本发明涉及机器健康管理和控制数据收集的领域。更具体地，本发明涉及一种用于通过数据通信网络向数据收集设备提供电力的系统。
背景技术：
复杂工业机器的监视和控制，通常需要许多分布在机器上或机器附近各种位置上的各种类型的传感器(振动、温度、压力等)和控制装置(如，交换机、阀和致动器)。通常，这样的传感器和控制装置通过通信网络连接到工业厂房中的监视和控制系统。与此类应用中现有通信网络相关的缺点包括：
-数据传输距离有限；
-需要许多电源来为各处分布的传感器和控制设备供电，从而导致高昂的成本；
-传感器和传感器模块之间的信号线较长，带来低振幅信号的噪声问题；以及
-因为模拟信号到数字信号的转换发生在传感器模块，传感器和传感器模块之间的长信号线进一步增加了噪声的概率。
因此，需要一种机器监测和控制网络，以缓解与现场总线网络相关的问题。
技术实现要素：
机器健康管理系统满足上述及其他需求，该系统包括机器测量单元，该单元通过以太网供电(poe)连接到中央逻辑单元。每个测量单元包括一个或多个连接传感器的传感器模块，和/或一个或多个连接输出设备的输出模块。传感器的例子包括涡流传感器、压电传感器、地震探测传感器、线性可变差分变压(lvdt)传感器和温度传感器。输出设备的例子包括继电器、模拟电压和模拟电流。通过poe网络提供测量单元所需的电能。
数字化传感器产生的传感器信号，并在传感器模块中对其进行分析。原始数据以及在某些情况下的预处理的数据，通过以太网传输到中央逻辑单元。在中央逻辑单元中，数据得到分析，和/或与其他数据组合，以执行预测分析，构建决策及可能实施的保护解决方案，预测机器/系统或者控制机器/系统的性能。
保护解决方案的例子包括基于报警值关闭的机器/系统、产生用于上位系统的警告以及在不同值之间进行表决。预测分析的例子包括在测量模块或中央逻辑单元中的原始数据分析(peakvue，fft，比较等)，和报告机器/系统的健康状况来计划维护服务的间隔。控制解决方案的一个例子是组合不同的输入和输出以跟随控制序列，并决定是否允许系统以规划的方式运行。
控制网络中poe的使用可与标准办公以太网分离，从而可以实现确定性协议。在各种实施例中，可以使用确定性和标准以太网协议，这取决于应用是用于预测、保护或者其他。
下文更详细地描述了本发明的各种实施例，涉及用于收集数据的机器测量系统，所述数据用于指示工业设置中的机器的工作状态。在一个优选实施例中，所述系统包括中央逻辑单元、第一以太网网络交换机以及一个或多个第一传感器模块。与以太网通信的中央逻辑单元接收并处理机器数据，其中数据可包括机器预测数据、机器保护数据和机器控制数据。第一以太网网络交换机，通过以太网网络与中央逻辑单元通信，包括内部电源和一个或多个以太网供电(poe)端口，可用于向连接的设备传送数据并提供电力。每个第一传感器模块，包括传感器接口，其用于向传感器提供电连接；和poe端口，其连接到第一以太网网络交换机的一个poe端口。每个第一传感器模块的poe端口，将数据传送到第一以太网网络交换机并从第一以太网网络交换机接收电力。
在一些实施例中，第一以太网网络交换机和第一传感器模块设置在测量单元壳体内。
在一些实施例中，机器测量系统包括一个或多个第一输出模块。每个第一输出模块，包括输出接口，其用于向输出设备提供电连接；和poe端口，其连接到第一以太网网络交换机的一个poe端口。每个第一输出模块的poe端口，将数据传送到第一以太网网络交换机并从第一以太网网络交换机接收电力。
在一些实施例中，一个或多个第一输出模块设置在测量单元壳体内。
在一些实施例中，机器测量系统，包括第二以太网网络交换机和一个或多个第二传感器模块。没有内部电源的第二个以太网交换机，包括poe端口，其连接到第一以太网交换机的一个poe端口，用于向第一以太网交换机传送数据和从第一以太网交换机接收电力。第二以太网网络交换机，还包括一个或多个poe端口，其可用于向连接到第二以太网网络交换机的设备传送数据并提供电力的操作。每个第二传感器模块，包括传感器接口，其用于提供与传感器的电连接；和poe端口，其连接到第二以太网网络交换机的一个poe端口。每个第二传感器模块的poe端口，将数据传送到第二以太网网络交换机并从第二以太网网络交换机接收电力。
在一些实施例中，第二以太网网络交换机和第二传感器模块设置在测量单元壳体内。
在一些实施例中，每个第一传感器模块的传感器接口可操作地向涡流传感器、压电传感器、地震探测传感器、线性可变差分变压(lvdt)传感器、压电传感器、电流传感器、温度传感器或压力传感器提供电连接。
在一些实施例中，每个第一输出模块的输出接口可操作地向继电器、开关、致动器、阀、数字输出、电压输出、电流输出、线性位置单元和步进电机提供电连接。
在一些实施例中，该机器测量系统包括第三以太网网络交换机。所述第三以太网网络交换机包括内部电源、一个或多个用于传送数据并向连接的设备提供电力的poe端口、用于与第三以太网交换机无线地传送数据的无线模块以及一个或多个第三传感器模块。每个第三传感器模块包括提供到传感器的电连接的传感器接口和连接到第三以太网网络交换机的一个poe端口的poe端口。每个第三传感器模块的poe端口将数据传送到第三以太网网络交换机并从第三以太网网络交换机接收电力。
附图说明
参考以下结合附图的详细描述，本发明的其它实施例将变得显而易见，附图中元件未按比例绘制以便更清楚地展示细节，其中相同的附图标记在多个视图中指示相同的元件。
图1描绘了根据优选实施例，通过以太网供电为机器测量/控制系统的各种部件供电并与之通信的系统。
具体实施方式
在图1所示的优选实施例中，机器测量/控制系统10包括中央逻辑单元12，所述中央逻辑单元12接收并处理通过与工厂中机器16相关联的各种传感器模块或输出模块收集的数据。中央逻辑单元12通过通信网络18与网络交换机24通信，在优选实施例中，该通信网络包括标准以太网电缆14a和14b。在优选实施例中，中央逻辑单元12包括电源13。
网络交换机18和24通过自己的电源20和26供电，通过poe以太网电缆15向连接的设备实现以太网供电(poe)。网络交换机24，优选地，是有线以太网交换机，而除了有线通信之外，交换机18可通过无线模块22支持无线网络通信。开关24经由poe端口24b和poe电缆15a，向振动传感器模块40提供数据通信和电力。振动传感器模块40基于从振动传感器38接收的振动信号，诸如从压电传感器接收信号，产生振动数据。振动传感器模块40，包括用于与传感器38连接的传感器接口39和用于与poe电缆15a连接的poe端口41。在传感器模块40内，传感器接口39和poe端口41之间设有信号调理电路和模数转换电路。
交换机24也通过poe电缆15b向第一测量单元28提供数据通信。更具体地说，poe电缆15b，向作为第一测量单元28组件的网络交换机30提供数据通信。交换机30具有自身的内部电源32，通过poe端口30a-30d为作为测量/控制单元28的组件的传感器模块和输出模块34a-34d提供数据通信和电力。每个传感器和输出模块34a-34d包括poe端口33a-33d。传感器和输出模块包括：通过传感器接口35a与阀控制致动器36a连接的阀控制致动器模块34a；通过传感器接口35b和35c连接到振动传感器36b和36c的两个振动监测模块34b和34c；以及通过传感器接口35d连接到压电传感器36d的电压测量模块34d。第一测量单元28的交换机30和模块34a-34d，优选地，设置在单个测量单元壳体中。
交换机18向测量电流模块44提供数据通信和电力，通过poe连接15e和poe端口45。电流测量模块44基于通过接口43从电流传感器42接收的电流测量信号产生电流数据。
交换机18还通过poe端口18b和poe电缆15c向第二测量单元46提供数据通信和电力。更具体地，poe电缆15c向网络交换机48的poe端口48c提供数据通信和电力，网络交换机48作为第二测量单元46的组件。交换机48没有自身的内部电源，其通过poe端口48a和48b向两个传感器模块50和54的poe端口49和53提供数据通信和电力，而两个传感器模块50和54则作为测量/控制单元46的组件。传感器模块50和54，包括两个振动监测模块，其基于通过传感器接口51和55从振动传感器52和56接收的振动信号产生振动数据，所述振动传感器52和56可以是压电传感器。第二测量单元46的交换机48和振动监测单元50和54，优选地，设置在测量单元壳体中。交换机48还可以与交换机30通信，通过标准以太网连接14c。
在该示例性实施例中，系统10还包括无线开关58，其具有其自己的内部电源60。开关58向转速计模块66的poe端口67提供数据通信和电力，通过poe端口59和poe电缆15d。转速计模块66产生转速计数据，其基于通过传感器接口65从转速计传感器64接收的转速计脉冲。
在图1中示出的机器测量/控制系统10对比传统系统(如采用现场总线接线的工业网络)有几个优点。这些优点包括：
-数据可以在较长距离上传输；
-可以使用较少的电力供应各处分布的测量；
-传感器和传感器模块之间的距离可以更短，从而降低在低振幅信号上拾取噪声的可能性；
-从模拟信号到数字信号的转换更接近传感器，进一步降低噪声的概率；以及
-降低安装成本。
另一个优点是可扩展性。例如，在一个实施例中，两个、三个、四个、五个、六个或更多个传感器或输出模块，可以在一个壳体中分为一组并作为一个单元连接到通信网络。壳体内部设有poe网络交换机，可将机器测量/控制以太网网络与poe网络连接起来。在壳体内分组的模块需要一个或两个以太网输入(实用的环形结构)和电源输入。在壳体内，poe交换机为单个以太网传感器(soe)、以太网动作器(aoe)、以太网输入(ioe)、太网振动(voe)或以太网功能安全(fsoe)模块提供电力。在这种情况下，“动作器”是指过程或控制单元中的活动组件，例如阀门或继电器。可以通过无线连接外部网络，以实现光纤以太网或其他标准技术。
说明书前面提到的优选实施例，已为本发明提供了说明和描述。它们是非穷举的且不意图将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述示教法，明显的修改或变动是可接受的。为了提供本发明的原理及其实际应用的最佳图示，努力地选择和描述实施例，并且由此使得本领域普通技术人员能够在各种实施例中使用本发明，并且适用于各种涉及预期特定用途的修改。根据它们公平、合法和公正授权的宽度来解释时，所有此类修改和变动需要在本发明的权利要求确定的范围内。