CN101738966B - 采用可动态配置的无干扰信号处理的监视系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可动态配置的无干扰信号处理的监视系统以及一种用于监视机器的方法。在一个方面，与机器(105)的操作管理相关的数据和与该机器(105)的安全保护相关的数据以无干扰的方式相结合。

Description

采用可动态配置的无干扰信号处理的监视系统

技术领域

本发明一般涉及监视机器，更特别地，涉及使用动态信号处理配置来监视与机器管理相关的测量和与安全保护相关的测量。

背景技术

在工业设备监视和控制领域，被监视的机器部件可生成表示动态机器状态的各种信号。信号生成部件(例如传感器和换能器)典型地被设置在机器的关注点上或者以其它方式与该关注点紧密关联。这些信号和对这些信号进行的数据分析的子集的一部分被用于确定安全临界的机器性能。对该数据采取的动作可以包括机器停机或者对于防止灾难性的寿命损失、环境破坏或经济损失所必要的机器工作状态的改变。这些信号和数据分析子集的另一部分用于管理该机器的使用。例如，该信息可以用于安排机器修理停机的时间或者改变机器工作状态以最大化性能、效率或机器寿命。

典型地，机器中会发生多个机器状态，这需要改变用于管理该机器使用的数据。改变可以包括改变采样率和滤波以增加或去除频率成分，改变采集数据样本的频率，或者改变是否对该数据求积分(integrate)。如果机器的操作员需要增加测量或者动态波形显示以进一步分析机器的健康状况，那么也会发生改变。

与用于管理机器操作的数据相反，与机器安全保护相关的数据典型地是基于机器物理参数(例如轴承间隙)的，并且很少被改变。此外，由于这些保护测量的安全临界性，所以有效性和可靠性是最重要的。而且，通过这些不同数据集而进行的控制可以由工厂内的不同个体来进行。例如，与机器安全保护相关的测量可以是工厂作业部门的职责，而与该机器使用管理相关的数据可以是工厂可靠性部门的职责。通常，作业部门需要确信可靠性部门不会影响生产，而可靠性部门需要确信他们的行为不会影响生产。

由于与机器安全保护相关的测量和与机器使用管理相关的测量之间的这些区别，所以希望分离这些测量的信号处理功能。遗憾的是，现有方案中没有一个是最理想的。例如，一个方案是提供分开的信号处理硬件设备，其中一个硬件设备被分配用于处理与安全保护测量相关的数据，而第二个硬件设备处理与机器管理相关的数据。这个方案显著增加了复杂性和成本，因为必须在两个硬件设备中产生保护和管理所需的测量，要不然就必须在该两个设备之间传送保护和管理所需的测量。在另一个方案中，仅使用从该保护数据得到的有限量的管理数据。例如，如果由快速傅里叶变换生成该保护数据，那么该管理数据的用户可以访问该完整的变换以及馈给该变换的原始数据。然而，该管理数据用户在不影响该保护测量的情况下，不能增加更多波形或者显著改变该数据采样。

发明内容

在本发明的一个方面，存在一种用于监视机器的系统。该系统包括设置在机器周围的至少一个传感器，其生成表示机器状态的信号。监视模块监视由该至少一个传感器生成的信号。该监视模块包括第一级信号处理部件，其根据由该至少一个传感器生成的信号生成多个波形。该多个波形中的每个提供该信号的不同频率信息。存在第二级信号处理部件，其包括多个信号处理块，该多个信号处理块可被动态配置以链接形成至少一个数据路径(该数据路径定义了将对从由该第一级信号处理部件生成的多个波形中所选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器操作的管理相关的至少一个测量)，并且还形成至少一个数据路径(该数据路径定义了将对从由该第一级信号处理部件生成的多个波形中所选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器的安全保护相关的至少一个测量)。与该机器操作的管理相关的测量的可配置性是独立的，并且不会干扰与该机器的安全保护相关的测量的可配置性。

在本发明的第二方面，存在一种用于监视机器的方法。该方法包括：获得表示在机器处发生的状态的原始数据；根据该原始数据生成多个波形，其中该多个波形中的每个描述了具有该原始数据的不同频率信息的视觉表示；以及动态地配置多个信号处理块以将其链接形成至少一个数据路径，该数据路径定义了将对从该多个波形中选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器操作的管理相关的至少一个测量以及与该机器的安全保护相关的至少一个测量，而不会干扰用在确定与该机器操作的管理相关的测量的其他数据路径以及确定与该机器的安全保护相关的测量的其他数据路径中的信号处理块。

在本发明的第三方面，存在一种有形的可读介质，其存储有当被执行时能够使处理器监视机器的指令。该指令使得该处理器执行包括以下的动作：获得表示机器状态的信号；根据该信号生成多个波形，其中该多个波形中的每个提供了该信号的不同频率信息；以及动态地配置多个信号处理块以将其链接形成至少一个数据路径，该数据路径定义了将对从该多个波形中选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器操作的管理相关的至少一个测量以及与该机器的安全保护相关的至少一个测量，而不会干扰用在确定与该机器操作的管理相关的测量的其他数据路径以及确定与该机器的安全保护相关的测量的其他数据路径中的信号处理块。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的监视系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的、在图1的监视模块中所示的第一级信号处理部件的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的多个可动态配置的信号处理块的示例，其被链接在一起以形成定义待执行的信号处理操作的数据路径；和

图4是用于定义图3中所示信号处理操作的可扩展标记语言(XML)文件的示例。

具体实施方式

下面参照其应用并结合由工业机器系统生成的监视数据的操作来说明本发明的至少一个实施例。适合以本发明的实施例的方式使用的可能工业机器系统的非穷举列表包括回转机器、往复式机器和固定的机器系统。然而，本领域技术人员应该明白、并且应当由本文的教导指导的是，本发明同样可以应用于任何需要对其所生成的数据的操作进行监视的具有多样化复杂性的机器，诸如例如装配线上所用的机器、生产设备、物料输送设备、和发电设备。可以从上述机器进行监视的数据的非穷举列表包括振动、温度、压力和可能随该机器发生的其他高速事件。

参照附图，图1是根据本发明一个实施例的监视机器105的监视系统100的示意图。该监视系统100包括设置在机器105周围的多个传感器110。传感器110可包括可以获取关于机器105的状态的动态数据的任何类型的传感器或换能器，例如分别感测振动、温度和压力的加速度计、温度传感器和压力传感器。虽然图1示出了传感器110以有线配置附着到机器105，但是本领域技术人员将会认识到传感器110可以通过无线、电磁或光纤方式从机器105获取动态数据。由传感器110获取的动态数据通常是在非常大的带宽上以模拟信号形式获得的原始数据，其中包含了关于机器105的大量信息，该信息可以被提取以提供关于机器105的操作和保护的信息。

在感测和获取以模拟信号形式的动态数据之后，每个传感器110将包含该动态数据的模拟信号发送到监视模块120和相应的模数(A/D)转换器115，该A/D转换器115将由该至少一个传感器生成的信号转换成采样数字信号。A/D转换器115可以采用硬件设备、软件或者硬件与软件结合的形式，其被配置成执行该模数信号转换。

监视模块120中的第一级信号处理部件125从A/D转换器115接收该采样数字信号，并且监视由传感器110生成的信号以管理与机器105的操作相关的数据和与机器105的安全保护相关的数据。第一级信号处理部件125根据由传感器110生成、已被A/D转换器115数字化的信号生成多个波形。该多个波形中的每个提供由传感器110生成的信号的不同频率信息。特别地，如下面参照图2更详细解释的，第一级信号处理部件125使用动态波形抽取(decimation)和滤波以及与外部定时信号的采样率同步，以根据传感器110所生成的动态数据来生成具有不同采样率和频带宽度的多个波形。第一级信号处理部件125还可以执行信号诊断例如线性范围检查、信号转换速率检查或偏置电压检查。第一级信号处理部件125可以是多个可编程设备中的一个，其可以被编程以执行例如动态波形抽取和滤波以及与外部定时信号的采样率同步的功能。特别地，第一级信号处理部件125可以是从包括如下设备的组中选择的可编程设备，该如下设备为：现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑设备(PLD)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、专用集成电路(ASIC)以及处理器。

再参照图1，监视模块120还包括第二级信号处理部件130，其对从第一级信号处理部件125生成的任何数目的波形执行信号处理操作。这些信号处理操作通常会导致与机器105操作的管理相关的测量和与该机器的安全保护相关的测量。在一个实施例中，第二级信号处理部件130包括多个信号处理块，其可被动态地配置以被链接形成至少一个数据路径，该数据路径定义了将对从由第一级信号处理部件125生成的多个波形中选择的至少一个波形执行的信号处理操作。特别地，第二级信号处理部件130被配置成将从由第一级信号处理部件125生成的波形中选择的波形(多个)映射到定义该至少一个数据路径的所选择的信号处理块。包括这些信号处理块的每个数据路径会产生至少一个可能与机器105操作的管理和/或与机器105的安全保护相关的测量。这些信号处理块被动态地配置，因为该块可以是可变更的，从而使得对一条数据路径中的信号处理块进行的改变不会干扰用于其它数据路径中的信号处理块。改变的例子包括向数据路径增加信号处理块、从数据路径删减信号处理块、以及改变数据路径中的信号处理块以产生另一类型的测量。这种特征是特别有用的，因为希望有能力对用于确定与机器105操作的管理相关的测量的信号处理块进行改变，而不会干扰用于确定与机器105的安全保护相关的测量的数据路径，反之亦然。在一个实施例中，第二级信号处理部件130包括处理器，例如信号处理器或微处理器，其被配置成执行该动态配置的信号处理块。以下是对用于本发明实施例中的该动态配置的信号处理块的更具体说明。

图1还示出了监视模块120包括存储器135，该存储器被配置成将测量结果(measurement)存储在如由数据库(dB)管理器140分配的预定存储位置。这些测量结果与机器105的操作的管理和机器105的安全保护相关。特别地，存储器135存储由第一级信号处理部件125生成的波形、被第二级信号处理部件130利用的可动态配置的多个信号处理块、以及如由第二级信号处理部件130所确定的与机器105操作的管理相关的测量结果和与机器105的安全保护相关的测量结果。本领域技术人员将会认识到，存储器135可以存储其他信息，例如用于采集动态数据和发送来自监视模块120的测量结果以用于其他诊断的规则。

如图1所示的监视系统100可以包括控制器145，其与监视模块120进行信号通信以调节机器105并经由网络155将来自监视模块120的输出数据发送到计算单元150。控制器145与监视模块120之间的信号通信可以通过电连接、电磁连接或光纤连接来实现。控制器145可以是任何已知的控制系统，例如可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)。在一个操作的实施例中，控制器145使用包含在由监视模块120生成的输出数据中的最优定位点(setpoint)来调节机器105。控制器145与计算单元150之间经由网络155进行的信号通信可以通过电连接、电磁连接或光纤连接来实现。在另一实施例中，监视系统100作为独立的安全系统工作，并且能够独立于控制器145使机器105返回安全工作状态。

计算单元150还通过有线或无线电连接、电磁连接或光纤连接与网络155通信。计算单元150可以是任何类型的服务器或计算机，该计算单元150被远离控制器145、监视模块120、传感器110和机器105设置。数据可以由计算单元150从控制器145接收，也可以从计算单元150发送到控制器145。

在一个实施例中，计算单元150可以是可移动的(例如膝上型电脑)，该计算单元150可以被移动到监视模块120所在位置并且直接与该监视模块120连接。在该实施例中，计算单元150通过这种直接连接向监视模块120提供直接诊断和分析能力。此外，在示例性实施例中，计算单元150的用户可以通过该直接连接访问存储器135中的信息。

图2是图1的监视模块120中所示的、根据本发明一个实施例的第一级信号处理部件125的示意图。如前所述，第一级信号处理部件125通过执行包括动态波形抽取滤波和与外部定时信号的采样率同步的操作，对来自A/D转换器115的数据进行信号处理。对于监视机器状态的测量，跨越所有通道同时、同步和同相地处理由该第一级信号处理部件125生成的动态波形。如图2所示，有四个通道将来自传感器110的动态数据提供给A/D转换器115，尽管也可以支持任何数量的传感器。在一个优选实施例中，监视模块100支持12个通道。A/D接口200从A/D转换器115接收数字数据，并将其并行提供给用于每个相应通道的异步(asynchronous)波形生成器205和同步(synchronous)波形生成器210。异步波形生成器205和同步波形生成器210根据由通道1-4提供的动态数据创建和同步波形。同步波形生成器210被时钟同步到(clock to)由相位参考处理器215提供的相位参考信号。在一个实施例中，该相位参考信号与机器205的速度相关。在另一实施例中，对于同一传感器信号110，可以使用多个同步波形生成器210根据不同的相位参考来生成同步波形。这在在具有多个轴的机器(例如齿轮箱或航改式燃气轮机)上使用包装安装的(casingmounted)地震仪式传感器时是很重要的，在该机器中每个轴对复合振动信号的影响是期望的。在操作中，异步波形生成器205生成波形而不考虑该相位参考信号，而同步波形生成器210生成与该相位参考信号同相的波形，即使机器速度状态发生改变。要注意的是，异步波形生成器205在时间上仍然同步，保持恒定的采样率，并且不具有绝对相位参考。

作为图2中所示结构的结果，第一级信号处理部件125能够生成多个采样波形，从而使得所有这些波形在不同的采样率下都同时可用。该特征允许这些波形与任何与机器105的管理操作或机器105的安全保护相关的测量一起使用。例如，如果监视系统100的用户当前使用一个同步波形速率(例如机器105的速度的32倍)来诊断与机器105相关的问题，但是也有兴趣要使用不同的同步波形速率(例如128倍)来诊断该问题，那么这种结构就能够把该数据提供给用户。以下具体说明可以如何增加、删减或改变由第一级信号处理部件125生成的该多个波形以便被第二级信号处理部件130用于获得与机器105的管理操作或机器105的安全保护相关的测量。

图3是根据本发明一个实施例的、多个可动态配置的信号处理块的示例300，该多个信号处理块被链接在一起以形成定义待执行的信号处理操作的数据路径。在这个例子中，该可动态配置的信号处理块包括执行低通滤波处理的处理块305，执行高通滤波处理的处理块310，执行峰值检测处理的处理块315，和执行低通滤波处理的处理块320。在这个例子中，所选择的数字数据流(即从该多个波形中选择的至少一个波形)被输入到第二级信号处理部件130，并且被馈给到下述数据路径中，该数据路径通过链接低通滤波处理块305、高通滤波处理块310、峰值检测器处理块315和低通滤波处理块320而形成。也就是说，从第一级信号处理部件125输出的数字数据流被映射到第一个信号处理块(即低通滤波器305)的输入。通过将该块的输出映射到下一块的输入，将该数据从信号处理块移动到信号处理块。然后，将最后一个处理块的输出存储在由dB管理器140设定的存储器135中的预定存储位置。

在图3所示的例子中，该被链接的信号处理块的数据路径表示用于机器105的安全保护的特定测量。特别地，每个信号处理块生成用于特定测量的值，然后该值被随后的下一个信号处理块使用。要注意的是，每个信号处理块可以有链接到它的多个信号路径。

使用本发明的实施例，监视系统100的用户可以通过向该路径增加另一个信号处理块、从该路径删减信号处理块之一和/或改变信号处理块之一以生成新输出来修改该特定的数据路径。用户如果例如想要改变频带宽度或采样率，则该特征可能是用户所希望的。在这种情况下，用户可以通过从数据路径中删减特定的信号处理块并链接新的信号处理对象来动态地配置该新的数据路径，该新的信号处理对象将会把来自第一级信号处理部件105的可用波形拉到该修改后的数据路径中。这种改变可在不会中断用于其它信号路径的其他信号处理块的情况下进行，该其他信号路径被第二级信号处理部件130应用以获得与该机器的管理操作和安全保护相关的测量。该特征特别有利的是，可以确保与机器105的安全保护相关的数据路径不会受到对与机器105的管理操作相关的数据路径内的信号处理块所做的改变的影响，反之亦然。该特征在传统的机器状态监视系统中是不可能的，因为对与机器的管理操作相关的测量所做的改变将会干扰该机器的安全保护的测量。这种干扰将会导致停机和系统重置以重新配置这种改变。

图3中所示的被链接的信号处理块的数据路径仅仅说明了第二级信号处理部件130可以使用的一个可能的数据路径。本领域技术人员将会认识到，第二级信号处理部件130很可能会使用具有各个信号处理块的多个数据路径以获得与机器105的管理操作和安全保护相关的测量。每个信号处理块都是可动态配置链接的，从而使得对数据路径所做的任何改变都不会干扰第二级信号处理部件130所使用的其他数据路径。

图4是用于定义图3中所描绘的信号处理操作的可扩展标记语言(XML)文件400的示例。这个例子中的XML文件400描述了如何对图3中所述的信号处理块编程以使其可配置地链接在一起，从而使得将一个块的输出馈给到下一个块中。在这个例子中，可以对于给定的测量来改变用户可配置参数，而不论该测量是与管理操作相关还是与安全保护相关。该信号处理块被以XML格式定义在元数据文件中，从而使得可以改变该信号处理块定义而不需要重新编译该软件。这种体系结构允许将预定义的测量以及设计的定制和测试的处理块增加到监视模块120中，而不需要改变软件版本。

从该文件的底部开始，该Direct2.LP滤波器对象直接从数据流PhysicalChannel_1_1接收其输入。该滤波器对象具有定义该滤波器转折频率(corner)和频率响应下降(roll off)的元素(element)。每个对象的输出具有对数据执行进一步操作的目标对象。对于对象输出可以有多个目标。在图4中的例子中，该数据经过高通滤波器对象，后面跟随峰值检测器和低通滤波器。最后的结果是静态变量。然后该静态变量输出可以被映射以用于监视规则或者用于输出到控制器145或计算单元150。

在操作中，该XML文件被存储在存储器135中，并且一旦被第二级处理部件130下载，该文件就被激活。如果用户决定删减信号处理块，那么该XML文件的特定部分就会被去除。例如，如果用户不想要高通滤波信号处理块，那么该Direct2.HP滤波器对象就会被从该测量数据路径中删除，然后峰值检测器信号处理块(Direct2.PK)就会被链接到低通滤波信号处理块(Direct2.LP2)。这将不会对该数据路径中的其他对象或者与管理操作测量和/或安全保护测量相关的其他数据路径中的任何其他信号块产生影响。可以通过仅下载被改变的对象、对象修改代码、对象与当前对象的比较或者可以确定何时已经增加、删除或改变对象的其他技术来控制对其他对象的影响。

在本发明的各个实施例中，监视模块120可以采用完全硬件实施、完全软件实施或者同时包含硬件和软件成分的实施的形式。在一个实施例中，由监视模块120执行的处理功能以软件实现，其包括但不限于固件、常驻软件、微码等。

此外，由监视模块120执行的功能可以采用计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可以从提供程序代码的有形可读、计算机可用或计算机可读的介质中访问以便被处理器、计算机或任何指令执行系统使用或者与处理器、计算机或任何指令执行系统连接。为了本说明的目的，有形可读、计算机可用或计算机可读的介质可以是能够包含、存储或传送该程序以便被处理器、计算机、指令执行系统、设备或装置使用或者与处理器、计算机、指令执行系统、设备或装置连接的任何设备。该有形可读、计算机可用或计算机可读的介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或设备或装置)。计算机可读介质的例子包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的现有例子包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)，压缩盘-读/写(CD-R/W)和数字视频盘(DVD)。

虽然已经结合其优选实施例特别显示和描述了本公开，但是本领域技术人员将会认识到可以对其做出改变和修改。因此，应当理解，所附的权利要求旨在覆盖落在本公开真正精神范围内的所有这些修改和改变。部件列表：100：监视系统105：机器110：多个传感器115：模数(A/D)转换器120：监视模块125：第一级信号处理部件130：第二级信号处理部件135：存储器140：数据库(Db)管理器145：控制器150：计算单元155：网络200：A/D接口205：异步波形生成器210：同步波形生成器215：相位参考处理器300：示例305：低通滤波处理块310：高通滤波处理块315：峰值检测器处理块320：低通滤波处理块400：可扩展标记语言(XML)文件

Claims (8)

1.一种用于监视机器(105)的系统(100)，包括：

设置在该机器(105)周围的至少一个传感器(110)，其生成表示机器状态的信号；和

监视模块(120)，其监视由该至少一个传感器(110)生成的信号，该监视模块(120)包括：

第一级信号处理部件(125)，其根据由该至少一个传感器(110)生成的信号生成多个波形，该多个波形中的每个提供该信号的不同频率信息；所述第一级信号处理部件包括并行的多个同步波形生成器和多个异步波形生成器，所述多个同步波形生成器被时钟同步到相位参考信号，所述多个同步波形生成器和所述多个异步波形生成器创建和同步波形；其中异步波形生成器生成波形不考虑所述相位参考信号，而同步波形生成器生成与所述相位参考信号同相的波形；和

第二级信号处理部件(130)，其包括多个信号处理块，该多个信号处理块可被动态地配置以被链接形成至少一个数据路径，该数据路径定义了将对从由该第一级信号处理部件(125)生成的多个波形中选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器(105)的操作的管理相关的至少一个测量；并且该多个信号处理块还被链接形成至少一个数据路径，该数据路径定义了将对从由该第一级信号处理部件(125)生成的多个波形中选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器(105)的安全保护相关的至少一个测量；其中，与该机器(105)的操作的管理相关的测量的可配置性是独立的，并且不会干扰与该机器(105)的安全保护相关的测量的可配置性。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中该第一级信号处理部件(125)是从下述组中选择的，所述组由现场可编程门阵列、可编程逻辑设备和复杂可编程逻辑设备组成。

3.根据权利要求1所述的系统(100)，其中该第二级信号处理部件(125)中的多个可动态配置的信号处理块中的每个都可以被修改以被增加、改变或删减，而不影响用于生成与该机器(105)的操作的管理和该机器(105)的安全保护相关的测量的其他数据路径中的其他信号处理块。

4.根据权利要求1所述的系统(100)，其中该监视模块(120)还包括存储器(135)，其被配置成存储与该机器(105)的操作的管理和该机器(105)的安全保护相关的测量结果。

5.一种用于监视机器(105)的方法，包括：

获得表示在机器(105)处出现的状态的原始数据；

根据该原始数据生成多个波形，其中该多个波形中的每个描绘了具有该原始数据的不同频率信息的视觉表示；生成所述多个波形包括使用并行的多个同步波形生成器和多个异步波形生成器，所述多个同步波形生成器被时钟同步到相位参考信号，所述多个同步波形生成器和所述多个异步波形生成器创建和同步波形；其中异步波形生成器生成波形不考虑所述相位参考信号，而同步波形生成器生成与所述相位参考信号同相的波形；和

动态地配置多个信号处理块以将其链接形成至少一个数据路径，该至少一个数据路径定义了将对从该多个波形中选择的至少一个波形执行的信号处理操作，以确定与该机器(105)的操作的管理相关的至少一个测量以及与该机器(105)的安全保护相关的至少一个测量，而不会干扰用在确定与该机器(105)的操作的管理相关的测量的其他数据路径以及确定与该机器(105)的安全保护相关的测量的其他数据路径中的信号处理块。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括将该原始数据转换为数字信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其中该多个信号处理块的动态配置包括修改该多个信号处理块以被增加、改变或删减，而不影响用在生成与该机器(105)的操作的管理和该机器(105)的安全保护相关的测量的其他数据路径中的其他信号处理块。

8.根据权利要求5所述的方法，还包括将从该多个波形中选择的该至少一个波形映射到定义该至少一个数据路径的所选择的信号处理块。