机器诊断编码器的制造方法
【专利摘要】一种系统包括编码器，该编码器监视机器并且生成指示机器的运动或位置中的至少一个的编码器输出信号。可将组合器配置成接收来自编码器的编码器输出信号，并且接收来自至少一个其它传感器的机器诊断数据。组合器可将机器诊断数据与编码器输出信号组合，以提供包括与机器的运动或位置中的至少一个同步的机器诊断数据的组合信号。输出级可向远程系统提供组合信号。
【专利说明】机器诊断编码器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年10月22日提交并且题为“MACHINE DIAGNOSTIC EN⑶DER(机器诊断编码器)”的美国临时专利申请61/894,177的权益，其整体通过引用并入在此。
技术领域
[0003]本公开涉及编码器和可处理并且发送用于机器的诊断信息的编码方法。
【背景技术】
[0004]诸如纸或钢铁生产的大型制造作业通常采用非常大型的机器，包括电动机或发电机。这种机器通常由可位于距机器远距离的远程系统控制。作为示例，为控制机器，通常将编码器安装在机器轴上或耦接到机器轴以检测机器的位置和/或速度。在某些环境下，由于在控制器和机器之间的长距离，将编码器的位置信号往回传送给控制器并同样地从控制器发送驱动命令给机器可能是开销大的过程。在这种环境下，可能存在显著的电干扰，以使得无线传输不是可行的选择。
【发明内容】
[0005]本公开涉及编码器和可处理并且发送用于机器的诊断信息的编码方法。
[0006]在一个示例中，系统包括编码器，该编码器监视机器并且生成指示机器的运动或位置中的至少一个的编码器输出信号。组合器接收来自编码器的编码器输出信号，以及基于来自至少一个传感器的传感器数据的机器诊断数据。组合器将机器诊断数据与编码器输出信号组合，以提供包括与机器的运动或位置中的至少一个同步的机器诊断数据的组合信号。
[0007]在另一个示例中，方法可包括生成指示机器的运动或位置中的至少一个的用于机器的编码器输出信号。该方法同样可包括经由一个或多个传感器信号来监视机器，并且生成表示机器特征的机器诊断数据。该方法同样可包括将编码器输出信号与机器诊断数据组合以提供组合信号，在该组合信号中机器诊断数据与机器的运动或位置中的至少一个同步。
[0008]作为另一个示例，编码器装置可包括生成指示旋转电动机的运动或位置中的至少一个的编码器输出信号的编码器。预处理器可分析指示旋转电动机状况的至少一个传感器信号，并且基于该分析提供电动机诊断数据。组合器将电动机诊断数据与编码器输出信号组合以提供组合信号，在该组合信号中电动机诊断数据与由编码器输出信号指示的旋转电动机的运动或位置中的至少一个同步。通信级(communicat1ns stage)向远程系统提供组合信号。
【附图说明】
[0009]图1示出将机器诊断数据与编码器数据组合的系统的示例。
[0010]图2示出以与机器的运动或位置同步的方式将机器诊断数据与编码器数据组合的已安装的机器和编码器系统的示例。
[0011]图3示出在编码器模块与解组合器(decombiner)之间传递组合的编码器和诊断数据的示例。
[0012]图4示出用于分析与机器运动和/或位置数据组合的机器诊断数据的预处理器的示例。
[0013]图5示出用于从处理机器诊断数据的编码器模块生成本地和/或远程消息的系统。
[0014]图6示出用于提供与编码器信息同步的机器诊断数据的方法的示例。
【具体实施方式】
[0015]公开了能够收集、分析和发送用于诸如电动机或发电机的机器的诊断信息的系统和方法。可基于来自被配置成测量机器的状况或机器操作参数(例如，温度、振动、湿度等)的一个或多个传感器的信号提供诊断信息。在一个示例中，编码器装置可将机器位置转换成表示所关联的机器(例如，电动机、发电机)的位置和/或速度的编码器信号。例如，编码器装置可以是增量编码器。编码器装置同样可包括被配置成对机器传感器信息执行一些信号处理或计算并提供诊断信息的预处理。预处理可以在编码器安装在机器处的本地执行，和/或在处理编码器的位置和诊断数据的系统(例如，控制器、计算机)处远程地执行。编码器装置可通过使用用于编码器数据的现有布线将编码器数据与来自机器的诊断信息组合，来向远程系统发送用于机器的诊断信息，而不是通过将增加系统成本的独立导线来发送诊断信息。
[0016]另外，来自机器的诊断信息可诸如经由在编码器上的预定点与机器位置同步(例如，与编码器的参考标记或与参考标记有关的一些位置同步)。例如，机器诊断信息同样可与诸如电动机速度的其它电动机参数同步。通过将诊断信息与编码器位置和/或速度同步，可基于同步的诊断信息实现更详细的分析和故障排除。例如，如果机器振动被感测到(例如，经由一个或多个加速计)并由编码器来与位置和/或速度信息同步，则预处理(以及随后的后处理)可确定振动是否超过预定阈值，以使得可容易确定在发生振动异常时的电动机位置和/或速度。
[0017]在一些示例中，预处理可检测电动机状况，该电动机状况可导致动态地控制(例如，调节)传感器的机器诊断感测或采样，用于生成机器诊断信息。如在此所公开的，其它类型的机器诊断信息可与编码器的位置和/或速度的信号同步，并作为组合信号发送给远程系统。被监视的机器可以是显著大型(例如，超过1000马力的电动机)且昂贵的，以使得根据本系统和方法实现的机器诊断可帮助保护重大的资本投资。
[0018]图1示出被配置成将机器诊断数据与编码器数据组合以使得机器诊断数据与机器的运动和/或位置同步的系统100的示例。如在此所使用，机器诊断数据可包括关于机器的健康或其它诊断状况的任何信息。这种健康或诊断状况的示例可包括以下中的一个或多个:机器振动、温度(例如，轴承的温度、绕组的温度、机器冷却剂的温度)、湿度、电气状况(例如，电压和/或电流)、扭矩或应变。可将这种感测状况中的每个设置为来自一个或多个传感器140的模拟或数字信号。传感器的类型因而可取决于应用要求和机器的类型以及将要感测机器的健康或诊断状况的哪一个或哪一些而改变。在这里公开的示例中，通常将机器120描述为旋转电动机或发电机，但诸如线性电动机或滑动件的其它机器是可能的，其中机器驱动滑动件并且编码器110监视滑动件的移动。因此，同样在机器120中，可从机械安装轴或到机器轴的联轴器(coupling)直接取得机器诊断信息，以提供类似的信息。一个示例是与旋转位置同步的三维振动和音频输入，以从非电动机驱动轴来监视机器。
[0019]系统100包括编码器110，该编码器110监视机器120并生成指示机器的运动和/或位置的编码器输出信号124。编码器110可以是增量编码器(例如，同样被称为转速计(tachometer)或循环脉冲发生器(rotary pulse generator))。例如，编码器包括可与机器的旋转电动机轴同轴连接的可旋转构件。编码器110可提供与轴位置(脉冲计数)或轴速度(脉冲率)成比例的编码器输出，或者它可提供位置和速度信息二者。例如，编码器可生成典型的编码器正交脉冲(例如，A，/A，B，/B，标记，/标记)来追踪机器120的位置和速度。将编码器110配置成使用各种感测技术，诸如光学技术(例如，经由一个或多个光电二极管来检测光)、磁技术(例如，经由霍尔效应或磁阻传感器来检测磁性元件)、导电技术等。
[0020]将组合器130配置成接收来自编码器110的编码器输出信号124，并且接收预处理的诊断数据154。例如，将至少一个其它传感器140配置成监视机器的状况(例如，表征用于机器120的健康和/或诊断状况的状态)，并提供可以是模拟或数字信号的对应的传感器信号134。可在输入/输出(I/O)端口 144处从一个或多个外部机器诊断传感器140接收传感器信号134。1/0端口 144可包括用于连接到相应传感器140的任意数量和类型的端口。例如，端口可提供接收电传感器数据的串行电输入。作为另一个示例，输入端口可提供接收传感器信号的本地无线接口，诸如本地蓝牙或其它短距离通信协议。例如，传感器140可包括通过电动机的一个或多个绕组来测量电流的电流互感器(CT)传感器。CT传感器可经由有线或无线通信向I/O端口提供感测的电流信号(例如，模拟或数字信号)。在一些示例中，传感器140(例如，CT传感器)可基于从流过传感器附接到的导体的电信号生成的感应电压或电流来自供电。
[0021]传感器140(或多个传感器)可安装在各种位置中，并且可基本上包括任何类型的模拟和/或数字传感器。在一些示例中，传感器可安装在计算机120上(或其附近)的各点处，同时每个传感器输出提供诊断传感器数据134给I/O端口 144(或多个端口)。传感器140基本上可以是任何类型的传感器，包括:热电偶、加速计、振动传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器、扭矩传感器、应变片、轴承和定子传感器等。传感器140同样可包括数字传感器，诸如过速传感器、风机传感器、过滤传感器、冷却剂流压力和/或温度传感器、开关传感器(例如，温度开关、气流传感器开关等)等，其可取决于机器120的目的和应用而改变。在另一个示例中，传感器140可安装在编码器110内或其附近。在一些情况下，编码器模块190的外壳或在编码器和机器之间的联轴器可起用于监视机器120的性能的换能器(transducer)(例如，针对电动机的温度或振动来监视编码器外壳)的作用。在这种情况下，来自编码器110的传感器输出可路由到预处理器150或直接发送到组合器130从而与编码器输出数据124组合。
[0022]虽然图1的示例演示了传感器140位于容纳编码器110的编码器模块190的外部并且与电气电路/部件相关联，但是另外或可替代地，一个或多个这种传感器可在模块190内或在模块190上实现以监视机器健康和/或诊断信息。在这种替代示例中，预处理器150可经由内部总线(诸如从存在于编码器装置自身内的机器诊断传感器)来接收对应的传感器信号。
[0023]编码器模块190可包括预处理器150，将该预处理器150配置成在向组合器130提供处理的诊断数据154之前对诊断传感器数据134执行分析。预处理器150同样可以是控制编码器装置的部件的微处理器或微控制器。如在此所公开，由预处理器150执行的预处理可基于程序数据192来编程，其可取决于信号的类型(例如模拟或数字)以及部件的类型或配置或者所感测的机器120的状况。例如，程序数据192可基于传感器140的类型来指定由预处理器150执行的特定类型的预处理，并且因此可对预处理器150编程从而诸如通过滤波、快速傅里叶变换、采样、量化等将感测的信号转换为不同的形式。该预处理可促进将预处理的感测信号与位置或旋转数据组合，或者其可减少发送诊断数据所需的有效带宽。另外或可替代地，程序数据192可指定用于机器的物理和操作特征(例如，轴承的数量和类型、预期的负载、操作频率等)。另外，程序数据可指定编码器110的类型和编码器输出124的输出规范。基于程序数据192，预处理器150可因此通过对由一个或多个传感器140所获取的数据执行比较，施加数学运算符、统计分析和/或逻辑运算符来分析信号。
[0024]作为示例，预处理可将感测的信号或其处理版本与诸如可包括平均值、标准(norms)，或其它预先存储的特征的一个或多个其它预定值进行比较。例如，可相对于轴承振动分布(例如，为这种机器所确定的正常操作参数)或相对于为特定机器考虑正常操作的先前记录的状况来比较为机器轴承所感测的振动数据。规范的机器状况的该“预记录”可例如以预定或统计上确定的时间间隔经由操作者输入，或经由远程系统180，而在本地触发。作为更进一步的示例，预处理器150可诸如通过基于其它预处理来调节采样率，来使用程序数据192控制一个或多个传感器140的操作。
[0025]借助于进一步的示例，预处理器150可执行快速傅里叶变换(FFT)分析来分析来自机器120的信号。这可包括针对预定阈值来监视传感器诊断传感器数据134，并且如果超过阈值则发起本地警报(例如，启动在电动机处的灯以警告操作者)。例如，如果检测到在运动的一个或多个特定轴中的机器振动高于预定振动阈值，并且对于包含在机器内的轴承类型处于警告频率处，则预处理器150可启动警报。同样可通过预处理器150来利用对该状况/事件或其它状况/事件的检测，以诸如通过增加采样率作为响应而进一步控制由传感器140执行的测量。诸如通过根据检测到状况/事件的位置/速度来增加用于给定传感器140的采样率，预处理器150同样可使用由编码器110测量并且在编码器输出124中提供的位置和/或速度来调节这种控制。因此，可关于用于机器的预定阈值或状况以及基于编码器信息124来获取附加的详细机器诊断信息。预处理器150同样可将警报消息封装在处理的诊断数据154中，用于在远程系统180处的进一步处理和录入。例如，在接收到警报消息时，远程系统180可警告管理者(例如，经由本地显示/声音警报或经由诸如电子邮件的电子消息)。远程系统180同样可取决于所接收的警报/消息的性质来自动改变机器120的操作-包括关机。
[0026]预处理器150的其它处理方面可包括更复杂的分析，诸如操作经由接收的诊断传感器数据134随时间推移监视机器120的学习部件(例如分类器)。这种部件可被训练关于机器的正常操作，以及基于来自对机器120的预测统计概率的偏差生成警报。
[0027]作为另外的示例，程序数据192可存储在诸如非易失性的编码器模块的存储器中。诸如在此所公开的，预处理器同样可使用包括指令的易失性存储器，该指令用于执行诊断分析和同步，以及用于处理接收的诊断传感器数据134，并且监视编码器输出数据124。可响应于程序指令PROG来对程序数据编程。诸如通过将计算机或其它设备经由适当的连接器连接到编码器模块，可经由本地接口 194接收程序指令PR0G。另外或可替代地，程序指令PROG可从远程系统180提供，在通信级170的接收器176处接收，并且在存储器中存储为程序数据192。例如，存储器同样可远程预加载典型或标准的数据，例如包括轴承振动分布、共振频率、机器惯性特征等。
[0028]可将组合器130配置成将处理的诊断数据154与编码器输出信号124聚集以提供组合信号160，该组合信号160包括与表示机器120的运动和/或位置中的至少一个的编码器数据同步的处理诊断数据。例如，组合器130可向调制到相对低频编码器信号上的高频信号提供作为媒介(intermediate)的处理的诊断数据。可根据标准的通信协议(例如，PR0FIBUS、M0DBUS、CANopen、工业以太网、DeviceNet等)来提供编码器信号。组合器130可因此提供组合的输出信号160以包括同样作为载波信号操作的编码器输出信号(根据期望的协议封装)，将处理的诊断数据154调制到该载波信号上。
[0029]预处理器150可控制向组合器130提供哪些处理的诊断数据(例如，来自一个或多个传感器)用于调制到编码器信号上。这种处理的诊断数据154到编码器信号脉冲上的放置因此本身可提供与对应的编码器信息(即电动机的位置和/或速度)所需的时间同步。例如，预处理可基本上实时发生，以使得处理的诊断数据基本上与被感测的机器状态同时提供，并由组合器130放置在与测量的时间相应的编码器输出信号流124上。因此，通过从组合信号的编码器部分确定电动机的位置或速度，可在处理的诊断数据中提供用于与每个感测机器状况对应的机器的位置/速度的参照系(a frame of reference) ο
[0030]为了提供另一个同步的示例，预处理器150可监视关于编码器每转(revolut1n)生成一次的编码器标记脉冲而时间同步的编码器输出信号(例如一系列脉冲)124。基于标记脉冲(或计数位置脉冲A和B)，预处理器150可控制何时向组合器130提供处理的诊断数据154。例如，数据可同步到经过标记脉冲的一转的一部分，或在另一个示例中，同步到经过给定标记位置的若干转。在同步的另一个示例中，预处理器150可针对给定的脉冲频率监视编码器输出信号124，并且当机器已经达到给定的速度时提交数据给组合器130。基本上任何类型的机器事件可由预处理器150监视，并用于将从传感器140接收的诊断传感器数据134同步到相应的事件(例如，在经过标记的100个计数处所记下的加速事件，每隔1000个标记脉冲的振动事件等)。
[0031]编码器模块190同样包括通信级170，该通信级170经由在172处示意性演示的电缆从组合器130向远程系统180提供组合信号160。例如，通信级170可包括发送器174(例如，一个或多个线路驱动器)，该发送器174经由电缆172(诸如双绞线导体)发送用于驱动长距离的信号。如在此所公开的，通信级170同样可包括接收器176，以接收用于对编码器模块编程的程序指令(PROG)，其包括程序数据192。
[0032]远程系统180可以是用于机器的控制系统，但可能是其它类型的系统，诸如包括监视接收的诊断数据和编码器数据的软件和/或硬件的一个或多个专用计算机或计算机网络。如在此所公开的，可在远程系统180处实现解组合器以将编码器输出信号124与处理的诊断数据154分开。术语组合器与解组合器(及其变型)基本上指分别用于组合与分开多个数据信号的任何方法。例如，这可包括例如复用与解复用、调制与解调、混合与滤波。作为一个示例，如上所述，处理的数据154可由组合器130调制为在较低频率编码器输出信号124上载运的高频分量。也就是说，编码器信号可操作为载波信号，处理的诊断数据调制到该载波信号上。虽然将组合器130演示为与通信级170分开，但是组合器可与通信级集成以实现向远程系统180发送组合信号。
[0033]诸如在此所公开的，传感器140(或多个传感器)可安装在各种位置中，并且可以基本上包括任何类型的模拟和/或数字传感器。在一些示例中，传感器可安装在计算机120上(或其附近)的各点处，而每个传感器输出向I/O端口 144(或多个端口)提供诊断数据134。传感器140同样可包括数字传感器，诸如过速传感器、风机传感器、过滤传感器等，其可取决于机器120的目的和应用而改变。在另一个示例中，传感器140可安装在编码器110内或其附近。在一些情况下，编码器110的外壳或者在编码器与机器之间的联轴器可起用于监视机器120的性能的换能器(例如，监视用于电动机的温度、振动或机器的轴承振动的编码器外壳)的作用。在这种情况下，来自编码器110的传感器输出可路由到预处理器150或直接发送到将要与编码器输出数据124组合的组合器130。在传感器实施方式的其它示例中，一些传感器140可安装在机器120处，而其它传感器可安装在编码器110处。
[0034]如在图1中所演示的，作为一个示例，编码器110、组合器130、预处理器150和输出级可全部封装为一个编码器模块190。各种其它配置是可能的。例如，可将预处理器150、组合器130和通信级170封装为与现有编码器应用程序一起安装的附加模块，该现有编码器应用已经与相应的机器120—起安装。在另一个示例中，可将编码器110和预处理器150封装在一个模块中，而将组合器130和通信级170封装为独立模块的一部分。用于编码器110、组合器130、预处理器150和通信级170的各种其它封装组合同样是可能的。类似地，I/O端口 144可以是其中在单个点处接收几个传感器输入的穿墙式连接(bulkhead connect1n)的一部分，或I/O端口可表示位于编码器模块190上各点处的多个端口。
[0035]应注意，这里所描述的示例可经由不同的模拟和/或数字电路实施方式来提供。诸如将参考信号与传感器信号比较的比较器的一些部件可用作分立实施方式，以及在其它示例中，经由预处理器指令操作并经由D/A和A/D转换器交换数据的控制器可用于监视数据并且生成输出信号。编码器模块190可采用监视电气参数(诸如监视电压、电阻、电容、电感和/或电流)的各种构件。同样可采用能够将这些参数数字化，将这些参数的数字解释存储在其存储器中，并将获取的值与在模块190的操作中的事件相关联的微控制器或其它控制电路(例如，DSP)。这可包括例如用机器诊断信息的获取值来执行逻辑和算术运算。另外，由于机器诊断信息通过现有电缆(例如，一个或多个双绞线)发送，所以无需另外延伸昂贵的连接，这在许多情况下可延伸约100英尺或更多(例如，通常大于1000英尺并且在一些情况下为I/2英里或更多)。
[0036]在一些情况下，系统可自监视其自身的布线和操作状况。示例将是系统100的输入电压的监视。如果记录下输入电压降低到预设定阈值之下的事件，则预处理器150可将该数据或警报包括在发送给组合器130的诊断信息中。在另一个示例中，系统可监视连接到输出状态170的输出和现有电缆系统的行为，包括短路、阻抗不匹配导致信号回波、外部噪声在信号上叠加或干扰信号，或者使导线开路或未连接。此外，预处理器150可将该行为包括在发送到组合器130的诊断数据中。可替代地或另外地，如果确定现有的通信链路不能发送诊断数据，则可将组合器130和/或输出级170动态地重新配置成通过被确定为更适于发送的一个或多个不同导线来发送诊断数据。例如，预处理器150可分析现有的主要通信路径的质量和/或一个或多个其它可用的次要路径的质量，并且基于这种分析而选择性地控制哪条路径(例如，哪根导线或哪些导线)提供组合信号。在一些示例中，可将关于在通信中的错误的信息从远程系统作为反馈向编码器模块190发送信号，用于为组合信号调节所采用的路径和/或带宽。例如，如果关于当前路径的诊断信息指示另一条路径(例如，电缆对)会更适于将组合信号发送到远程站，则预处理器150可使通信级将组合信号重新路由到另一条通信路径。可替代地，预处理器150可调节采样率或者组合器130可调节诊断内容从而最优地适于电缆状况。可将该诊断信息的任何部分或全部发送给远程系统180。例如，预处理器150可响应于确定关于通信路径的诊断信息指示发送组合信号的潜在带宽的降低，来修改组合信号、警报或数据的内容。
[0037]系统100同样可使用内部或外部的单独或组合的传感器数据134，以校正和/或提供关于编码器的位置或速度数据本身的警报。在一个示例中，编码器速度传感器110目前示出零速度，而来自振动传感器的数据指示机器旋转。通过示例，可基于在振动传感器数据与编码器数据之间的差异，由预处理器150生成警报，其中可将警报发送给远程系统180和/或在本地显示。因此，这种警报可指示编码器速度系统的可能故障或与机器轴的断开。在另一个示例中，编码器110指示由于在速度感测系统中的缺陷而导致的快速的速度波动。来自其它机器传感器140的输入以及预先存储的机器惯性特征可关于编码器的速度信息相关联，以生成由编码器示出的速度波动可能无法准确地表示机器运动的警报。可替代地，预处理附加机器传感器输入可用于校正或偏移编码器的速度或位置信号。该校正或警报功能可包括在编码器110、预处理器150或组合器130中。
[0038]图2示出基于编码器数据将与机器的运动或位置同步的机器诊断数据组合的已安装的机器和编码器系统200的示例。在其中编码器模块220物理地连接到机器的示例配置中示出机器210。编码器模块220的外壳可附接到机器210，或者可通过在编码器模块与机器之间的机械联轴器而分开，该机械联轴器将机器的轴物理地链接到在编码器上的轴。如图所示，机器可具有示为传感器1-N的一个或多个传感器230，其中N为正整数。传感器230可安装在机器210中，安装在机器上，或者可用于监视在机器外部的环境状况，并且因此与机器间隔开单独地安装。一个或多个其它传感器232可安装在编码器模块220中或附接到编码器模块220。传感器230和232中的每一个可配置成监视或测量与机器250的健康相关的状况，诸如在此所公开的，其测量状况与由编码器传感器280监视的电动机位置或速度不同。如在此所公开的，可在编码器模块220的I/O端口 240(或多个端口)处接收从传感器230输出的机器传感器信号。来自传感器232的机器传感器信号可经由有线或无线通信链路提供给I/O端口240，或经由内部总线提供给预处理器254。
[0039]如在此所公开的，可将系统200配置成报告实际的实时诊断事件或警报。在一些示例中，可将系统配置成执行处理和/或比较分析或利用学习系统来实现基于趋势或重复事件的预测性诊断。预测性诊断进一步可使得能够通知本地操作者或远程站180存在在参数超过可接受的标准之前将发生警报状况的可能性(到预定的统计概率)。
[0040]将编码器传感器280配置成监视机器的运动和/或位置。编码器传感器280可以是增量编码器或解析器，例如其提供表示机器250的轴关于轴线的旋转运动的编码器输出信号。可将编码器传感器280配置成使用各种技术诸如光学技术(例如，经由一个或多个光电二极管来检测光)、磁技术(例如，经由霍尔效应或磁阻传感器来检测磁性元件)、导电技术、感应技术或电容技术等。编码器传感器280提供指示耦接到编码器传感器的机器(例如，旋转电动机或发电机)的位置和/或速度的电气输出。
[0041]预处理器254接收诊断数据，传感器230和232除了将该数据与编码器2同步之外还对该数据执行分析。可对预处理器编程从而如相对于图1所述地操作。来自编码器280和预处理器的输出以同步的方式由组合器260组合，该组合器260提供组合输出信号给输出级270，用于向远程系统的发送。如上所述，对于编码器模块220，各种组合是可能的，其中在模块中所描绘的部件的全部或一些可存在于编码器模块的内部和/或外部。在该示例中，一个或多个机器传感器232同样可安装在编码器模块220中。
[0042]将来自传感器230和232的输出发送给预处理器254，用于由组合器260将该来自传感器230和232的输出与编码器输出信号最终组合。组合器260可向输出级270提供聚集的编码数据和机器诊断数据。如关于图1所公开的，在组合信号中的机器诊断数据因而可与如由来自编码器传感器280的编码器信号所表示的机器位置或运动同步。
[0043]同样可将来自传感器230和/或232的输出和/或来自预处理器254的输出用于校正由速度/位置传感器280创建的速度或位置数据。可替代地或另外地，可由预处理器254生成警报，并且将该警报发送给组合器260以通知本地或远程用户速度传感器280正在发生故障或者正在最低限度地操作。
[0044]图3示出演示由编码器模块(例如，图1的编码器模块190或图2的模块220)生成的组合的编码器和诊断信号的发送和接收的示例系统300。在图3的示例中，组合信号从编码器模块(例如，对应于模块190或220)传送到解组合器320，该解组合器320由包括一段诸如约100英尺或更多(例如，1/2英里或更多)的布线330的路径与在模块310处的组合器分开。编码器模块310和解组合器可位于同一栋建筑物中或分开的建筑中。
[0045]通信路径330可包括导电布线(例如，双绞线)、无线电台、中继站，连接在光纤收发器之间的光纤或其它通信技术中的一个或多个分段。作为一个不例，路径330包括诸如在编码器模块310和解组合器320之间延伸约100英尺或更多(例如，1/2英里或更多)距离的一段导电布线。取决于路径所经过的环境和关联噪声，路径可包括一种或多种通信技术的多个分段从而帮助确保信号完整性。编码器模块310和解组合器可以位于同一栋建筑物中或分开的建筑中。组合信号可包括表示来自编码器的较低频率位置数据的编码器数据。
[0046]在图3的示例中，为了说明的目的，为在编码器模块310与远程站320之间的通信路径330示出单根导线。然而，可将一根或多根(例如，3根或更多根双绞线)导电电缆或其它类型的通信路径(光学和/或无线链路)实现为路径330，以提供承载编码数据(例如，A，/A，B，/B，C，/C)与机器诊断数据二者的组合信号。在一些示例中，通过一根或一对导线通信的六个编码器信号中仅有一个具有组合的编码器和诊断数据。在其它示例中，通过多根导线或导线对通信的一个以上的信号可包括组合的编码器数据和机器诊断数据。
[0047]在一些情况下，诸如在当可能没有经由简单的导电电缆有效穿过路径330时的情况下，可将组合信号经由次要路径(例如，备份通信路径)340发送给远程站320。如同路径330，次要路径340可包括一根或多根导电导线(例如，双绞线)、无线广播、中继站、光纤收发器或其它通信技术，其可完全或部分地取代主要数据通信路径330中的一个、几个或全部的分段。在一些示例中，次要路径340可包括相同的物理路径330，但表示已修改用于通过这种路径传送组合信号的通信技术。对于其中使用相同的物理路径(例如，一个导线或导线对的导电路径)用于发送组合信号的示例，可将调制的类型修改为更抗噪声的另一种类型的调制(例如，通过减少正交幅度调制(QAM)的阶次)。
[0048]在图3的示意性示例中，组合信号可包括叠加到编码器数据上的诊断数据，诸如其中诊断数据表示调制到编码器信号上以提供组合信号的高频分量。在该示例中，诊断数据相对于编码器数据的放置(例如，信号加总)可提供在编码器信息与机器诊断信息之间的同步。诊断数据可以是原始机器传感器数据、预处理的传感器数据、诊断消息、警报消息、维护消息、统计数据、指示在机器上的磨损的健康数据，以及与机器或机器传感器(例如，图1的传感器140;图2的传感器230和232)相关的基本上任何其它类型的数据。在一些示例中，诊断数据同样可包括关于编码器模块或机器或编码器电缆(包括用于数据通信和/或电力和/或编码器模块的电缆)的诊断信息。来自解组合器320的输出以示为编码器数据输出和诊断数据输出的组成部分的方式提供从编码器模块310接收的组合信号，随后可由远程系统(或多个系统)处理该编码器数据输出和诊断数据输出。解组合器的功能可以是由在编码器模块310(例如，去复用器、解调器等)处的组合器所实现的功能的逆转。
[0049]图4示出可被实现用于分析机器诊断数据(例如，对应于图1的预处理器150或图2的预处理器254)的预处理器400的示例。预处理器400可包括存储器420，该存储器420包括可由预处理器的处理器核执行为指令的各种功能模块(例如，代码块)。可将存储器实现为可包括易失性、非易失性或它们的组合的非暂态机器可读介质。在一个示例中，预处理器400可以是与存储器420分开的微处理器。在另一个示例中，预处理器400可以是其中存储器420嵌入在预处理器中的微控制器。尽管根据在存储器420中存储的指令来讨论在此描述的模块，但是应注意的是，可将在此公开的一个或多个模块的功能实现为向预处理器400提供处理资源的分立电子设备和/或电路。
[0050]借助于示例，一个分析模块可以是快速傅立叶变换(FFT)模块430。这种模块可用于将从一个或多个传感器(例如，图1的传感器140或图2的传感器230和232)采集的时域信号转换成相应的频域数据用于进一步分析。例如，预处理器400可关于可存储在存储器420中的用于给定的传感器/电动机组合及其操作的频率分布来分析这种频率。作为另一个示例，可关于预定阈值来分析相应的频率(例如，来自被配置成测量在一个或多个方向中的机器外壳的机器加速度的加速计)，诸如分析给定的频率对于从时域变换的给定事件是否在下限和上限范围内。FFT可集成在预处理器的功能内和/或被提供为单独的处理算法的一部分。
[0051]可从存储器420执行的另一个模块包括统计模块440。这可包括可向采集的传感器数据或向在由预处理器的一个或多个其它分析模块处理之后的传感器数据施加的基本上任何类型的统计处理。例如，可对统计模块440编程以确定随时间推移的平均传感器值。作为另一个示例，统计模块440可确定用于诊断数据集以及用于测量在针对给定的读数和/或数据集来计算的概率的预定阈值内的传感器数据的一个或多个统计概率。如前面提到的，可采用训练为机器的正常操作的分类器。这种分类器为在充分训练之后分析的每个传感器输入提供预测概率。可替代地，分类器可为每个传感器输入提供预测概率，该预测概率经由与预定制造商的部件标准的比较来分析，公开一个或多个部件的诊断特征或以用于给定机器的获得并存储在存储器中的基线(baseline)正常操作数据为基础。如果来自诊断读数的趋势开始随时间的推移而漂移，例如如果分类器确定已经越过统计阈值，则然后可生成警告和/或警报。同样可将分类器训练成例如对于从多个传感器聚集的一组传感器数据来计算概率。
[0052]在存储器420中的另一个模块包括阈值模块450。可将阈值模块450配置成存储预设定值(例如，响应于用户输入，诸如存储在程序数据192中)以定义用于给定的传感器读数、一组多个传感器读数的一个或多个操作阈值，或用于可由预处理器400执行的诊断过程的阈值(例如，设定为在启动警告之前可发生多少次噪声事件的阈值计数器)。可响应于用户输入来对阈值编程，并且可取决于所监视的机器的配置来改变该阈值。阈值可表示电压、电流、计数器设定、FFT读数、数字值、模拟值、统计值等。同样可调节范围设定，其中为给定值设定高和低阈值用于定义一个或多个范围。在其它示例中，可将一个或多个传感器实现为当阈值满足时激活的开关，并且阈值模块450(或在预处理器400中执行的其它功能)可监视响应于这种开关的激活而操作的开关输出。
[0053]在另一个示例中，存储器420可包括动态调节模块460。动态调节模块460可用来改变如何对传感器采样和/或如何响应机器的系统事件或状况。可例如基于机器的传感器信号(例如，原始的传感器信号和/或处理的数据)对传感器或采样率进行调节。作为示例，间歇高速事件可能必须使得用于给定传感器的它的采样率调节为更高速度，以便充分采集与事件相关联的信息。作为另一个示例，如果以给定的采样率检测事件，则可提高采样率从而采集关于该事件的附加细节。诸如温度的较慢参数可能以较低的速率采样，因为温度通常不会以快速的方式改变。
[0054]在另一个示例中，可将动态调节模块460编程为在特定位置处或以机器运动的某些速度由相关联的机器传感器来修改感测。例如，如果检测到在特定的角位置处发生的机器状况，则可对于以检测到事件的位置为中心的一个范围的角位置(例如基于指示来自传感器的给定采样参数落在正常范围之外的分析)增加采样率。这可能是，这种事件是异常的或者仅很少地或在一个特定的电动机位置处发生。例如，可采集并确定加速计传感器读数从而对应在机器行程(machine traveI)的一个特定点处的超出范围的振动。在这种点(或多个点)处，可进行动态调节以取决于应用或多或少地频繁对给定点采样。例如，可确定事件与负载的已知添加或去除或者在给定位置处可随时间推移发生的其它状况同时发生。因此可对动态调节模块460编程从而响应于确定相对于给定的指定位置的相关事件的发生来动态地调节用于给定参数的阈值。动态调节可应用于用于传感器信号的采样率、传感器数据的处理速率、数字滤波常数、阈值调节、统计调节、FFT参数调节等。
[0055]可在存储器420中执行的另一个模块包括消息处理模块470。可将消息处理模块470配置成生成一个或多个消息，以提供包括关于检测事件的信息的通知。在一些示例中，可从在具有预定含义的存储器中存储的一组预编程消息(例如，对于振动传感器A，阈值超过)代码来选择消息。同样，可在描述检测事件(例如，其可描述用于检测的事件和阈值电平的参数值)的给定消息中对动态信息编码。可在编码器或机器处或编码器或机器附近在本地提供消息。例如，可通过打开指示诸如关于图5所公开的机器的操作状况的灯或LED来生成本地消息。另外或可替代地，可发送远程消息(例如，通过组合器)作为如在此所公开与编码器位置数据组合的诊断数据的一部分。
[0056]预处理器400同样可包括同步模块480。将同步模块480编程用于使接收的传感器数据和/或处理的传感器数据与编码器的位置或速度同步。诸如基于在编码器输出信号中指示的参考标记，可将位置编程为与在编码器的给定转内的任何点处的诊断数据同步。同样可在编码器的预定转数之后以及在整体机器运动中的一些其它点处实现机器诊断数据的同步。例如，可响应于用户输入或基于由预处理器400的另一个分析模块确定的事件来对诊断数据所同步的位置或运动编程。
[0057]图5示出用于从处理机器诊断数据的编码器模块510生成本地和/或远程消息的系统500。在该示例中，编码器模块(例如，对应于模块190或220)510经由在机器520内和/或在编码器模块中安装的传感器(未示出，但参见例如图1的传感器140，图2的传感器230和232)来监视机器。如果确定传感器读数或预处理器诊断信息(例如，通过图1的预处理器254或图4的预处理器400)在给定的阈值设定之外，则在一个示例中，编码器模块510可激活本地警报530 ο可例如通过将灯或LED的颜色从一种颜色改变为另一种颜色(例如，取决于警报的性质将LED从绿色改变为黄色或红色)或从关闭改变为打开来实现这种本地警报530。另外或可替代地，本地警报530同样可包括发送到本地显示器的可听消息或可视消息(例如，文本和/或图形)。在另一个示例中，本地警报530可仅仅是诸如黄色的颜色，黄色指示应对于其中机器运转的工厂在下一个计划停机处对机器执行例行维护。
[0058]除了生成本地警报530之外，编码器模块510可发送警报数据来触发一个或多个远程警报580 ο例如，如在此所公开的，编码器模块可包括组合器532，将该组合器532配置成对应于机器诊断数据将警报消息与编码器的位置/运动数据组合。可通过将编码器模块510和远程系统互连的路径540来提供组合数据。路径540可延伸可例如超过约100英尺或1000英尺，而且在其它示例中甚至高达1/2英里或更多的长度。例如可由在通信电路542和544之间可通信地耦接的屏蔽导电电缆的一根或多根双绞线来实现路径540。该路径540同样可由一个或多个无线的无线电收发器、光纤收发器或其它通信系统单独组成，或与一个或多个导电电缆分段组合。如上所述，由于远程消息和其它机器诊断数据与编码数据组合，所以无需新的附加布线或收发器系统通过路径540提供组合数据。
[0059]可经由在远程系统560处实现的解组合器550从组合的数据信号提取远程消息。解组合器可向可生成远程警报580的输出模块552提供所提取的远程消息。例如，可将远程警报580生成为包括可听警告声、显示器更新，或警告灯。另外或可替代地，可将提取的远程消息经由诸如可包括局域网和/或广域网(例如，因特网)的网络582提供给一个或多个远程客户端586。例如，远程系统560可包括网络接口 584，其提供用于在远程系统560和网络582之间的通信。作为示例，电子消息可向远程用户提供随着附加诊断信息触发的远程警报的指示。可将电子消息实现为使用一种或多种消息处理技术，诸如可包括寻呼、即时消息处理、文本消息处理、音频电话消息，和/或电子邮件消息。远程客户端586同样可提供图形用户界面(GUI)，用户可使用该图像用户界面来访问由远程系统560实现的其它特征或控制装置590。例如，GUI可提供仪表板，该仪表板基于在组合信号中提供的诊断信息来显示与机器520相关联的当前和/或历史诊断信息。GUI同样可使用户能够访问被配置成控制机器520和/或编码器模块510的操作的控制装置590。作为示例，可将客户端586编程为控制编码器模块510调节一个或多个传感器操作或感测信号的采样率，激活或停用一个或多个传感器。在另一个示例中，用户586可上传新的或现有的机器特征，诸如重建轴承分布和相关联的频率数据。在其它示例中，远程客户端586可诸如通过调节电动机控制信号来控制电动机的操作。可经由相同的通信路径540将这种电动机和编码器的控制提供给编码器模块作为控制数据。
[0060]同样可将控制装置590配置成基于由解组合器从组合信号提取的编码器数据以自动方式经由路径540提供电动机和/或速度控制信号。同样可将控制装置590配置成通过路径540提供编码器控制指令，用于编程并且控制编码器模块510的操作。
[0061]鉴于上述的前述结构和功能特征，将参考图6更好地理解与本公开的各个方面一致的方法。虽然，为了说明的简单性目的，图6的方法示出并且描述为连续执行，但应理解并了解，该方法不受所示的次序限制，因为根据本公开的一些方面可以以不同的次序和/或与在此示出并描述的其它方面同时发生。此外，并非可能需要所有示出的特征来实现如在此所述的方法。
[0062]图6示出用于以与机器的运动或位置同步的方式将机器诊断数据与编码器数据组合的方法600的示例。可以在这里公开(例如，图1 -5)的任何示例系统中实现该方法。在610处，方法600包括生成(例如，经由图1的编码器110或图2的编码器传感器280)指示机器的运动或位置中的至少一个的用于机器(例如，旋转电动机)的编码器输出信号。在620处，方法600包括经由一个或多个传感器(例如，图1的传感器140，图2的传感器230和/或280)监视机器。这种传感器生成诸如可经由模拟或数字信号提供的机器诊断数据。在630处，方法600包括将编码器输出信号与从传感器中的至少一个接收的机器诊断数据组合为与机器的运动或位置中的至少一个同步的组合输出信号机器诊断数据。机器诊断数据可以是诸如可包括如在此公开的信号处理和/或分析的处理数据(例如经由图1的预处理器150或图2的预处理器254)。方法600可包括在此公开的附加特征。组合信号可以经由通信路径(例如，图3的路径330或340)传送给远程站点。
[0063]已经在上面描述的是示例。当然不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但本领域的普通技术人员将认识到，许多进一步的组合和置换是可能的。因此，本公开旨在包含落入包括所附权利要求的本申请范围内的所有这种变更、修改和变化。如在此所使用的，术语“包括”是指包括但不限于，术语“包含”是指包含但不限于。术语“基于”是指至少部分地基于。此外，在本公开或权利要求表示“一”、“一个”、“第一”或“另一个”元件或其等同物的地方，应该解释为包括一个或一个以上的这种元件，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。
【主权项】
1.一种系统，包括: 编码器，其监视机器并且生成指示所述机器的运动或位置中的至少一个的编码器输出信号；以及 组合器，其接收来自所述编码器的所述编码器输出信号，以及接收基于来自至少一个传感器的传感器数据的机器诊断数据，所述组合器将所述机器诊断数据与所述编码器输出信号组合，以提供包括与所述机器的所述运动或位置中的所述至少一个同步的所述机器诊断数据的组合信号。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括预处理器，所述预处理器分析所述传感器数据并且基于来自所述至少一个传感器的所述传感器数据的所述分析而生成处理的诊断数据，在所述组合信号中所述处理的诊断数据与所述机器的所述运动或位置中的所述至少一个同步。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述预处理器关于至少一个诊断阈值来分析所述机器诊断数据，并且如果超过所述至少一个诊断阈值，则生成消息。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述消息被提供为在所述编码器处或所述编码器附近的本地警报或者是在所述组合信号中与所述编码器输出信号组合并且发送给远程系统的远程警报中的一个警报。5.根据权利要求2所述的系统，其中所述预处理器被配置成执行快速傅里叶变换(FFT)，以将与来自所述至少一个传感器的所述传感器数据对应的时域传感器数据转换成频域数据，所述频域数据通过所述组合器与所述编码器输出信号组合，并且提供给与所述编码器输出信号同步的远程系统。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述预处理器被配置成关于阈值来分析所述频域数据，并且基于所述分析提供在所述组合信号中的所述处理的诊断数据。7.根据权利要求5所述的系统，其中所述预处理器进一步包括动态调节模块，所述动态调节模块被配置成基于由所述FFT确定的所述频域数据来调节用于所述至少一个传感器的米样率。8.根据权利要求2所述的系统，其中所述预处理器进一步包括动态调节模块，所述动态调节模块被配置成基于来自至少一个机器传感器的所述传感器数据的分析，修改用于所述至少一个传感器的操作参数。9.根据权利要求2所述的系统，其中所述预处理器进一步包括动态调节模块，所述动态调节模块被配置成基于所述机器的所述位置或速度来修改用于所述至少一个传感器的操作参数。10.根据权利要求2所述的系统，其中所述预处理器进一步包括动态调节模块，所述动态调节模块被配置成调节应用于所述处理的诊断数据以检测预定的机器事件的机器诊断阈值。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述动态调节模块被配置成基于来自至少一个其它机器传感器的传感器数据的分析或者由所述编码器输出信号指示的所述机器的所述位置或速度中的至少一个，修改由所述预处理器用来分析用于所述至少一个传感器的所述传感器数据的所述机器诊断阈值。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述组合器被配置成采用所述机器诊断数据对所述编码器输出信号进行调制，以提供所述组合信号。13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括通信级，所述通信级在通过在所述编码器与所述远程系统之间的现有通信路径向远程系统发送所述组合信号。14.根据权利要求13所述的系统，其中所述现有通信路径包括用于将所述编码器输出信号传送给所述远程站的主要通信路径， 其中机器诊断数据包括关于所述主要路径的诊断信息，如果关于所述主要路径的诊断信息指示用于所述主要通信路径的质量低于质量阈值，则所述组合信号通过另一条通信路径被发送给所述远程站。15.一种方法，包括: 生成指示所述机器的所述运动或位置中的至少一个的用于机器的编码器输出信号； 经由一个或多个传感器信号监视所述机器，并且生成表示所述机器特征的机器诊断数据； 将所述编码器输出信号与所述机器诊断数据组合以提供组合信号，在所述组合信号中所述机器诊断数据与所述机器的所述运动或所述位置中的至少一个同步。16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括处理所述机器诊断数据以生成处理的诊断数据，将所述处理的诊断数据与所述编码器输出信号组合在所述组合信号中。17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括相对于在所述编码器输出信号上的至少一个脉冲的频率同步所述机器诊断数据的采集，以生成与所述机器的所述运动同步的所述处理的诊断数据。18.根据权利要求15所述的方法，其中处理所述机器诊断数据进一步包括: 关于至少一个诊断阈值分析所述处理的诊断数据；以及 如果超过所述至少一个诊断阈值，则生成消息。19.根据权利要求16所述的方法，其中所述处理进一步包括: 执行快速傅立叶变换(FFT)，以将与所述一个或多个传感器信号中的给定信号对应的时域数据转换成频域传感器数据； 关于所述至少一个诊断阈值分析所述频域传感器数据，以提供表征所述机器的健康的所述处理的诊断数据。20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括通过在生成所述编码器输出信号的编码器与所述远程系统之间的现有通信路径，向远程系统发送所述组合信号。21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括: 分析所述通信路径的质量；以及 基于所述分析来控制所述组合信号的所述发送。22.—种编码器装置，包括: 编码器，其生成指示旋转机器的运动或位置中的至少一个的编码器输出信号； 预处理器，其分析指示所述旋转电动机状况的至少一个传感器信号，并且基于所述分析提供电动机诊断数据； 组合器，其将所述电动机诊断数据与所述编码器输出信号组合以提供组合信号，在所述组合信号中所述电动机诊断数据与由所述编码器输出信号指示的所述旋转电动机的所述运动或位置中的所述至少一个同步；以及通信级，其向远程系统提供所述组合信号。
【文档编号】G05B23/02GK105829984SQ201480070212
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年10月22日
【发明人】W·P·尼罗, B·温特
【申请人】尼得科电机有限公司