CN103176887B - 用于监测机电设备的性能和可靠性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测机电设备的性能和可靠性的方法和装置。非限制性地举例而言，用于监测空气冷却风扇的方法和装置包括：对可接受的风扇工作的上和下边界限制的确定，向所监测的风扇发送控制信号，继发送所述控制信号之后测量风扇旋转速率或风扇功耗；并且如果所测量的风扇旋转速率高于所述上边界限制或低于所述下边界限制，则发布警报。

Description

用于监测机电设备的性能和可靠性的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于监测机电设备的性能和可靠性的方法和装置。

背景技术

在当前的例如高性能计算机服务器的众多电子设备中，空气冷却依然是用于散热和将温度保持在可接受的限制内的主要方法。由于需要大的热沉区域，自然对流不能为高功率CPU（计算机处理单元）和GPU（图像处理单元）提供必需的热传递，因此使用风扇的人工对流仍然是用于冷却这些系统的主要解决方案。

冷却风扇，作为通常具有电动马达和风扇叶片的旋转机电设备，易于发生故障。当它们发生故障时，它们因容许系统过热并由此损坏或损毁热敏感元件而使整个系统当机。此外，它们的性能可能随着时间的流逝而降低，导致系统性能缓慢降低，进而导致升高的温度。此外，在风扇叶片上堆积的灰尘和污垢可以减缓它们的旋转速度，降低来自叶片的空气流量，并且造成增加轴承磨损的风扇叶片不平衡。轴承润滑剂可能渐渐变干，导致增加的摩擦和功耗，并且最终导致马达故障。

由于它们发生故障以及性能随时间的流逝而减弱的可能性，从系统可靠性的观点来看，监测风扇性能和预测这些设备的潜在的故障是重要的。现有技术的系统通常依赖于监测风扇旋转速率（RPM），当旋转速率下降到固定RPM阈值以下时表示发生故障。

图1是用于检测风扇故障的现有技术系统的风扇速度相对于时间的曲线图100。曲线102示出风扇速度怎样随时间流逝而降低，最后在点106降低至固定阈值104以下。这个系统对于在满功率或最大旋转速率下连续不停地运转的风扇可能适用性有限。

大部分现代系统根据由需要冷却的负载产生的热量，在由噪音方面的考虑节制的变化的旋转速度下运转风扇。为了减小由风扇产生的噪音，当需要冷却的系统处于空转状态或处于低功耗水平时，可以使它们减速。用于确定潜在的风扇故障的固定阈值对于这样的系统是不切实际的或者不合适的。所期望的是能够确定风扇在其整个工作范围期间是否工作在特定的限制（limit）内，该系统潜在地能够在风扇发生故障之前预测风扇故障，从而可以采取预防措施。

对于本领域技术人员而言，在阅读下文的说明并研究多幅附图之后，对现有技术的这些和其它限制将变得显而易见。

发明内容

在通过举例而非限制方式介绍的实施例中，一种用于监测空气冷却风扇的方法包括：确定可接受的工作的第一上边界限制，确定可接受的工作的第一下边界限制，向风扇发送控制信号，继发送控制信号之后测量风扇功耗，并且如果所测量的风扇功耗高于上边界限制或低于下边界限制，则发布警报。

在由实例设定的，但不限于所述实例的其它实施例中，一种用于监测空气冷却风扇的方法包括确定可接受的工作的第一上边界限制，确定可接受的工作的第一下边界限制，向风扇发送控制信号，继发送控制信号之后测量风扇的功耗，并且如果所测量的功耗高于上边界限制或低于下边界限制，则发布警报。

在通过举例而非限制方式介绍的进一步的实施例中，一种用于监测机电设备的方法包括确定可接受的工作的第一上边界限制，确定可接受的工作的第一下边界限制，向机电设备发送控制信号，继发送控制信号之后测量响应变量，并且如果所测量的响应变量高于上边界限制或低于下边界限制，则发布警报。

在通过举例而非限制方式介绍的更进一步的实施例中，一种用于监测机电设备的装置包括微控制器、与微控制器耦合的输出模块、与微控制器耦合的测量模块、以及与微控制器耦合的数字存储器。在一个示例性实施例中，所述数字存储器包括可接受的工作的第一上边界限制、可接受的工作的第一下边界限制，用于通过所述输出模块向机电设备发送控制信号的代码段，继发送所述控制信号之后测量响应变量的代码段、以及如果所述所测量的响应变量高于所述上限或低于所述下限，则发布第一警报的代码段。

对于本领域技术人员而言，在阅读下文的说明并研究多幅附图之后，这些和其它实施例、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图描述几个示例性实施例，其中类似的部件用类似的附图标记来标记。所述示例性实施例意在例示而非限制本发明。所述附图包括以下示图：

图1是用于检测风扇故障的现有技术系统的风扇速度相对于时间的曲线图；

图2a是示例性的风扇健康监测系统的风扇速度相对于风扇控制信号的曲线图；

图2b是示例性的风扇健康监测系统的风扇速度相对于时间的曲线图；

图3是示例性的风扇健康监测系统的风扇速度相对于控制信号的曲线图，所述风扇健康监测系统具有用于预测潜在的风扇故障的双层标准（dual tier criteria）；

图4是示例性的风扇健康监测系统的风扇速度相对于控制信号的曲线图，其中所监测的风扇已经超出了第一层标准；

图5是示例性的风扇监测系统的风扇速度相对于控制信号的曲线图，其中所监测的风扇已经超出了第二层标准；

图6是用于预测机电设备的潜在的故障的示例性监测系统的响应变量相对于控制信号的曲线图；

图7是连接到4线风扇的示例性风扇控制设备的框图；

图8是连接到3线风扇的示例性风扇控制设备的框图；

图9是配置为测量传送到4线风扇的功率的示例性风扇控制设备的框图；

图10是配置为测量传送到3线风扇的功率的示例性风扇控制设备的框图；

图11是用于监测机电设备的健康的示例性控制设备的框图；

图12是监测风扇并预测潜在的风扇故障的示例性流程图。

具体实施方式

参考现有技术讨论图1。图2a是通过举例而非限定的方式介绍的风扇健康监测系统的风扇速度相对于风扇控制信号的曲线图200。所述示例性系统这样命名是因为所述系统用来诊断风扇工作且预测潜在的即将发生的故障情况，而不是用来检测已经发生故障或达到不再适合工作的情况的风扇。“风扇控制信号”（附图2a中示出的自变量）是使风扇旋转的信号。它可以是通常用于4线风扇的脉宽调制（PWM）信号，或者是通常用于3线风扇的模拟电压信号。

继续参考图2a，曲线202示出适当（properly）工作的示例性风扇将如何根据控制信号改变其旋转速度（风扇速度）。曲线202也被称为风扇的特性曲线或传递函数。曲线202的特定形状可以根据风扇的类型和特定应用环境下的变量变化。曲线206和208代表可接受的工作的边界。虽然特性曲线202的形状可能变化，只要其保持在由边界曲线206和208限定的限制内，则其工作被认为是可接受的。

虚线204代表示例性风扇的特性曲线，该风扇已经不再以可接受的方式工作，因为其特性曲线已经超出由边界208限定的限制。必须注意的是，超出由曲线206和208限定的边界限制的风扇工作可以表示风扇故障，或者可以并不表示风扇故障，因为即使风扇的特性曲线超出边界限制，也可以选择这些限制以允许适当的系统冷却。在这种情况下，示例性的风扇健康监测系统将向系统操作者发布警报或提醒，所述系统操作者可以及时地计划修复或更换风扇。边界曲线206、208可以从工程数据、系统需求导出，或者通过对风扇工作曲线或传递函数的实际测量导出。如果进行了实际测量，则可以通过使用合适的数值相关性（例如固定的百分比）或其它合适的标准而根据特性曲线数据计算出边界曲线。

检测潜在的风扇故障的另一个有用的函数是保持控制信号恒定并监测作为时间的函数的风扇速度。图2b是示例性风扇健康监测系统的风扇速度相对于时间的曲线图201。适当工作的风扇应该维持特定容限内的恒定的旋转速率。这些容限由图2的边界限制曲线207和209表示。适当工作的风扇由曲线203表示，该风扇的风扇速度保持在界线207与209之间。虚线205代表风扇速度超出由曲线209限定的限制的风扇。在这种情况下，将发布警报或提醒以允许系统操作者采取适当的措施。

图3是示例性风扇健康监测系统的风扇速度相对于控制信号的曲线图300，所述风扇健康监测系统具有用于预测潜在的风扇故障的双层标准。曲线302代表适当工作的风扇的特征工作曲线。曲线304和306代表与图2a中的边界曲线206和208类似的第一层边界。产生由曲线304和306限制的特性曲线的风扇被认为是以可接受的方式工作。在图3中还包括第二组曲线308和310，所述曲线308和310提供第二层边界。两层边界标准允许产生用于风扇的渐变的警报响应，所述风扇的特征工作曲线跨越一个或多个边界延伸。本领域技术人员应当认识到，虽然在图3中仅仅示出了两组边界曲线，如果需要可以增加任意数目的额外层。

图4是示例性的风扇速度相对于控制信号的曲线图400，其中所监测的风扇已经超出了第一层标准。曲线402代表在点位置404处已经越过第一层边界曲线306，但没有延伸越过第二层边界曲线310的风扇特性曲线。在这种情况下，例如可以发布一个低等级的警报，所述警报提醒系统操作者如果风扇性能恶化则可能需要进行维护。

图5是示例性的风扇速度相对于控制信号的曲线图500，其中所监测的风扇的特性曲线502已经在位置504处越过第一层边界曲线306，并且在位置506处越过第二层边界曲线310。在这后一种情况下，例如可以发布请求立即或高优先级的补救措施的更为紧急的警报。如果增加了额外的层（未示出），则可以提供额外的警报等级，响应随着风扇性能延伸越过额外的边界而在严重程度方面渐进地增大。

例如，图2a、2b和3-5中示出的特性曲线已使用风扇速度作为风扇性能的受监测变量。然而，作为另一示例，风扇健康监测系统可以使用风扇功率、风扇负载电流、所测量的空气温度或所测量的设备衬底温度作为额外的特征工作曲线。可以单独使用这些额外的测量参数，或者结合风扇速度使用。如针对风扇速度说明的，对于每一额外的测量参数可以建立分层布置的工作边界，并且如果风扇性能超出边界限制，可以建立发布的警报或提醒。

虽然以上的讨论以非限制性的示例的方式针对空气冷却风扇进行，但是可以将相同的理论应用于其它能够产生特征工作曲线的机电设备。这些设备包括但不限于泵、电磁阀和马达。

图6是用于预测机电设备的潜在的故障的示例性监测系统的响应变量相对于控制信号的曲线图。曲线602代表适当工作的示例性电机设备的特征工作曲线（或传递函数）。曲线604和606代表第一层边界限制，曲线608和610代表第二层边界限制。如果在工作期间曲线602延伸越过一个或多个边界曲线606-610，则可以发布适当的警报或提醒以提醒使用者即将发生故障。

图7是连接到4线风扇722的示例性风扇控制设备702的框图700。四线风扇通常具有4个连接（其名字由来），包括：电源、地、控制风扇速度的PWM输入和表示风扇速度或风扇叶片旋转速率的转速计输出。在这个示例中，风扇722的电源输入连接到固定电源总线V_cc，虽然替代地，所述电源输入可以连接到风扇控制设备702的模块718或720（下文将对此进行讨论）。

风扇控制设备702在其非限制性示例中包括多个功能模块。示例性风扇控制设备702的操作中心是微控制器704，并且非限制性地举例而言，RAM存储器模块706、闪速存储器模块708、通信接口模块710、温度测量模块712、风扇转速计输入模块714、脉宽调制（PWM）输出模块716、负载电流测量模块718和模拟电压输出模块720连接到微控制器704。

如本领域技术人员将认识到的，对于4线风扇的基本监测而言，不是所有的前述风扇控制设备702的模块都是需要的，包括它们是为了展示额外的示例性风扇健康监测功能的灵活性。此外，将认识到，风扇控制设备702也可以执行其它功能，例如（根据负载温度或例如对通信接口710的数据输入的其它标准）对风扇速度进行闭环控制。

非限制性地举例而言，通过将在模块714处接收到的风扇转速计输入（风扇速度）与经由模块716传送至风扇722的PWM输出进行比较，并建立特征工作曲线，可以实现基本的风扇监测。微控制器704将来自风扇722的工作数据与存储在存储器模块706、708中的边界曲线数据进行比较。如果工作数据超出层1或层2的边界限制，则经由通信接口模块710向系统使用者发布适当的警报或提醒。

边界曲线数据可以在制造控制设备702时或在控制设备702首次投入使用时或者在晚一些的时候通过经由模块710的通信预编程在闪速存储器模块708中。可替代地，可以对微控制器704进行编程以产生来自实际连接到控制设备702的风扇的特性曲线，并且使用预编程的或使用者提供的标准从以实验方式得出的特性曲线产生边界曲线。

在另一示例中，来自温度传感器724的温度数据可以用作另一响应变量，以便与PWM输出相结合来产生另一特性曲线或传递函数。监测这个第二变量可以与监测风扇速度同时执行，或者可以作为单独的测量来执行。温度数据可以来自空气温度测量或来自所冷却的设备的衬底温度。

图8是连接到3线风扇802的示例性风扇控制设备702的框图800。三线风扇具有两个输入（电源、地）和转速计输出。不同于由图7示出的4线版本，三线风扇的风扇速度通常是由连接到其电源输入804的可变DC电压控制的。这个电源是由可变电压输出模块720提供的，该电源变成用于三线风扇802的控制信号。因此，在这个示例中，来自模块720的可变电压取代用于4线风扇的PWM输出，并且产生风扇速度相对于可变电压的特性曲线且将其与存储在存储器中的边界限制进行比较。

有时测量由风扇消耗的功率可能是有用的，因为阻塞的或停转的风扇可能消耗比正常情况高得多的功率水平，发出需要立即关注的信号。对于四线风扇，测量由风扇消耗的电流给出了功耗的良好标示。

图9是配置为测量传送到4线风扇的功率的示例性风扇控制设备的框图900。在该示例中，4线风扇722的电源输入902连接到电流测量模块718，所述电流测量模块718又可以内部连接到可变电压输出模块720，所述输出模块720的输出电压在V_cc保持基本恒定。由四线风扇消耗的功率现在为微控制器704所知，并且可以与PWM输出相结合以建立适当的特性曲线。如前所述，该测量可以单独地使用，也可以结合上述其它特性曲线使用。如果所消耗的功率超出由层1或层2边界标准限定的限制，则可以产生警报或提醒。

对于三线风扇的情况，输入电压是变化的，因此，电流和电压都要测量以计算所消耗的功率。图10是配置为测量传送到3线风扇的功率的示例性风扇控制设备的框图1000。3线风扇802的电源输入1002连接到电流测量模块718，所述电流测量模块718又可以内部连接到可变输出电压模块720。模块720将改变其电压以改变风扇802的速度，但由于电压和电流两者都正在被微控制器704测量，所以可以获知由风扇802消耗的功率。

在图7-10的非限制示例中，示出单一的风扇连接到风扇控制设备702。如本领域技术人员将意识到的，连接到设备702的风扇的数目可以任意扩展，仅仅受到设备封装、存储器大小、微控制器的计算能力等的限制。此外，也可以容纳4线和3线风扇的组合。

图11是用于监测机电设备1116的工作特性或“健康”的示例性控制设备1102的框图1100；微控制器1104连接到存储器模块1106、1108，通信接口模块1110，控制变量输出模块1114以及响应变量输入模块1112。机电设备1116通过一个或多个输出1118i-1118n连接到模块1114。这些输出起控制机电设备1116的动作的作用。来自设备1116的一个或多个响应测量通过输入1120i-1120n连接到模块1112。可以从各种输入和输出的组合中产生任意数目的特性曲线或传递函数，并且可以以与参考图6所讨论的方式类似的方式使用边界标准，以产生表明设备1116的不恰当操作的警报和提醒。

图12是用于监测风扇并预测潜在的风扇故障的示例性流程图1200。所述过程在操作1202处开始。在操作1204中，向风扇发送脉宽调制（PWM）信号。可替代地，对于三线风扇，向风扇（未示出）传送可变DC电压。在第一示例性过程中，在操作1206中，响应于PWM输入测量风扇速度（或风扇RPM）。可替代地，对于三线风扇，响应于电压输入测量风扇速度（或风扇RPM）。在操作1208中，将所测量的风扇速度与边界限制进行比较。在决定操作1210中，如果风扇速度在层1边界限制之内，则所述过程返回至操作1204。在决定操作1210中，如果风扇速度在层1边界限制之外，则所述过程被引向决定操作1212。在决定操作1212中，如果风扇速度在层2边界限制之内，则所述过程行进至操作1214，在此发布层1警报/提醒。在操作1212中，如果风扇速度在层2边界限制之外，则所述过程行进至操作1216，在此发布层2警报/提醒。继操作1212和1216之后，所述过程返回到操作1204。

在第二示例性过程中，继操作1204之后，所述过程被引向操作1218，其中PWM信号保持恒定且相对于时间测量风扇速度。可替代地，对于三线风扇，可变DC电压保持恒定且相对于时间测量风扇速度（未示出）。继操作1218之后，所述过程转向决定操作1210，在此所述过程如以上在第一示例中所描述的那样行进。

在第三示例性过程中，继操作1204之后，所述过程被引向操作1220，在此测量风扇的功耗。在操作1224中，将所测量的功耗与边界限制进行比较。继操作1224之后，所述过程转向决定操作1210，在此所述过程如以上在第一示例中所描述的那样行进。

在第四示例性过程中，继操作1204之后，所述过程被引向操作1222，在此测量温度。在操作1228中，将所测量的温度与边界限制进行比较。继操作1228之后，所述过程转向决定操作1210，在此所述过程如以上在第一示例中所描述的那样行进。

虽然已经使用特定术语和设备描述了各种实施例，但是这些描述仅仅出于示例性目的。所使用的词汇是用于描述而不是用于限制的词汇。可以理解，在不脱离由文字公开内容和附图支持的各发明的精神或范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行改变和变化。此外，应当理解，各种其它实施例的各个方面可以整体或部分地互换。因此这意味着权利要求应根据本发明的真实的精神和范围来解释，而不进行限制或禁止反言。

Claims (9)

1.一种用于监测空气冷却风扇的方法，包括：

确定可接受的工作的第一上边界限制；

确定可接受的工作的第一下边界限制；

向风扇发送控制信号；

继发送所述控制信号之后测量风扇旋转速率；

确定可接受的工作的第二上边界限制，所述第二上边界限制大于所述第一上边界限制；

确定可接受的工作的第二下边界限制，所述第二下边界限制小于所述第一下边界限制；

如果所测量的所述风扇旋转速率在所述第一上边界限制与所述第二上边界限制之间，则发布第一警报；

如果所测量的所述风扇旋转速率在所述第一下边界限制与所述第二下边界限制之间，则发布所述第一警报；以及

如果所测量的所述风扇旋转速率高于所述第二上边界限制或低于所述第二下边界限制，则发布第二警报。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述风扇是四线风扇，并且所述控制信号是脉宽调制信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述风扇是三线风扇，并且所述控制信号是DC电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定可接受的工作的所述第一上边界限制和确定工作的所述第一下边界限制是通过在向所述风扇发送所述控制信号之前对所述风扇进行测量得到的。

5.一种用于监测空气冷却风扇的方法，包括：

确定可接受的工作的第一上边界限制；

确定可接受的工作的第一下边界限制；

向风扇发送控制信号；

继发送所述控制信号之后测量风扇功耗；

确定可接受的工作的第二上边界限制，所述第二上边界限制大于所述第一上边界限制；

确定可接受的工作的第二下边界限制，所述第二下边界限制小于所述第一下边界限制；

如果所测量的所述风扇功耗在所述第一上边界限制与所述第二上边界限制之间，则发布第一警报；

如果所测量的所述风扇功耗在所述第一下边界限制与所述第二下边界限制之间，则发布所述第一警报；以及

如果所测量的所述风扇功耗高于所述第二上边界限制或低于所述第二下边界限制，则发布第二警报。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述风扇是四线风扇，并且所述控制信号是脉宽调制信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述风扇是三线风扇，并且所述控制信号是DC电压。

8.根据权利要求5所述的方法，其中确定可接受的工作的所述第一上边界限制和确定工作的所述第一下边界限制是通过在向所述风扇发送所述控制信号之前对所述风扇进行测量得到的。

9.一种用于监测机电设备的装置，包括：

微控制器；

耦合到所述微控制器的输出模块；

耦合到所述微控制器的测量模块；以及

耦合到所述微控制器的数字存储器，包括：

a)可接受的工作的第一上边界限制；

b)可接受的工作的第一下边界限制；

c)用于通过所述输出模块向机电设备发送控制信号的代码段；

d)用于继发送所述控制信号之后测量响应变量的代码段；

e)可接受的工作的第二上边界限制，所述第二上边界限制大于所述第一上边界限制；

f)可接受的工作的第二下边界限制，所述第二下边界限制小于所述第一下边界限制；

g)用于如果所测量的所述响应变量在所述第一上边界限制与所述第二上边界限制之间，则发布第一警报的代码段；

h)用于如果所测量的所述响应变量在所述第一下边界限制与所述第二下边界限制之间，则发布所述第一警报的代码段；以及

i)用于如果所测量的所述响应变量高于所述第二上边界限制或低于所述第二下边界限制，则发布第二警报的代码段。