成与电路405、控制器410和/或收发器415兼容的供电电压。例如，DC至DC 425转换器可以将输入电压转换成5伏特。在另一示例中，DC至DC转换器425转换器可以将输入电压转换成3. 3伏特。可以将传感器(例如，加速度计)配置成利用例如28Vdc的供电电压来操作。DC至DC转换器425可以辅助通过总线225向每个接口模块240提供供电电压，例如，28Vdc，并且从该输入电压向接口模块240中的组件供电。换句话说，可以将一个电压输入至接口模块240，并且该接口模块240经由DC/DC转换器可以被配置成向其组件和/或向传感器提供多个电压。保护电路430被配置成保护耦接传感器例如不经受过电压和/或过电流条件。例如，保护电路430可以包括电流限制电路。该电流限制电路可以被配置成向传感器(例如，加速度计)提供电流限制电力。数据获取
图5是用于利用传感器模块进行数据获取的示例性流程图500。程序流可以在起点505开始。可以确定510是否已经接收到获取数据的命令。如果已经接收到获取数据的命令，则可以启用515电路(例如，电路405)和/或控制器(例如，控制器410)。例如，ADC可通过控制器来启用(例如，当传感器是加速度计时)。接着可以获取520数据，例如，控制器可以读取ADC。在另一示例中，响应于获取的命令，在操作520，控制器可以检测和/或确定开始获取与状态改变(例如，针对控制器的输入部上的电压水平的改变)之间的持续时间。换句话说，在操作520获取数据可以包括过零检测(例如，在传感器是转速计时)，如在此所述。接着，可以确定525是否将所获取的数据存储在本地存储器中。例如，对于相对高速的数据获取来说，所获取的传感器数据可以存储在例如控制器410中的本地存储器中。对于相对低速的数据获取来说，可以使模块输出数据(例如，数字化传感器数据)流至相关联的LDC。如果确定不将数据存储在本地存储器中，则可以将数据输出530至收发器。接着，可以确定535数据的末尾是否已经达到。如果数据的末尾未达到，则程序流可以返回以获取数据520。如果数据的末尾已经达到，则程序流可以返回至确定510是否已经接收到 用于获取数据的命令。如果确定将数据存储在本地存储器中，则可以将数据存储540在本地存储器中。接着，可以确定545数据的末尾是否已经达到。如果数据的末尾未达到，则程序流可以返回以获取数据520。如果数据的末尾已经达到，则可以将模块输出数据输出550至收发器。接着，程序流可以返回以确定510是否已经接收到获取数据的命令。按这种方式，可以获取传感器数据并将其存储和/或提供给收发器。再次转至图2，如在此所述，每个LDC 230a、…、230n可以被配置成经由网络210将相关联的数据获取子系统205a、...、205n耦接至服务器215。例如，LDC可以包括到以太网桥的RS-485，如到以太网适配器的Net485智能RS485，或到以太网通信装置的0penNetCom423RS — 485。这些示例性LDC使用ARM-9型处理器。LDC可以向每个相关联的传感器模块(具体来说，传感器模块的接口模块)提供MAC (介质接入控制)。RS-485标准不提供MAC协议。在此，总体上对可用于相对鲁棒的数据获取系统(可用于与本公开一致的基于条件的维护)的MAC进行定义。可以利用MAC来防止多个传感器模块尝试同时接入总线，即，可以被用于防止冲突。示例性命令协议例如，MAC协议可以包括命令和响应结构，其中，服务器控制与LDC和/或传感器模块(“装置”)的通信。对于每个通信来说，服务器可以向LDC和/或传感器模块发出命令，并且LDC和/或传感器模块可以响应。对传感器模块的通信可以包括两个部分服务器至LDC,和LDC至传感器模块。传感器模块利用它们的相关联的耦接口模块被设置成响应于来自相关联的LDC的命令。该传感器模块可以不启动与相关联的LDC的通信。来自传感器模块的消息由此可以响应于来自LDC的请求和/或命令。例如，LDC可以接收被定向至相关联的传感器模块的命令和/或请求。LDC接着可以将该命令和/或请求中继至传感器模块。该命令和/或请求可以命令该传感器模块获取传感器数据、分析所接收的传感器数据和/或发送模块输出数据。模块输出数据可以是被检测的组件和/或机器的条件的代表，如在此所述。因此，每个命令可以包括LDC前缀和装置(S卩，传感器模块)命令。下面，对示例性MAC协议定义进行阐述。
MAC协议定义该MAC协议是其中服务器可以控制与LDC和传感器模块(“装置”)的通信的命令/响应方法。对于每个通信来说，服务器向装置发送命令，并且该装置响应。命令消息结构因为对装置的所有通信是两步骤处理，服务器=>LDC=>传感器模块，所以每个命令都是两部分，LDC前缀和装置命令。LDC命令前缀图6示出了 LDC前缀的格式。对于专用于LDC的命令来说，LDC前缀之后的数据字节包括LDC命令特定数据。对于所有装置命令来说，LDC前缀之后的数据字节包括装置 命令。当通过LDC接收到命令时,其将处理LDC命令或者在所指示的信道上将该消息的装 置命令部分转发至该装置。表I中示出了针对LDC命令前缀的字段定义。表I :LDC前缀字段定义
权利要求
1.一种风力场，包括 多个风轮机数据获取系统，每个数据获取系统包括 多个传感器，分别被配置成检测与风轮机的相应组件的条件相关联的参数，并提供至少部分基于该参数的传感器数据； 多个模块，分别耦接至至少一个传感器并且被配置成接收来自该至少一个传感器的传感器数据，并生成至少部分基于所接收的传感器数据的模块输出数据； 本地数据集中器，被配置成向所述多个模块中的一个或多个模块发送命令，接收来自所述多个模块中的一个或多个模块的模块输出数据，以及将所接收的模块输出数据提供给服务器；以及 串行总线，被配置成耦接所述多个模块和本地数据集中器，其中，将至少一个数据获取系统安装在风力场中的每个风轮机上，并且该服务器被配置成至少部分基于对选定风轮机的选定组件的条件的表示，向用户提供对该选定风轮机的该选定组件的剩余可用寿命的估笪
2.根据权利要求I所述的风力场，其中，所述多个模块中的至少一个模块被配置成分析所接收的传感器数据，以生成对该风轮机的相应组件的条件的表示。
3.根据权利要求I所述的风力场，其中，一个传感器是转速计，该转速计被配置成检测风轮机的组件的转速，并且至少一个传感器是被配置成检测振动的加速度计。
4.根据权利要求I所述的风力场，其中，风轮机的所述选定组件是轴、轴承或齿轮。
5.根据权利要求I所述的风力场，其中，该串行总线是菊链，并且每个模块最多连接至两个其它模块。
6.根据权利要求I所述的风力场，其中，该串行总线被配置成从本地数据集中器向模块运送电力。
7.根据权利要求I所述的风力场，其中，所述多个模块中的至少一个模块包括控制器，该控制器被配置成在硬件中执行浮点计算。
8.根据权利要求2所述的风力场，其中，所述分析包括执行变换以基于所接收的传感器数据确定频谱，该频谱与风轮机的相应组件的条件相关联。
9.一种数据获取系统，包括 多个传感器，分别被配置成检测与风轮机的相应组件的条件相关联的参数，并提供至少部分基于该参数的传感器数据； 多个模块，分别耦接至至少一个传感器，并且被配置成接收来自该至少一个传感器的传感器数据，并生成至少部分基于所接收的传感器数据的模块输出数据； 本地数据集中器，被配置成向所述多个模块中的一个或多个模块发送命令，接收来自所述多个模块中的一个或多个模块的模块输出数据，以及将所接收的模块输出数据提供给服务器；以及 串行总线，被配置成耦接所述多个模块和本地数据集中器， 其中，该数据获取系统被配置成安装在风力场中的风轮机上，并且该服务器被配置成至少部分基于对该风轮机的选定组件的条件的表示，向用户提供对该风轮机的该选定组件的剩余可用寿命的估算。
10.根据权利要求9所述的数据获取系统，其中，所述多个模块中的至少一个模块被配置成分析所接收的传感器数据，以生成对该风轮机的相应组件的条件的表示。
11.根据权利要求9所述的数据获取系统，其中，一个传感器是转速计，该转速计被配置成检测风轮机的组件的转速，并且至少一个传感器是加速度计，该加速度计被配置成检测振动。
12.根据权利要求9所述的数据获取系统，其中，风轮机的所述选定组件是轴、轴承或齿轮。
13.根据权利要求9所述的数据获取系统，其中，该串行总线是菊链，并且每个模块最多连接至两个其它模块。
14.根据权利要求9所述的数据获取系统，其中，该串行总线被配置成从本地数据集中器向模块运送电力。
15.根据权利要求9所述的数据获取系统，其中，所述多个模块中的至少一个模块包括控制器，该控制器被配置成在硬件中执行浮点计算。
16.根据权利要求10所述的数据获取系统，其中，所述分析包括执行变换以基于所接收的传感器数据确定频谱，该频谱与风轮机的条件相关联。
17.一种确定对风轮机的被监测组件的剩余可用寿命的估算的方法，该方法包括以下步骤 利用耦接至风轮机的被监测组件的传感器来检测与该风轮机的被监测组件的条件相关联的参数，并且向模块提供至少部分基于该参数的传感器输出数据； 生成至少部分基于该传感器输出数据的模块输出数据； 响应于来自本地数据集中器的命令向该本地数据集中器提供该模块输出数据； 将该模块输出数据提供给服务器；以及 至少部分基于对该风轮机的被监测组件的条件的表示，估算该风轮机的被监测组件的剩余可用寿命。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤分析该传感器输出数据，以生成对该风轮机的被监测组件的条件的表示。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述分析由所述模块执行。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述分析包括执行变换以基于该传感器输出数据确定频谱，该频谱与风轮机的条件相关联。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤至少部分地基于该频谱来确定统计信息，其中，该统计信息与风轮机的被监测组件的条件相关联。
.21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述分析包括确定对于与风轮机的组件的一转相对应的时段的平均传感器输出数据的矢量。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括以下步骤至少部分地基于平均传感器输出数据的矢量来确定统计信息。
23.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤确定条件指示符，其中，该条件指示符对应于对于已知良好风轮机的组件的采样的所检测参数的概率分布。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤至少部分地基于至少一个条件指示符来确定健康指示符，其中，该健康指示符表示被监测组件的当前条件。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括以下步骤定标该健康指示符，以使得指示不再良好的阈值对应于风轮机的其它被监测组件的健康指示符的公共基准。全文摘要
一般来说，与本公开一致的系统和方法可以提供一种相对低成本、相对鲁棒的、用于基于条件的维护的数据获取和分析系统。该系统可以用于工业应用(例如，设备和/或机械的工业应用)中的基于条件的维护。该工业监测系统例如可以用于监测旋转机械(例如，风轮机)的条件。该系统和方法可以包括数据分析，可以用于预见对于维护、修理和/或更换一个或多个组件的需要。
文档编号F03D7/04GK102792240SQ201080059527
公开日2012年11月21日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者E·R·比绍夫, J·T·泰勒 申请人:Nrg系统股份有限公司