CN104246218B - 基于被时间标记的信号的旋转系统的状态监测 - Google Patents
基于被时间标记的信号的旋转系统的状态监测 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于旋转系统(108)的测量装置(100)，所述测量装置(100)包括：第一传感器(102)，其布置在所述旋转系统(108)的轴(106)附近，所述第一传感器(102)配置成产生与轴(106)的旋转有关的信号，和控制单元(104)，其连接至所述第一传感器(102)，其中，所述控制单元(104)还配置成：基于来自第一传感器(102)的信号来形成第一参数；确定当前时间基准；形成包括所述第一参数和与所述当前时间基准有关的时间标记的数据包，以及通过连接(204)至所述控制单元(104)的网络，将所述数据包分配到至少一个监测装置(202)。本发明涉及一种包括测量装置(100)的监测系统(200)和一种用于监测旋转系统(108)的状态的相应方法。
Description
技术领域
本发明总体涉及旋转系统的状态监测，具体地涉及基于来自转速计的被时间标记的信号由检测系统所进行的改进分析。
背景技术
状态监测被广泛用来确定机械设备的当前及将来可能的状态，包括例如旋转系统，比如涡轮机、发电机、铁路及其他工业加工设备。通常，对有关温度、旋转、振动等的数据进行分析，用于确定操作的变化、可能引发旋转系统的预测性维护以便确保长的寿命以及在设备故障的情况下减少停机时间。
存在不同的技术来进行旋转系统的状态监测，包括通过设置在例如旋转系统的滚动元件轴承附近的振动传感器所产生的振动信号的频率分析。例如就滚动元件轴承来说，各故障模式往往是这些轴承的劣化，它们通常表现出与轴承几何形状相关的特征频率及因此可通过频率分析来识别的结构的增加。
采用上述技术的监测系统的示例公开在US2011/0020122A1中，描述了一种计算机实现的方法，其中，来自联接至风力涡轮机的多个状态检测传感器的状态信息由集中式风力涡轮机控制器接收。在US2011/0020122A1中，异常检测算法被用来确定用于风力涡轮机的维护活动作为风力涡轮机状态信息和风力涡轮机控制器信息的函数。
尽管在US2011/0020122A1中所公开的监测技术提供了一种用于减少风力涡轮机停机时间的很有前途的方法，但是采用集中式控制器高度约束监测系统内的通信可靠性，用于确保状态信息的必不可少的实时处理。如果系统将来扩大规模可取的话，则这样的方法例如将限制该监测系统。
因此，有必要对涉及监测系统内的状态信息的分配进行改进，以允许在引入进一步的状态检测传感器的情况下系统的简化的扩大规模，以及允许改进状况信息的必不可少的实时处理。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于旋转系统的测量装置，所述测量装置包括：第一传感器，其布置在所述旋转系统的轴的附近，所述第一传感器配置成产生与轴的旋转有关的信号，和控制单元，其连接至所述第一传感器，其中，所述控制单元还配置成：基于来自第一传感器的信号来形成第一参数；确定当前时间基准；形成包括所述第一参数和与所述当前时间基准有关的时间标记的数据包，以及通过连接至所述控制单元的网络，将所述数据包分配到至少一个监测装置。
本发明基于的认识在于，可以通过时间标记与所述旋转系统的轴的旋转有关的参数来改善状态相关数据的处理，并且可通过网络将该信息分配给例如其中可以进行进一步处理的监测装置。
在所提出的实施方式中，来自配置成用于提供指示所述轴的旋转的传感器的数据被时间标记并且以适于通过网络进行分配的格式而被布置，其中至少一个另外的电子设备比如监测装置可接收该信息并将其纳入进一步的计算。优点包括有可能以更通用的方式共享众多电子设备(例如包括监测装置)之间的旋转相关信息，而不必在旋转相关信息被分配到一个以上的其他电子设备或在较大距离分配时采用通常在现有技术监测系统中使用的复杂布线和放大器。相反，根据本发明，可以使用已经可用的网络(有线或无线)，用于分配所述旋转相关信息。
应当指出的是，在本申请的范围内，术语“数据包”应被广泛地解释，包括不同的配置和实施方式。例如，在本发明的范围内，可以产生耐受损失数据流，包括例如其中测量参数及时间基准被组织在一起用于进行进一步分配的“元组”。
为了优化可通过本发明所实现的结果，所述测量装置和监测装置在适当程度上优选的是时间同步的。例如，这可以通过使用被提供给测量装置且进一步被分配给监测装置的本地时间基准来实现。然而，还可以提供测量装置和监测装置的全局同步，例如使用提供当前时间基准的外部布置的源。在这样的实施例中，测量装置还可以包括将所述控制单元连接至外部时间基准的接口，例如是GPS(或任何类似的卫星导航系统)、提供陆地无线电时间信号的装置、或基于计算机的时间基准例如时间服务器(UTC)中的至少一个。此外，所述测量装置和监测装置中的至少一个可以配置成指示这两个装置是否不同步，例如这两个装置之间的时间同步是否与一个以上的预定时间持续不同。
为了产生与所述轴的旋转有关的信号，所述第一传感器可以包括霍尔效应传感器、涡流传感器以及光学传感器中的至少一个。用于产生转速信号的其他实施方式是可能的并且被认为在本发明的范围之内。
在本发明的优选实施例中，如上所讨论的测量装置包括在监测系统中，该监测系统还包括至少一个监测装置、以及连接所述测量装置和监测装置的网络。优选地，所述监测装置配置成：接收来自所述测量装置的数据包；提取所述第一参数及与其相关的时间标记；接收来自第二传感器的第二参数，所述第二传感器连接至所述监测装置并且布置成监测所述旋转系统的多个预定操作状态中的一个，以及执行所述第一参数与所述第二参数之间的基于时间的相关性。
有利地，所述监测装置可以配置成包括用于存储来自所述第二传感器的多个参数的缓冲器。通过包括采用监测装置的缓冲器，可以在所述测量装置与监测装置之间传输数据包时处理可能与网络相关的延迟。缓冲器可以布置成根据预先确定的网络延迟来动态地调整其大小。
优选地，所述监测装置用于有关执行在所述旋转系统的操作期间所产生的振动的频率、相位和/或阶次分析。因此，所述第二传感器优选地是布置成监测所述旋转系统的振动的振动传感器。振动可以例如涉及所述旋转系统的轴、主轴承、电机、齿轮箱或任何其他元件。如上所述，旋转系统或者具体地说是旋转系统的主轴承的故障往往是轴承的退化，其通常表现为与轴承几何形状相关的特征频率及因此可通过频率、相位和/或阶次分析所识别的结构的增加。
可替代地，还可以代替的是，或者此外，测量旋转系统的元件的操作温度、旋转系统的轴的扭矩水平、连接至旋转系统的轴的电机或发电机的电流。更具体地，在本发明的范围之内，可以使用与旋转系统的轴的旋转有关的准确测量的任何动态信号可以与来自布置在旋转系统的轴的附近的转速计的旋转相关数据有关联。更进一步地，所述第二传感器可以例如是第二转速计传感器，其布置成与所述第一传感器相距一定的距离且从而允许确定旋转系统的轴的可能的扭转。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测旋转系统的状态的方法，包括：通过网络来接收来自测量装置的数据包，所述测量装置包括布置在所述旋转系统的轴附近的第一传感器，所述数据包包括与所述轴的旋转有关的第一参数和与其相关的时间标记；接收来自第二传感器的第二参数，所述第二传感器布置成监测所述旋转系统的多个预定操作状态中的一个，和执行所述第一参数与所述第二参数之间的基于时间的相关性，基于所述相关性来确定旋转系统的状态，以及将所述状态传输至外部布置的装置。本发明这方面的进一步的效果和特征基本上类似于上面结合本发明的第一方面所述的那些。
应当指出的是，所述外部布置的装置例如可以是管理服务器，用于存储所确定的状态。然而，该外部装置还可以是状态通信装置，比如提供警告(例如通过声音和/或光的警告信号)的装置，前提是如果特定的状态被确定并且需要人员进行处理该状态。该状态还可以被提供给显示单元，用于将该状态向例如旋转系统的操作者示出。
根据另一方面，提供了一种用于促使计算机应用如上所讨论的方法的计算机程序。此外，该方面提供了如上所述的类似优点。计算机可读介质可以是可移除的非易失性随机存取存储器、硬盘驱动器、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、USB存储器、SD存储卡、或本领域公知的类似计算机可读介质。
根据下面的详细公开、所附的从属权利要求以及附图，本发明的其他目的、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
下面参照示出本发明示例性实施例的附图，对本发明的这些及其它各方面进行更详细地描述，其中：
图1示意性地例示了根据本发明当前优选实施例的测量装置；
图2示出了包括根据本发明的监测系统的旋转系统；以及
图3是概述了根据本发明当前优选实施例的方法的一般步骤的流程图。
具体实施方式
下面参照附图(其中示出了本发明的当前优选实施例)，将在下文中对本发明进行更充分地说明。然而，本发明可以体现为许多不同的形式，并且不应被解释为仅限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例被提供用于完整性和完备性，并且向本领域技术人员充分传达了本发明的范围。各附图中相同的附图标记指代相同的元件。
下面转到附图并特别参照图1，示意性地示出了根据本发明实施例的测量装置100。测量装置100包括转速计102和控制单元104，该控制单元配置成接收来自转速计102的传感器数据。在图1中，测量装置100布置成测量旋转系统108的轴106的旋转速度(或旋转的角度)，旋转系统108可能还包括电机110。转速计102安装成靠近轴106，并且配置成产生指示轴106的旋转速度的传感器数据。优选地，控制单元104具有内部定时装置，用于提供当前时间基准。可替代地，控制单元104可以包括接口，用于接收例如来自外部源的时间基准，比如来自向控制单元104提供时间同步的外部布置的网络连接的时间服务器。此外，控制单元104可接收基于卫星的时间基准(例如GPS信号或类似的)，其以比目前可通过使用网络连接的服务器所实现的更高精度向控制单元104提供时间同步。在图示的例子中，测量装置100被示为包括独立的部件(即转速计102和控制单元104)。然而，应该指出的是，这些部件可被集成到一个单一的结构中，同时提供传感器及运算功能。
控制单元104可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其它可编程装置。控制单元104还可以，或者替代地，包括专用集成电路(ASIC)、精简指令集计算机(RISC)、可编程门阵列的可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或者数字信号处理器。如果控制单元104包括可编程装置，比如上面提及的微处理器或微控制器，则处理器可以进一步包括控制可编程装置操作的计算机可执行代码，其可能存储在控制单元104的存储元件/存储器内。
在旋转系统108的操作过程中，电机110将启动轴106的旋转。在该轴的旋转过程中，相邻布置的转速计102将开始产生与轴106的旋转角度或旋转速度中的至少一个有关的数据流。控制单元104接收来自转速计102的数据，并且基于该转速计数据来形成第一参数，该参数例如包括旋转速度、旋转角度、或关于轴106的特定点何时通过转速计102的传感器元件的指示。该第一参数与作为当前时间基准的时间标记一起打包，用于形成包含关于轴106的旋转的信息的被时间标记的数据包，其可被进一步分配到其他监测装置和/或设备(未在图1中明确地示出)，用于监测例如旋转系统108的操作状态。
在图2中，提供了一种用于如图1所示的旋转系统108的测量系统200的示意图。测量系统200被提供用于监测旋转系统108的状态，并且包括以如上面关于图1所讨论的测量装置100的形式的分布式监测元件，以及另一监测装置202，其中测量装置100和监测装置202通过网络连接204(例如使用以太网或因特网连接(比如有线的或无线的))而彼此连接。此外，监测装置202与测量装置100时间同步，用于允许由连接至测量装置100以及监测装置202的传感器所产生的测量值的正确时间关系。
在图示的实施例中，测量装置100包括接口，用于允许连接另外的传感器，例如振动传感器206，其布置成监测旋转系统108的电机110的振动水平。振动传感器206可以包括位移传感器、速度传感器或加速度计，其配置成提供表示电机110的各个部件振动的信息。加速度计是最常用的振动传感器。该传感器还可以提供指示电机110内的各个部件振动、倾斜、动态距离或速度的信息。
以如上所讨论的类似方式，当在形成可通过网络连接204而被分配至被提供用于监测旋转系统状态的其他监测元件的被时间标记的数据包时，可以使用由振动传感器206所提供的传感器数据。
监测装置202可以是与测量装置100类似的装置，例如包括控制单元、或更高级的计算设备或服务器。监测装置202包括接口，用于允许连接例如多个振动传感器208、温度传感器(未示出)等。
在所示的实施例中，监测装置202被设置成与测量装置100相距一定的距离，振动传感器208布置成监测例如旋转系统108的轴106的轴承的振动。监测装置202还包括存储单元/存储器，用于存储来自振动传感器208的数据，并且以如上所述的类似方式配置成时间标记来自振动传感器208的数据。在所示的实施例中，监测装置202和振动传感器208被提供作为独立的部件。然而，如上面所讨论，它们还可以被集成为一个元件。
进一步参照图3，在监测系统200的操作过程中，当旋转系统110被激活且轴108旋转时，数据由测量装置100的传感器产生，包括与轴108的旋转速度(或旋转角度)和电机108的振动有关的信息。这些数据被时间标记且通过测量装置100被打包在数据包中，并通过使用网络连接204被发送且通过监测装置202而被接收S1。来自振动传感器208的其他数据也通过监测装置202而被接收S2。
可以对来自测量装置100的传感器的数据和来自监测装置202的传感器的数据进行高级关联S3和分析，因为来自所有传感器的数据被时间标记，且因此可以是彼此时间相关的，优选地用于确定S4旋转系统110的状态。具体地，即使来自测量装置100的数据在可能被发送到监测装置202时可因例如网络连接204内的拥堵而被时间延迟，时间标记来自连接至测量装置100的传感器的数据的特性允许该数据与被时间标记并存储在监测装置202的存储器中的来自连接至监测装置202的传感器的数据精确地“时间拟合”。
例如，通过所示的实施例，基于由监测系统200的传感器例如转速计102和振动传感器206和208所提供的所有数据，可以进行例如频率、相位和/或阶次分析。不同地，通过所示的实施例，可以进行关于同步取样数据的例如频率、相位和/或阶次分析，即使该数据是通过使用围绕旋转系统110所分布的不同监测元件而被收集并且通过使用可能时间延迟的网络连接204而被传递。
本质上，由监测装置202所执行的分析可以将来自转速计传感器102的旋转数据考虑在内，犹如该转速计传感器102被直接连接至监测装置202。另外，任何网络延迟将由存储单元/存储器处理，缓冲来自例如振动传感器208的数据，用于来自不同传感器的数据的正确时间拟合。此外，可以由甚至众多其他监测装置(未示出)来执行相似类型的分析，每个都连接至到其他状态监测传感器，这些分析可以以类似的方式将来自转速计传感器102的数据考虑在内，犹如该转速计传感器102直接连接至所提到的其他监测装置中的每一个。因此并且如上述所讨论，来自转速计传感器102的数据可被分配给多个装置，用于监测旋转系统108的状态，而不必采取例如包括昂贵放大器等的复杂的其他转速计数据分配网络。应当指出的是，对于本领域技术人员来说，旋转系统的频率、相位和阶次分析的总体概念是众所周知的，且将不会被进一步阐述。
优选地，旋转系统的状态被传递S5至外部布置的装置，比如管理服务器210，其中可以进行进一步的分析，状态得以存储，且可以启动服务的可能的调度。可替代地，该状态被提供给例如提供警告(例如警告信号)的装置，前提是如果特定的状态被确定且需要人员进行处理该状态的话。
如所讨论，测量装置100和监测装置202彼此时间同步。如果涉及到测量装置100与监测装置202之间的时间同步的任何问题出现，则可以确定可能的定时误差。
在本发明的范围内，可以通过使用网络连接204来分配涉及任何可能定时误差的信息，例如用于包括采用频率、相位和/或阶次分析的定时精度。如果定时误差被确定为大于预定水平，则可能产生警告，例如被分配给监测系统200的整体监测功能，表明来自频率、相位和/或阶次分析的任何可能的结果由于涉及到轴108的旋转速度或旋转角度的大定时误差而可能是错误的。
本领域技术人员要认识到的是，本发明绝不仅限于上述的优选实施例。与此相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变化。此外，通过研究附图、公开内容及所附权利要求，所公开的实施例的变体可以被本领域技术人员在实践所要求保护的发明中所理解和实施。在各权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅凭某些测量被记载在相互不同的从属权利要求中的事实并不能表示这些测量的组合不能被有利地使用。
Claims (9)
1.一种配置成监测旋转系统(108)的状态的监测系统(200)，包括：
测量装置(100)，所述测量装置包括；
第一传感器(102)，其布置在所述旋转系统(108)的轴(106)附近，所述第一传感器(102)配置成产生与轴(106)的旋转有关的信号，和控制单元(104)，其连接至所述第一传感器(102)，其中，所述控制单元(104)还配置成：
基于来自第一传感器(102)的信号来形成第一参数；
确定当前时间基准；
形成包括所述第一参数和与所述当前时间基准有关的时间标记的数据包，
其中监测系统还包括：
至少一个监测装置(202)，和
用于连接所述测量装置(100)和所述监测装置(202)的网络连接(204)，其中控制单元(104)进一步配置成：
通过网络(204)将所述数据包分配到至少一个监测装置(202)；
其中，所述监测装置(202)配置成：
接收来自所述测量装置(100)的数据包；
提取所述第一参数及与其相关的时间标记；
接收来自第二传感器(208)的第二参数，所述第二传感器(208)连接至所述监测装置(202)并且布置成监测所述旋转系统(108)的多个预定操作状态中的其中一个，以及
执行所述第一参数与所述第二参数之间的基于时间的相关性。
2.根据权利要求1所述的监测系统(200)，其中，所述监测装置(202)包括用于存储来自所述第二传感器(208)的多个参数的缓冲器。
3.根据权利要求1或2所述的监测系统(200)，其中，所述第二传感器(208)布置成监测所述旋转系统(108)的振动。
4.根据权利要求1或2所述的监测系统(200)，其中，所述第二传感器布置成监测旋转系统(108)的元件的操作温度、旋转系统(108)的轴(106)的扭矩水平以及连接至旋转系统(108)的轴(106)的电机(110)或发电机的电流中的至少其中之一。
5.根据权利要求1或2所述的监测系统(200)，其中，所述第一传感器(102)包括霍尔效应传感器、涡流传感器以及光学传感器中的至少一个。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的监测系统(200)，其中，所述监测装置(202)还配置成至少基于由所述第一传感器(102)和第二传感器(208)所提供的信息来执行频率、相位和阶次分析中的至少一个。
7.一种用于监测旋转系统(108)的状态的方法，包括：
通过网络来接收(S1)来自测量装置(100)的数据包，所述测量装置(100)包括布置在所述旋转系统(108)的轴(106)附近的第一传感器(102)，所述数据包包括与所述轴(106)的旋转有关的第一参数和与其相关的时间标记；
接收(S2)来自第二传感器(208)的第二参数，所述第二传感器(208)布置成监测所述旋转系统(108)的多个预定操作状态中的一个，和
执行(S3)所述第一参数与所述第二参数之间的基于时间的相关性，
基于所述相关性来确定(S4)旋转系统(108)的状态，以及
将所述状态传输(S5)至外部布置的装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述外部布置的装置是管理服务器或状态通信装置中的至少一个。
9.一种计算机可读介质，其上的计算机程序用于促使计算机应用根据权利要求7所述的方法。
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