控制器、设备的控制和状态监测方法与流程

本发明涉及设备的控制和状态监测技术领域，尤其涉及用于设备的控制和状态监测的控制器、设备的控制和状态监测方法。

背景技术：

在工业控制领域，设备的控制系统(又称“电控系统”)和状态监测系统是非常重要的两个系统。现有的控制系统(又称“电控系统”)和状态监测系统是两个相互独立的系统。现有的控制系统包括第一控制器和io模块(又称“输入输出模块”)，可以进行功率测量、转速测量和温度测量等，对设备的运行进行控制。现有的状态监测系统包括第二控制器、采集模块和传感器(例如：振动传感器、温度传感器、转速传感器等)，对设备的运行状态，尤其是振动状态进行监测。状态监测系统能够优化维修策略、控制维护成本，即通过实施在线监测，提高设备的可靠性、减少非计划停机次数，为智能工厂实施状态检修提供可靠依据。利用信息技术、降低工作强度，即可在现场或远程直接监测设备运行工作状态及相关数据，从而大大降低设备日常监测强工作强度。通过对振动数据的分析，及早发现设备的潜在隐患，遏制故障发展，避免重大事故发生，大幅减少维修成本。

现有技术的控制系统的控制器中采集的所有数据用于设备的控制，不对设备内各部件的振动进行监测。现有技术的状态监测系统的控制器中分析需使用到的功率等信息，需通过控制系统的控制器传递而来。这样就需要约定两者间的通讯协议；或者两者将数据均传递给远程监控系统(例如scada)，由远程监控系统继续数据的融合分析。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供用于设备的控制和状态监测的控制器、设备的控制和状态监测方法，实现了设备的控制和状态监测的集成。

本发明的一个方面提供了控制器，用于设备的控制和状态监测，包括：

一控制模块，其位于一winacrtx平台，并能够接收设备的至少一第一信号；

一状态监测模块，其位于一windows平台，并能够接收设备的一振动信号；和

一数据通讯模块，其位于windows平台，并能够将控制模块接收的至少一第一信号传输至状态监测模块；

其中，状态监测模块根据振动信号和/或至少一第一信号判断设备的状态并输出一状态信号，数据通讯模块将状态信号传输至控制模块，控制模块根据状态信号执行相应的控制 策略，winacrtx平台与windows平台彼此独立，每一第一信号均不是振动信号。控制模块和状态监测模块集成于一个控制器中，实现了设备的控制和状态监测的集成。

在控制器的一种示意性的实施方式中，状态监测模块包括：

一振动信号输入单元，其能够接收振动信号，

一运算单元，其能够计算振动信号的幅值或均方根值或峰峰值，

一比较单元，其能够将振动信号的幅值或均方根值或峰峰值与一阈值进行比较，和

一报警信号产生单元，其在振动信号的幅值或均方根值或峰峰值超过阈值时输出一报警信号作为状态信号；

控制模块包括：

一第一信号输入单元，其能够接收至少一第一信号，

一接口单元，其能够将至少一第一信号传输给数据通讯模块并从数据通讯模块接收报警信号，

一控制信号产生单元，其能够根据报警信号产生一对应的控制信号，和

一控制信号输出单元，其能够向一执行机构输出控制信号以执行控制策略。状态监测模块接收振动振动信号并对振动信号进行分析处理，得出分析结论。这种分析处理方式简单，占据的运算资源少。

在控制器的另一种示意性的实施方式中，数据通讯模块包括：

一第一信号读取单元，其能够从控制模块中读取至少一第一信号，

一第一信号传输单元，其能够将读取的至少一第一信号传输给状态监测模块，

一状态信号读取单元，其能够从状态监测模块读取状态信号，和

一状态信号传输单元，其能够将读取的状态信号传输给控制模块。数据通讯模块一方面将转速、功率、温度等第一信号从winacrtx平台读出，并传输给状态监测模块；另一方面将振动信号从windows平台读出，并传输给winacrtx平台，是实现winacrtx平台的控制模块与windows平台的状态监测模块之间进行数据通讯的重要的桥梁。

在控制器的再一种示意性的实施方式中，数据通讯模块还包括：

一时钟读取单元，其能够读取windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟，

一时钟比较单元，其能够判断windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟是否一致，和

一时钟修正单元，其能够在windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟不一致时修正winacrtx平台的时钟。数据通讯模块winacrtx平台和windows平台进行时钟同步。

在控制器的又一种示意性的实施方式中，控制模块采用软plc，状态监测模块采用x-tool。该软plc基于高级语言编程，能够集成操作画面，进行灵活的文件操作，具有强大的控制功能。该x-tool程序能够基于机械振动频谱分析原理，进行振动数据的本地分析。

在控制器的又一种示意性的实施方式中，至少一第一信号包括转速信号、风速信号、功率信号和温度信号中的一种或几种的组合。每一第一信号均不是振动信号，避免了同一信号的重复采集，简化了系统的结构，降低了成本。

本发明的另一个方面提供了设备的控制和状态监测方法，包括：

在一winacrtx平台接收设备的至少一第一信号；

在一windows平台接收设备的一振动信号；

将至少一第一信号传输至windows平台；

根据振动信号和/或至少一第一信号判断设备的状态并输出一状态信号；

将状态信号传输至winacrtx平台；

根据状态信号执行相应的控制策略；

其中，winacrtx平台与windows平台彼此独立，每一第一信号均不是振动信号。该方法设备的控制和状态监测的集成。

在该方法的一种示意性的实施方式中，根据振动信号和/或至少一第一信号判断设备的状态并输出一状态信号的步骤包括：

计算振动信号的幅值或均方根值或峰峰值，

将振动信号的幅值或均方根值或峰峰值与一阈值进行比较，和

在振动信号的幅值或均方根值或峰峰值超过阈值时输出一报警信号作为状态信号；

根据状态信号执行相应的控制策略的步骤包括：

根据报警信号产生一对应的控制信号，和

向一执行机构输出控制信号以执行控制策略。这里对振动信号进行分析处理，得出分析结论。这种分析处理方式简单，占据的运算资源少。

在该方法的另一种示意性的实施方式中，在将至少一第一信号传输至windows平台的步骤和将状态信号传输至winacrtx平台的步骤之前还包括：

读取windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟，

判断windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟是否一致，

在windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟不一致时修正winacrtx平台的时钟；

将至少一第一信号传输至windows平台的步骤包括：

从winacrtx平台读取至少一第一信号，

将读取的至少一第一信号传输至windows平台；

将状态信号传输至winacrtx平台的步骤包括：

从windows平台读取状态信号，和

将读取的状态信号传输至winacrtx平台。winacrtx平台和windows平台在进行数据通讯前进行了时钟同步。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本发明上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明，其中：

图1是本发明的一个实施例提供的设备及其控制和状态监测系统结构示意图；

图2是本发明的一个实施例提供的控制器的结构框图；

图3是本发明的一个实施例提供的设备的控制和状态监测方法流程图；

图4是本发明的一个实施例提供的步骤s40的流程图；

图5是本发明的一个实施例提供的windows平台和winacrtx平台进行时钟同步的方法流程图。

标号说明：

10控制器

11控制模块

111第一信号输入单元

112接口单元

113控制信号产生单元

114控制信号输出单元

13状态监测模块

131振动信号输入单元

132运算单元

133比较单元

134报警信号产生单元

15数据通讯模块

151第一信号读取单元

152第一信号传输单元

153状态信号读取单元

154状态信号传输单元

155时钟读取单元

156时钟比较单元

157时钟修正单元

20振动采集模块

30振动传感器

40io模块

50第一传感器

60人机交互界面

70远程监控系统

80设备

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

下面讨论的各图以及被用来描述在该专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅以说明的方式并且无论如何不应该被解释成限制本公开的范围。本领域技术人员将会理解，可以在任何适当布置的设备中实施本公开的原理。将参考示例性非限制实施例来描述本申请的各种创新教导。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地示出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

本文中，方法的各个步骤用标号进行标示，但标号大小并不表示步骤之间的先后顺序。

图1是本发明的一个实施例提供的设备及其控制和状态监测系统结构示意图。从图1中可以看出，该设备的控制和状态监测系统包括控制器10，与控制器10电连接的振动采集模块20，与振动采集模块20电连接的振动传感器30，与控制器10电连接的io模块40，与io模块40电连接的第一传感器50。在一个示意性的实施方式中，该设备的控制和状态 监测系统还包括与控制器10电连接的人机交互界面(又称“hmi”)60。人机交互界面60通过dvi接口(图中未画出)与控制器10电连接。在一个示意性的实施方式中，该设备的控制和状态监测系统还包括与控制器10电连接的远程监控系统(又称“scada”)70。

设备80通常包括电机、齿轮箱、轴承(图中未画出)等重要机构。在这些重要机构安装一个或多个振动传感器30，以采集这些重要机构的振动信号。在一个示意性的实施方式中，振动传感器30采用加速度传感器或速度传感器或位移传感器。振动传感器30所采集的振动信号是高频率的信号，并被振动采集模块20接收。振动采集模块20的数目为一个或多个。在一个示意性的实施方式中，振动采集模块20采用西门子1fnvib-a振动采集模块，该模块可采集6路振动信号。振动采集模块20将振动信号传输给控制器10进行分析处理。控制器10根据该振动信号结合不同机械部件的固有频率特性进行分析，从而判断设备的运行状况，得出诊断报告。用户能够通过人机交互界面60观察设备的振动情况，获得诊断报告。

在设备80上或其周边安装一个或多个第一传感器50，以采集设备、环境等状态信息，即第一信号，例如设备的功率、转速和温度等。第一传感器50所采集的第一信号不是振动信号，即第一传感器50不是振动传感器。第一传感器50所采集的第一信号是数字或模拟信号，并被io模块40接收。io模块40的数目为一个或多个。在一个示意性的实施方式中，io模块40采用et200s系列模块，采集设备的第一信号，并输出控制信号。io模块40将振动信号传输给控制器10进行分析处理。控制器10根据第一信号和/或诊断报告通过io模块40输出控制信号，控制执行机构动作以控制设备的运行。例如，控制器10分析判断有异常情况出现，则控制电机停机。用户还能够通过人机交互界面60观察控制系统的运行情况并对控制系统进行人工操作。

在一个示意性的实施方式中，控制器10采用西门子ipc427d工控机。ipc427d扩展支持ieee1394火线通讯的pci-e板卡，其作用是与诊断采集模块20进行通讯，获取振动数据。控制器10即作为控制系统的控制器，又作为状态监测系统的控制器。图2是本发明的一个实施例提供的控制器的结构框图。从图2中可以看出，该控制器10包括：

一控制模块11，其位于一winacrtx平台，并能够接收设备80的至少一第一信号；

一状态监测模块13，其位于一windows平台，并能够接收设备80的一振动信号；和

一数据通讯模块15，其位于windows平台，并能够将控制模块11接收的该至少一第一信号传输至状态监测模块13。

其中，状态监测模块13根据该振动信号和/或该至少一第一信号判断设备80的状态并输出一状态信号，数据通讯模块15将状态信号传输至控制模块11，控制模块11根据状态 信号执行相应的控制策略。winacrtx平台与windows平台彼此独立，每一第一信号均不是振动信号。

在ipc427d工控机中同时搭载simaticwinacrtx平台和windows平台，二者彼此独立。在一个示意性的实施方式中，控制模块11为安装于winacrtx平台的plc程序，即软plc。该软plc基于高级语言编程，能够集成操作画面，进行灵活的文件操作，具有强大的控制功能。在一个示意性的实施方式中，状态监测模块13采用安装于windows平台x-tool程序。该x-tool程序能够基于机械振动频谱分析原理，进行振动数据的本地分析。

在一个示意性的实施方式中，至少一第一信号包括转速信号、风速信号、功率信号和温度信号中的一种或几种的组合。每一第一信号均不是振动信号，避免了同一信号的重复采集，简化了系统的结构，降低了成本。

控制模块11运行的嵌入式winacrtx平台其与windows平台是独立的，而状态监测模块13运行于windows平台，这样避免了状态监测模块13对控制模块11的影响。但控制模块11和状态监测模块13能够通过数据通讯模块15实现数据的通讯。控制模块11将转速信号、风速信号、功率信号和温度信号等这些数据传输给状态监测模块13，状态监测模块13将其与振动数据结合，有针对性的对不同工况下的振动数据进行分析，并得出分析结论。状态监测模块13将反映该分析结论的状态信号传输给控制模块11。控制模块11根据该状态信号执行相应的控制策略。例如，在有异常发生时，该状态信号为报警信号。此时电控系统11进行根据该报警信号控制执行机构进行停机、降速等操作。

本发明的实施方式中，控制模块11和状态监测模块13集成于一个控制器10中，实现了设备的控制和状态监测的集成，节省了成本。控制模块11和状态监测模块13在控制器10内通讯，通讯速度快，提高设备的状态监测和控制效率。另外，控制模块11和状态监测模块13集成于一个控制器10中可以在本地进行数据处理和分析报告的生成，便于现场操作人员查看、维护。

继续参照图2，在一个示意性的实施方式中，

状态监测模块13包括：

一振动信号输入单元131，其能够接收振动信号，

一运算单元132，其能够计算振动信号的幅值或均方根值或峰峰值，

一比较单元133，其能够将振动信号的幅值或均方根值或峰峰值与一阈值进行比较，和

一报警信号产生单元134，其在振动信号的幅值或均方根值或峰峰值超过阈值时输出 一报警信号作为状态信号。

状态监测模块13接收振动振动信号并对振动信号进行分析处理，得出分析结论。对振动信号的分析处理包括先计算振动信号的幅值或均方根值或峰峰值，然后将振动信号的幅值或均方根值或峰峰值与一阈值进行比较，最后振动信号的幅值或均方根值或峰峰值超过阈值时输出一报警信号。这种分析处理方式简单，占据的运算资源少。该示意性的实施方式中，以状态监测模块13对振动信号的分析处理，并输出报警信号为例进行说明，但并不以此为限。在另一个示意性的实施方式中，状态监测模块13还对从控制模块11接收的至少一第一信号进行分析处理。在另一个示意性的实施方式中，状态监测模块13对于分析处理的结果，输出分析报告供用户参考。

状态监测模块13能够通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现。在一个示意性的实施方式中，状态监测模块13为安装于windows平台的x-tool软件。

控制模块11包括：

一第一信号输入单元111，其能够接收该至少一第一信号，

一接口单元112，其能够将该至少一第一信号传输给数据通讯模块15并从数据通讯模块15接收报警信号，

一控制信号产生单元113，其能够根据报警信号产生一对应的控制信号，和

一控制信号输出单元114，其能够向一执行机构(图中未画出)输出控制信号以执行控制策略。

控制模块11接收该至少一第一信号并传输给状态监测模块13，供状态监测模块分析处理；并且根据状态监测模块13的分析结果，输出控制信号，以控制外部执行机构执行控制策略。接口单元112位于winacrtx平台，用于数据通讯模块15与控制模块11之间的数据通讯。以风力发电机组为例，当振动的幅值超过阈值时，状态监测模块13发出报警信号，控制模块11接收到报警信号后向风力发电机组的执行机构(如紧急制动系统)输出控制信号，使得机组停机。控制模块11能够通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现。在一个示意性的实施方式中，控制模块11为安装于winacrtx平台的plc程序，即软plc。使用tia-portal开发plc程序。使用scl语言编写接口函数，实现接口单元112。接口单元112能够很好地实现winacrtx平台的软plc与windows平台的x-tool软件之间的数据通讯。

在一个示意性的实施方式中，数据通信模块15包括：

一第一信号读取单元151，其能够从控制模块11中读取该至少一第一信号，

一第一信号传输单元152，其能够将读取的该至少一第一信号传输给状态监测模块13，

一状态信号读取单元153，其能够从状态监测模块13读取状态信号，和

一状态信号传输单元154，其能够将读取的状态信号传输给控制模块11。

数据通讯模块15是实现winacrtx平台的控制模块11与windows平台的状态监测模块13之间进行数据通讯的重要的桥梁。数据通讯模块15能够通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现。在一个示意性的实施方式中，数据通讯模块15为能够被winacrtx平台调用的dll驱动文件。使用visualstudio2008开发该dll驱动，编程语言使用c++，运行在ipc系统中，通过西门子提供的odk开发包和winacrtx平台进行数据交换。使用winacodk开发包，编写完的程序编译后能够自动生成winacrtx平台能够调用的dll文件。该驱动运行在windows平台上，可以实现与winacrtx平台的通讯。数据通讯模块15一方面将转速、功率、温度等第一信号从winacrtx平台读出，并传输给状态监测模块13；另一方面将振动信号从windows平台读出，并传输给winacrtx平台。在一个示意性的实施方式中，数据通讯模块15将读取的转速信号转换成频率信号后再传输给x-tool。在一个示意性的实施方式中，第一信号传输单元152将该至少一第一信号传输给运算单元132。此时运算单元132还对该至少一第一信号进行处理，用于辅助对振动信号的分析。

在一个示意性的实施方式中，数据通讯模块15还包括：

一时钟读取单元155，其能够读取windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟，

一时钟比较单元156，其能够判断windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟是否一致，和

一时钟修正单元157，其能够在windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟不一致时修正winacrtx平台的时钟。

数据通讯模块15对winacrtx平台的时钟进行修正，使得windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟一致后，再开始进行数据的传输。winacrtx平台与windows平台位于同一ipc中，但又彼此独立，交换数据前需要使二者的时钟同步。

图3是本发明的一个实施例提供的设备的控制和状态监测方法流程图。从图3中可以看出，该设备的控制和状态监测方法包括如下步骤：

s10，在一winacrtx平台接收设备的至少一第一信号；

s20，在一windows平台接收设备的一振动信号；

s30，将至少一第一信号传输至windows平台；

s40，根据振动信号和/或至少一第一信号判断设备的状态并输出一状态信号；

s50，将状态信号传输至winacrtx平台；

s60，根据状态信号执行相应的控制策略。

其中，winacrtx平台与windows平台彼此独立，每一第一信号均不是振动信号。

步骤s10先于步骤s20，或者步骤s10晚于步骤s20，或者步骤s10与步骤s20同时。步骤s30先于步骤s50，或者步骤s30晚于步骤s50，或者步骤s30与步骤s50同时。

如图4所示，在一个示意性的实施方式中，步骤s40，根据振动信号和/或至少一第一信号判断设备的状态并输出一状态信号进一步包括：

s41，计算振动信号的幅值或均方根值或峰峰值，

s42，将振动信号的幅值或均方根值或峰峰值与一阈值进行比较，和

s43，在振动信号的幅值或均方根值或峰峰值超过阈值时输出一报警信号作为状态信号。

当步骤s40中振动信号的幅值或均方根值或峰峰值未超过阈值时，跳过步骤s43，不输出报警信号。

在一个示意性的实施方式中，s60，根据状态信号执行相应的控制策略进一步包括：

s61，根据报警信号产生一对应的控制信号，和

s62，向一执行机构输出控制信号以执行控制策略。

如图5所示，在一个示意性的实施方式中，在步骤s30和步骤s50之前还包括如下步骤实现windows平台和winacrtx平台的时钟同步：

s71，读取windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟，

s72，判断windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟是否一致，

s73，在windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟不一致时修正winacrtx平台的时钟。

当步骤s72中判断windows平台的时钟和winacrtx平台的时钟一致时，跳过步骤s73。

步骤s30包括：

s31，从winacrtx平台读取至少一第一信号，

s32，将读取的该至少一第一信号传输至windows平台；

步骤s50包括：

s51，从windows平台读取状态信号，和

s52，将读取的状态信号传输至winacrtx平台。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明 书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。