专利名称：用于配备了机器控制系统并包括旋转机器单元的机器的状态监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于配备了机器控制系统并包括旋转机器单元的机器的状态监控系统，该状态监控系统是基于在机器运转期间测量和监控各种变量，并包括-一个或多个通信设备；-与受监控机器相连接以测量所需变量的传感元件；-用于所述传感元件收集的测量数据的处理设备；以及-用于所述处理设备基于测量数据产生的结果数据的存储和分析设备，以产生和存储机器的状态信息。
背景技术：
通常状态监控特别用于大型的基本上连续运转的机器。预防性和连续的状态监控是合理的，因为意外干扰的修复活动和修复成本是巨大的，由于修复而停工的损失是显著的，特别是在专用机床中。这种机床包括，例如，造纸机和发电站，特别是风力发电站。
造纸机有多个大型旋转机器单元，例如滚轴、齿轮和电动马达。因此根据在某种情况下确定的每台机器的状态，单台造纸机包括几百个、甚至上千个各种可测量的变量。因此开发了用于状态监控的特定系统，允许以足够精确而又集中的方式来确定机器状态。在风力发电站，特别是由于它们的位置和设计，状态监控的需求进一步增加。通常风力发电站是位于远离人类居住点或交通枢纽处的较高建筑物。此外，风力发电站包括大型齿轮和发电机。在这种条件下，预防性的状态监控显得特别重要。
在现有系统中，各种传感元件(最普通的是加速度传感器)安装在所需的位置上。还测量其它变量，例如压力、温度和速度。一些传感元件连续地提供大量测量数据，其处理过程将会是繁重的，甚至是实践中不可行的。因此，例如，将一个齿轮的多个传感元件合并到一个处理设备中，该设备预处理测量数据。这减少了将要进一步传输的结果数据的数量。此后，将由各种处理设备预处理过的结果数据传输到中央分析和存储设备，该中央分析和存储设备根据所述结果数据形成机器的当前状态信息。在运转期间收集的状态历史数据也可用于机器的状态监控和故障预测中。在芬兰专利第107408号中提出了这样的系统。
尽管预先处理了测量数据，将要传输的数据量还是海量的。因此，状态监控系统变得沉重，特别是通信设备的尺寸必须符合每一处的最大数据量。在实践中，这意味着高速信息网络、路由器和其它数据传输设备。此外，必须独立设计和组装以及为各种用户定制每台机器的状态监控系统。这使状态监控的实施成为一项庞大且昂贵的项目，只有当监控目标是一个由几台机器例如造纸机组成的单元时，才是经济可行的。尽管如此，机器的状态信息仅限于被为此目的而设计的设备来使用。由于状态监控系统的高成本，注意力通常集中于最关键的机器，在此情况下，机器的一部分依然没有状态监控，或者状态监控只覆盖一部分。这减少了整台机器的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的状态监控系统，其甚至在单台机器情况下也是经济可行的，其用于配备了机器控制系统并包括旋转机器单元的机器。从附上的权利要求书可以明显看出本发明的特征。在依照本发明的状态监控系统中，机器的状态信息是局部专用的，这与现有技术相比，显著简化了整个状态监控系统的设计。此外，状态监控系统的元件可以这样被选择，整个相同元件可以被彼此相差很大的机器使用。并且，此后改变或增加元件也容易实现。此外，状态监控系统的实施和维护也比以前容易。而且，与过去相比，现在以更多用途的方式来使用由状态监控系统产生的机器状态信息。
下面将通过参照说明了本发明一些实施例的附图来详细描述本发明，附图包括图1表示依照本发明的两种状态监控系统的主图；图2表示实际应用的图1的状态监控系统；图3表示图2的实施例的修改方案；图4表示依照本发明的状态监控系统的核心元件的主图。
具体实施例方式
图1表示依照本发明的仅两种状态监控系统的主图，其系统相同。每个状态监控系统，在下文中简化称为术语“系统”，是为配备了机器控制系统并包括旋转机器单元的机器而设计的。例如，这些机器可以是造纸机滚轴及其机器单元轴承、齿轮和电动马达。相似的机器单元可以在例如发电站的涡轮和风力发电站的齿轮中找到。在运转期间，对旋转机器单元来说，某一水平的振动是常见的。因此，大部分状态监控特别地由各种振动的测量组成。然而，也测量其它影响到运转状态的变量，例如温度、压力和旋转速度。
机器的状态信息是由适当的设备根据测量数据来形成的。常常使用通过连续保存运转期间机器的状态信息而产生的历史数据作为辅助。例如，风力发电站齿轮的状态监控由在选定点处的振动的测量组成。这些包括，例如，轴、齿轮和轴承的振动。各个点的测量频率通常不同并随着应用而变化。增强的振动通常是干扰的标志。然而，由于机器和一些机器单元的复杂，在大多数情况下，直接确认和定位干扰是有难度的。因此，通常在测量中采用各种信号处理操作以帮助辨别例如出现在信号中的振动强度和频率分量。通过将获得的数据与已知值、警告或报警界限、描述机器或处理的运转状态的数据、初始状态以及历史数据进行比较，来获得当前状态信息。上面描述的测量数据的处理和分析即是这样一个众所周知的程序。
相反，与现有技术相比，依照本发明的系统是新型的和不寻常的。参照图1，本系统包括与受监控机器连接放置以测量所需变量的传感元件S(传感器)10。在此未画出受监控的机器。实际上，传感元件是附加到受监控机器中适当位置的各种传感器。此外，系统还包括用于传感元件收集的测量数据的处理设备，和存储和分析设备，其为了产生和存储机器状态信息而用于所述处理设备根据测量数据产生的结果数据。稍后将详细描述处理设备以及存储和分析设备的设计和操作。此外，上述的元件和设备通过适当的通信设备互相连接。使用相同的附图标记来表示功能上相似的部分。
依照本发明，存储和分析设备被配置为与每台机器分离地连接，以作为与机器控制系统MCS12相分离的状态监控模块CMM13。这使得确定机器状态信息而不考虑其它设备成为可能。并且，实施和使用系统比以前更加容易。同时，可以避免繁重的信息网络和特定的计算机服务器。实际上，状态监控模块，或者更简单的，一个模块，作为一个完整的单元配置，并且其结构是独立于机器的设计的。这使得不同机器和机器单元使用一种模块类型成为可能。为实现此目的，模块有某种稍后将参照图4详细描述的基本设计。
为了使用通用的模块，本系统额外包括了一个CDB(配置数据库)14。从配置数据库14通过使用通信设备11.2向模块13传输每台机器的设计和配置信息以及所需的分析软件。因此，可以将诸如与每台受监控机器的设计和应用以及与传感元件的数量和位置有关的基本数据传输到有这种通用设计的模块上。通常在机器的生产阶段已经传输了基本数据，这显著减少了实际应用处的安装时间。然后，为了执行数据传输，要求使用通常禁用的通信设备。如果预先知道受监控机器的典型的状态监控警告和报警界限，可以将其与其它已在设备生产阶段保存的配置数据一起保存在模块的存储器中。这显著地加速并简化了状态监控的实施，而通常与此有关的个别警告界限设置和历史数据收集变得不必要了。也可以在稍后阶段传输设计和配置数据，例如当设计和/或配置数据和/或分析软件变化时。无需物理接入模块也可更新数据。可以使用上述的通信设备来进行更新。作为替代地，也可以使用如图1中间所示的能够与配置数据库14通信的机器控制系统12来更新数据。在配置数据库14和机器控制系统12之间的通信设备11.4用虚线表示。第三套通信设备11.3放置在模块13和机器控制系统12之间。沿着这条连接，发送当前状态信息到机器控制系统12。
在实践中，配置数据库适合是一台保存了例如各种传感器、机器、机器单元以及模块这些基本数据的特定的计算机服务器。如图1-3所示，依照本发明，可以将基本数据从一个配置数据库发送到多个系统。所述计算机服务器通常包含用于监控机器所必需的分析软件。在这种情况下，依照系统配置和所需性质可以容易地选择设置和软件，并发送给模块。在正常操作下，状态监控系统不需要连接到计算机服务器，因为只在更新配置数据时需要计算机服务器。为此，可以经由信息网络、调制解调器或其它数据传输信道临时地建立此连接。这样，配置数据中的变化可以通过远程连接、例如从机器制造商的服务中心访问的方式来实现。这种情况，系统本身不需要为配置数据库配备计算机服务器。
图2和3表示依照本发明的系统的实际设计。在本例中，改变系统以适合风力发电站15的使用。然而，它也能够应用于造纸机或发电站。通常每个风力发电站15有自己的独立的机器控制系统12。本地机器控制系统负责风力发电站的控制，实际上这可以是例如一个可编程控制器。将该控制器所要求的测量发送到机器控制系统，机器控制系统相应地给驱动器提供所需控制信号。
包括几台风力发电站的风力发电区通常有特殊的控制室(图2和3)。控制室中通常放有控制室计算机28，其连接到安装在每台风力发电站15中的机器控制系统12。该控制室计算机的主要功能是为风力发电区控制系统提供一个用户界面，即为各种风力发电站中的所有本地机器控制系统提供一个用户界面。控制室计算机也可以包含如用于收集历史数据的应用。
在依照本发明的实施例中，模块13位于每个风力发电站15中，并连接到安装在各个风力发电站15中的机器控制系统12。实际上，如图2所示，将本地风力发电站单元互相连接是可取的，在此情况下，控制室计算机和风力发电站中的本地模块之间的连接变得不必要了。如果需要，可以建立这种连接；然而，在控制室计算机和模块之间传输数据(例如在控制系统用户界面上显示状态监控信息)的更经济的方法是从模块经由本地机器控制系统向控制室计算机传输信息。在这种情况下，有可能使用在风力发电站中的本地机器控制系统和控制室计算机之间的现有连接。
在风力发电站的正常运转期间，不需要如图2和3所示的配置数据库14和相关计算机作为系统的一部分。在启动阶段，设置被装载在模块中，此后仅在改变设置或升级软件时需要所述配置数据库和相关服务器。对于这些操作，可以将计算机服务器带到现场以更新，或者经由远程连接(直接连接到模块或通过控制室计算机)来实现更新。在图2中，控制室计算机28还有作为外围设备连接到其上的一个调制解调器16、一台打印机17和一个警告设备18。
每个风力发电站15都有一个齿轮19及其延伸，一个产生电的发电机20。依照前面说明放置在每个风力发电站中的机器控制系统12来控制电的产生。依照本发明，模块13与每台受监控的机器连接放置，因此在本例中是与两台风力发电站15相连。依照本发明，模块保存和分析与其连接并提供状态信息的传感元件的测量数据。因此可以减少在模块和机器控制系统之间传输的数据。在最简单的情况下，仅在以警告信号形式出现的干扰情况下需要传输信息。在本实施例中，模块连接到齿轮和发电机。换句话说，模块监控整个风力发电站的状态。
为了确定状态信息，也使用各种影响机器运转状态的环境变量。这些环境变量包括例如风力和风向、室外温度和湿度以及其它变量，例如发电机功率和旋转速度。这些环境变量的传感器可以直接连接到模块上。另一方面，在大多数机器控制系统中，这些传感器被合并，在此情况下，依照本发明，数据从机器控制系统进入模块。这部分是因为通信设备11.5包括一个或更多通信接口CI21，其中至少一个是双向的(图4)。在这种情况下，在安装之后和机器运转期间很容易把信息和设置输入模块。
图3表示上述实施例的使用无线通信设备的修改方案。依照本发明，可以使用各种类似于机器控制系统的设备来建立一个到模块的连接。在此还显示了一个与模块13通信的终端22。在最简单配置的情况下，模块向终端发送干扰消息。模块也可以编程以接收将使用终端发送的特殊形式的命令。根据这些命令，向终端发送依照命令的结果，例如状态信息。通常，状态信息在模块中明确规定，而不考虑机器控制系统或其它系统。然而，如上所述，诸如机器控制系统中的普通信息和其它相同机器的历史数据也可以输入模块。
图4表示依照本发明的系统的模块13的设计的主图。模块13本身是一个其中放置了所需元件的虚线矩形框。放置在受监控机器中的传感元件10显示在图4的左半部分。传感元件的类型和数量根据不同实施例而变化。依照本发明，模块的配置数据包含必要时可根据配置变化而更新的传感元件信息。在传感元件10和模块13之间的通信设备11.1通常是固定的；然而，也可以使用无线通信设备。这在图4中用连接传感元件Sn和模块13的虚线表示。
模块在很大程度上是一种可编程的电子设备。实际上，将从传感元件10发送来的测量数据经由A/D转换器23传输至模块13。在A/D转换器23中，模拟测量数据被转换成数字形式。部分传感元件本身可以包括一个类似的转换器以帮助模块操作，这样测量信息可以经由数字通信接口直接送入模块，而在讨论的传感器中不再需要与模拟信号调节或A/D转换有关的元件。依照本发明，存储和分析设备28还包括一个用于实际处理测量数据的分析处理器CPU(中央处理器)24。为便于分析处理器24进行操作，模块13也包含用于按所需方法处理测量数据的DSP(数字信号处理)处理设备25。通常数字信号处理操作包括例如线性或非线性换算、数字滤波和FFT(快速傅氏变换)。在先进的传感元件中含有这种处理设备以进一步简化模块设计。分析处理器和处理设备可以是集成或分立元件。因此实际上，A/D转换器和处理设备可以都包含在模块或传感元件中，或者A/D转换器包含在传感元件中和处理设备包含在模块中。
为使分析处理器24能够运转，模块13还包括读-改内存和存储内存设备MEM(存储器)26。读-改内存设备是用于操作系统OS和分析软件SW(软件)的。类似地，存储内存设备是用于配置数据SET(设置)和结果数据R&H(结果&历史)的。换句话说，根据保存在模块存储器中的软件和设置，分析处理器使用测量数据来产生保存在模块存储器中的状态信息。再一次根据这些设置，通常将状态信息进一步发送给机器控制系统。在此情况下，依照本发明，模块代替了先前的繁重的状态监控系统。
为了能够进行普通操作，模块13还包括由例如所需连接器、传感元件的电源、电流隔离器、模拟滤波器和用于A/D转换器的电子信号适配器(未画出)组成的通用电子电路SC(信号调节)27。这些元件可以全部或部分地作为模块的标准零件而集成，或者如有需要，使用连接到模块的分立元件来实现。模块13进一步包括上述通信接口21，为了提供独立于机器控制系统的系统，所述接口应该做得尽可能通用。这样，大多数标准通信接口包括例如无线电发射机/接收机和GSM或其它调制解调器。串行和并行的端口、以太网和其它网络连接、甚至中继输出都是可行的。在实际应用中，有不同的通信接口及其相应的数据传输协议，使用最适合当前情况的那一个。当定义机器的状态信息时，在模块本身中传输的数据量通常较少，并且在任何情况下都显著少于现有技术。
因此，依照本发明系统中使用的模块包括通信设备，其用于传感元件和与受监控机器连接的机器控制系统。此外，通信设备、处理设备和存储和分析设备放置在一个模块中，以适合于机器使用并且有独立于机器设计的设计。这使不同机器使用同一型号的模块成为可能。模块的操作系统实际上通常是标准的。分析软件的主要功能也是标准的，尽管在不同应用之间可能存在差异。而设置总是与受监控机器相一致，因此是随着不同应用而变化的。
即使对于各个单独的机器，依照本发明的系统都是经济可行的。此外，系统可用于监控由一些不同机器单元组成的机器。而且，系统采用设计独立于机器设计的特殊模块，从而进一步降低成本。事实上，模块包含分析和存储能力，使其能够以集中的方式在模块内部定义状态信息。同时模块软件可以根据操作来设定，如有必要，以后还可以升级。连接各种传感元件也是很容易的，因此模块可应用于各种不同的机器。而且，模块包含各种用于向/从模块传输数据的通信接口。由于标准通信接口，模块也是独立于机器控制系统的，因而系统的实施变得简单。而另一优势在于当前所需信息可以从模块传输至各种系统和设备。
权利要求
1.一种用于配备了机器控制系统(12)并包括旋转机器单元的多个机器的状态监控系统，其中状态监控系统是基于所述多个机器运转期间各种变量的测量和监控，并包括-一个或多个通信设备(11.1-11.5)；-与所述受监控的机器连接以用于测量所需变量的多个传感元件(10)；-用于所述传感元件(10)收集的测量数据的处理设备(25)；以及-用于由所述处理设备(23、25)根据所述测量数据产生的结果数据的存储和分析设备(28)，以产生和存储机器的状态信息，其特征在于所述存储和分析设备(28)被配置为与每台机器分离地连接，以作为与机器控制系统(12)分离的一个模块(13)。
2.依照权利要求1的状态监控系统，其特征在于所述处理设备(23、25)至少部分地与模块(13)和/或传感元件(10)连接。
3.依照权利要求1或2的状态监控系统，其特征在于所述模块(13)有一个集成配置，并且它的设计独立于所述机器的设计。
4.依照权利要求1-3中任意一条的状态监控系统，其特征在于为了将机器控制系统(12)与状态监控系统相连，所述通信设备(11.5)包括一个或者多个通信接口(21)，其中至少一个是双向的。
5.依照权利要求1-4中任意一条的状态监控系统，其特征在于所述状态监控系统包括一个配置数据库(14)，通过使用通信设备(11.2、11.3、11.4)从该配置数据库向存储和分析设备(28)传输每台机器的设计和配置数据以及所需的分析软件。
6.依照权利要求5的状态监控系统，其特征在于所述设计和配置数据的传输发生在每台机器的生产或启动阶段，或者稍后在设计和/或配置数据和/或分析软件产生变化的时候。
7.依照权利要求1-6中任意一条的状态监控系统，其特征在于所述存储和分析设备(28)包括一个分析处理器(24)以及读-改内存和存储内存设备(26)，其中所述读-改内存设备用于操作系统和分析软件，所述存储内存设备用于配置和结果数据。
8.依照权利要求7的一个状态监控系统，其特征在于为每一台机器适配所述配置数据和/或分析软件。
9.一种用于依照权利要求1-8中任意一条的状态监控系统中的模块(13)，所述状态监控系统包括用于传感元件(10)的通信设备(11.1、11.3)和与所述受监控机器相连的机器控制系统(12)，其特征在于所述通信设备(11.1、11.3)、处理设备(25)和存储和分析设备(28)放置在一个单元中以适配所述机器，并独立于机器的设计。
10.依照权利要求9的一个模块，其特征在于在传感元件(10)和模块(13)之间的所述通信设备(11.1)是固定的和/或无线的。
全文摘要
本发明涉及一种用于配备了机器控制系统(12)并包括旋转机器单元的机器的状态监控系统。该状态监控系统根据机器运转期间各种变量的测量和监控。该状态监控系统包括用于测量所需变量的传感元件(10)以及用于产生和存储机器状态信息的处理设备(25)和存储和分析设备(28)。所述存储和分析设备(28)分别与每台机器连接放置作为一个与机器控制系统(12)分开的模块(13)。
文档编号G05B23/02GK1643463SQ03806031
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月13日 优先权日2002年3月14日
发明者贾莫·考皮拉, 哈利·姆斯特宁 申请人:麦特自动化有限公司