分布式控制系统本机处理机械保护和故障预测数据的方法
【专利说明】分布式控制系统本机处理机械保护和故障预测数据的方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2014年7月28日提交的标题为“带有处理控制系统的整合振动输入输出卡的方法和装置(Methods and Apparatus for Integral Vibrat1n Input andOutput Card with Process Control System) ”系列号为62/029，606 的共同未决临时专利申请的优先权。
技术领域
[0003]本发明涉及机器控制和机器状态监视领域。更具体地，本发明涉及用于将机器振动数据采集与分析模块作为本机数据输入设备直接整合至分布式控制系统架构的系统。
【背景技术】
[0004]在以前的机械控制和机械振动监视系统中，必须将由机械振动监视系统产生的数字数据与由使用中间通信协议的机械控制系统产生的数据整合起来，从而将这些系统桥接到一起，例如在0PC标准或Modbus或Prof ibus (过程现场总线)。使用传统的整合方法需要常用的通信协议、协议配置、数据网络、数据同步化以及手动数据映射。需要进行测试和故障排除来验证该组合系统的正确操作。
[0005]在传统的机械保护应用中，使用来自振动监视器的表示机器警报状态或跳闸状态的二元继电器输出以及模拟的4mA至20mA电流环输出作为对针对跳闸起始和振动值的分布式控制系统(DCS)的硬接线输入。
[0006]在传统的振动监视系统中，由与控制系统配置与显示软件分离的振动系统来配置和显示跳闸水平和警报。只有在实施了上文描述的系统整合方法以从该振动监视系统采集数据的情况下，振动数据才可用于控制系统。
[0007]因此，所需要的是，使由机械振动监视系统产生的数字数据可在不必是共中间通信协议来将所有这些系统桥接在一起的情况下用于机械控制系统的系统。
【发明内容】
[0008]本发明的实施方案提供了可操作地直接插入DCS 1/0背板中的振动数据采集与分析模块，从而使处理的振动参数可由所述DCS 1/0控制器直接扫描。因为过程数据和振动数据二者都由同一 DCS 1/0控制器扫描，所以不需要将来自分离的振动监视系统的数字数据、二元继电器输出以及模拟总体振动水平输出整合至过程控制系统中。本发明的实施方案的另一些有点包括:(1)由控制系统直接采集振动数据用于机械保护和预测性机械健康分析的目的；(2)将振动信息直接整合于DCS警报屏幕上；(3)采集和显示操作屏幕上的实时振动数据；(4)利用振动数据来检测与设备失效相关的异常情况的能力；以及(5)在闭环控制应用中直接利用振动数据的能力。
[0009]DCS中的本机机械保护/预测
[0010]本发明的一些实施方案提供了这样的振动数据采集系统，其收集并处理DCS本机的软件格式的机械保护数据和机械预测数据。如本文使用的术语，如果软件被设计成在平台上运行，则该软件是该平台“本机”的，其中该平台可为操作系统或者设备，例如DCS控制器。所述系统包括从DCS机械健康监视器模块中的振动波形计算标量总体振动参数的振动模块。优选使用在现场卡现场可编程门阵列(FPGA)中的并行数字信号处理来计算这些标量总体值。将这些经处理的标量振动值通过常规DCS串行I/O总线传输至DCS I/O控制器。
[0011]通过在DCS控制器中以确定的速率运行的逻辑例程(本文称为“控制片”)来扫描和处理标量振动值。优选将控制片逻辑的输出传输至DCS输出模块以执行机器关闭或其他控制功能。在多个实施方案中，控制片可被优化为最大保护(更严格的机器保护)或最大有效性(减少保护以最小化有害跳闸事件或误跳闸事件)。
[0012]本发明的一些优选实施方案提供了从振动数据采集系统例如通过以太网传输时间波形数据以及在机器健康管理分析计算机上查看所述波形数据的能力。还提供了一些实施方案用于在DCS I/O总线上移动时间波形数据块。在这些实施方案中，可通过DCS串行I/O总线背板使用DCS远程桌面协议(RDP)将时间波形区块数据块传输至DCS控制器。
[0013]保护和预测的分离
[0014]本发明的一些优选实施方案还提供了从机械预测功能分离机械保护功能。特别地，预测数据采集和处理不干扰保护数据采集和处理，因为这两股数据流通过信号处理FPGA中的分离的独立数据路径来处理。此外，一些优选实施方案实施分别用于保护数据预测数据的单独物理端口。机器健康管理(MHM)软件通过可被DCS配置软件禁用的专用以太网端口来访问预测数据。保护数据通过DCS I/O背板传输至DCS控制器，或者通过单独的专用以太网端口来提供。此外，预测组件不能对保护组件进行“写入”，并且提供了单独的配置和数据存储。
[0015]在一些优选实施方案中，所有的保护硬件配置功能都由仅DCS软件来处理，但是MHM预测软件可访问该保护配置数据以确定传感器和测量配置。
[0016]此外，MHM预测软件可仅控制预测时间波形。虽然该预测软件可读取保护总体值，但是该预测软件不能影响用于保护功能的总体水平测量的配置。此外，在一些优选实施方案中，在抢占式多任务实时操作系统(RT0S)中以更低的优先级来运行预测任务。
[0017]优选地，存在分别处理保护数据和预测数据的单独的软件主机。DCS软件主机处理保护数据，而MHM软件主机处理预测数据。
[0018]本发明的一个实施方案涉及一种机械健康监视(MHM)模块，其基于振动信号处理机器振动数据并将所述机器振动数据提供至分布式控制系统(DCS)。所述机械健康监视模块包括信号调理电路、处理电路和逻辑生成器电路。所述信号调理电路具有用于接收来自附接至机器的传感器的模拟振动信号的接口，用于调理所述模拟振动信号的放大和滤波电路，以及用于将所述模拟振动信号转换成数字振动信号的模拟-数字转换电路。所述处理电路包括多个并行数字信号处理通道。每个通道处理所述数字振动信号中相应的一个数字振动信号以生成多个标量振动值每通道和至少一个振动时间波形每通道。所述逻辑生成器电路接收所述多个标量振动值和所述振动时间波形，并根据所述DCS本机的输入/输出数据协议来格式化它们。
[0019]在一些实施方案中，所述逻辑生成器电路包括配置成与输入所述DCS的输入/输出总线电连接和机械连接以及从所述DCS的输入/输出总线解除连接的背板接口。在这些实施方案中，通过所述DCS的所述背板接口和所述输入/输出总线使用所述DCS本机的输入/输出数据协议来传达所述多个标量振动值。
[0020]在一些实施方案中，所述逻辑生成器电路包括独立于所述背板接口的第一网络通信接口。所述第一网络通信接口通过通信网络将所述振动时间波形传达给用于机器健康预测处理的机器健康管理数据分析计算机。
[0021 ]在一些实施方案中，所述逻辑生成器电路包括独立于所述背板接口的第二网络通信接口。所述第二网络通信接口可操作地通过通信网络将所述振动时间波形传达给用于机器保护处理的DCS操作器计算机。
[0022]在一些优选实施方案中，所述第一网络通信接口和第二网络通信接口是以太网接□端□〇
[0023]在一些实施方案中，所述逻辑生成器电路通过所述DCS的所述背板接口和所述输入/输出总线使用块数据传输协议来以块数据传达所述所述振动时间波形。
[0024]在一些实施方案中，所述处理电路的所述多个并行数字处理通道包含用于处理用于机器健康预测处理的振动时间波形的第一通道，以及用于处理用于机器保护处理的振动时间波形的第二通道。在所述第二通道中执行的处理优选独立于在所述第一通道中执行的处理。
[0025]本发明的另一实施方案涉及这样的DCS，其包括输入/输出总线、一个或多个MHM模块、一个或多个DCS输入模块、DCS控制器和一个或多个分布式控制系统输出模块。所述输入/输出总线根据所述DCS本机的数据通信协议来传输数据。如上文所述，每个MHM模块包括信号调理电路、处理电路和逻辑生成器电路。所述DCS输入模块从附接至机器的过程传感器接收传感器信号，基于所述传感器信号生成标量过程值，并将所述标量过程值提供至所述输入/输出总线。所述过程传感器包括除了振动传感器以外的传感器。所述DCS控制器包括接口电路和逻辑电路。所述接口电路以预定的速率扫描所述输入/输出总线从而接收所述标量振动值和所述标量过程值。所述逻辑电路执行控制逻辑例程从而基于逻辑处理一个或多个所述标量振动值、一个或多个所述标量过程值或者标量振动值与标量过程值的组合来生成控制信号。所述DCS输出模块从所述输入/输出总线接收控制信号，并基于所述控制信号生成机器操作输出信号。
[0026]在一些实施方案中，所述DCS控制器的所述逻辑电路执行所述控制逻辑例程，并以与所述接口电路扫从所述输入/输出总线描所述标量振动值和所述标量过程值速率相同的预定速率生成所述控制信号。
[0027]在一些实施方案中，所述DCS输入模块生成温度标量值、压力标量值、流量标量值和速度标量值。
[0028]在一些实施方案中，每个MHM模块生成标量振动值，包括RMS值、峰值、峰-峰值、DC值、绝对+/_峰值和PeakVue值。
[0029]在一些实施方案中，所述DCS控制器的所述逻辑电路选择性地执行优化用于不同目的的逻辑控制例程(本文中还称为控制片)。