CN104748992A - 用于监测和评估旋转的机器的状态的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
用于监测和评估旋转的机器的状态的装置和方法。用于监测和评估旋转的机器的状态的装置(2)具有：传感器(4)，其为旋转的机器的参数测定至少一个测量值(VM)；至少一个数据采集和监测单元(6)，其采集至少一个测量值(VM)并将至少一个测量值(VM)与为至少一个测量值(VM)的参数定义的极限值(VL)比较；及中央数据和评估单元(8)。借助所述的装置(2)来监测和评估旋转的机器的状态的方法具有下列步骤：为旋转的机器的参数测定至少一个测量值(VM)；为至少一个测量值(VM)确定至少一个极限值(VL)；将至少一个测定的测量值(VM)与极限值(VL)比较；若测定的测量值(VM)超过或低于极限值(VL)，则存储至少一个测定的测量值(VM)；将至少一个存储的测量值(VM)传送至中央数据和评估单元(8)并对其进行评估。
Description
本发明涉及一种用于监测和评估旋转的机器的状态的装置和方法。
旋转的机器部件的故障，例如轴承故障和传动系统缺陷、不平衡、或轴裂缝都会对振动特性产生影响，并因此可能会发生计划外的停机或者在最糟糕的情况下是对旋转的机器产生间接损害
从WO 03/095956 A2中已知一种用于监测旋转的部件或轴承的状态的振动传感器，该振动传感器具有传感元件、评估电子单元和至少一个接口，其中评估电子单元具有信号处理装置用于通过信号分析和诊断算法将测得的信号转换成组件的状态值。
EP 0 327 865 B1描述了用于测量振动元件的机械疲劳的测量装置，所述测量装置具有传感器和分析单元用于计算振动元件的疲劳磨损。
EP 0 909 430 B1公开了一种用于通过测量振动信号来评估具有活动部件的机器的状况的装置和方法。所述装置具有用于采集振动信号的传感器单元、通信工具和评估单元，所述评估单元生成组件的状态值。
从EP 1 198 701 B1中已知一种监测旋转的机器的状态的方法，其中根据从振动传感器测得的信号获悉特征值和功能，以测定与正常运行的偏差。根据所监视的机器的旋转速度，在测定的特征值和功能的基础上确定极限值，一旦超过该极限值则触发警报。
WO 2009/046005 1描述了一种用于监测的方法和装置，其中使用了采集振动信号的传感器和监测运行状态的监测单元，其中分别将两个按时间顺序采集的振动信号进行相互比较用于对状态进行评估。
此外，在WO 2011/088935 A1公开了一种用于监测旋转的机器的状态的方法和装置，其中所述装置具有采集振动信号的传感器和测量信号处理单元。确定自适应阈值和构形因子以过滤测量值，然后再对机器的状态进行评估。
AREVA股份有限公司于2013年也在出版物“DIROM-旋转的机器的监控、诊断和资产管理系统”中描述了一种用于监测和评估旋转的机器的状态的装置。
基于现有技术，本发明的任务在于，提供另一种用于监测和评估旋转的机器的状态的装置和方法。
就装置而言，该任务通过一种用于监测和评估旋转的机器或旋转的机器部件的状态的装置得以实现，该装置具有如权利要求1所述的特征。
所述装置具有：传感器，其用于为旋转的机器的参数测定至少一个测量值；至少一个数据采集和监测单元，其用于采集至少一个所述测量值并且用于将至少一个所述测量值与为至少一个所述测量值的参数确定或定义的极限值进行比较；以及，中央数据和评估单元。
用传感器连续且完整地记录旋转的机器的参数的模拟测量值(例如转矩)，且所述测量值由数据采集和监测单元的信号模块来采集。数据采集和监测单元具有处理模块，例如FPGA(“现场可编程门阵列”)，用于对信号进行初步评估或预处理。所述处理模块将测量值与极限值进行比较，并从而实现直接监测旋转的机器的状态。如果测量值超过极限值，则存储测量值。即使测量值没有超过极限值，但要测定或显示测量值的特征值，例如依次连续采集的测量值的极限值或标准偏差，从而使得在没有保存测量数据的情况下也可在线监测机器。此外，借助数据采集和监测单元可从过程控制技术中获悉过程信号或过程参数，例如旋转速度、温度或压力。
中央数据和评估单元与数据采集和评估单元连接，并被设置用于当测量值超过极限值时进一步评估测量值。如果使用多个数据采集和评估单元，那么每台设备或每台机械只要一个中央数据和评估单元就够了。因此要创建由多个数据采集和监测单元以及只有一个中央数据和评估单元构成的网络，其中每台机器或每个数据采集和监测单元可单独配置。
所述装置的优点在于，可在运行时进行状态监测，从而使得可确定任意时刻的受损程度。如此一来，一方面可预先更好地计划进行检查、采取维护措施或进行需要的修理，从而减少停机时间。另一方面还可提前采取措施来消除故障或错误(例如改变操作模式或重新配置)。
传感器优选为振动传感器，并且由该传感器测定的至少一个测量值为振动信号。也就是说，记录了运行时旋转的机器的振动变化。例如通过振动信号的振幅改变可表明旋转的机器的损伤。可连接各种类型的传感器，例如AC/DC、IEPE或桥式传感器。
在一种优选的实施形式中，数据采集和监测单元具有存储单元。因此测量值或测量信号、运行参数和监测参数可被本地存储在数据采集和监测单元中。这具有的优点在于，即使电源中断或到中央数据和评估服务器的连接中断，数据仍然会保留。在数据采集和监测单元中断后会自己重新启动，加载上次已知的配置并继续进行数据采集和状态监测。
在一个有利的改进实施形式中，中央数据和评估单元具有数据库，用于存储被测定和评估的测量数据或者与所述数据库连接。此外，还设置了过程参数的存储装置。如果被测定的测量数据超过极限值，则存储过程数据。被评估的测量数据以参数或诊断数据形式存储。通过远程连接或者也通过网络应用可随时访问存储在数据库中的数据。由此可诊断受损程度，预计旋转的机器的预期使用寿命，以及随地采取维护措施。
此外，所述装置或数据采集和监测单元和/或中央数据和评估服务器具有通信工具，用于彼此或也可以与其它测量系统(例如另一台机器的数据采集和监测单元或温度测量设备)进行通信以及例如进行数据传输。所述通信可以通过各种已知的系统或接口，例如OPC、Modbus TCP、EtherCAT、Profibus、UDP或TCP/IP来实现。
就方法而言，该任务通过用于监测和评估旋转的机器的状态的方法得以实现，该方法具有如权利要求6所述的特征。
首先为旋转的机器的参数测定至少一个测量值并为所述参数或测量值确定至少一个极限值。在另一个步骤中，将用传感器所测定的测量值与至少一个所述极限值进行比较。如果至少一个被测定的测量值超过或低于至少一个所述极限值，则将该测量值存储并传送至中央数据和评估单元。在那里对所存储的测量值进行进一步评估。
通过此类基于结果的数据存储，其中只存储了表明运行状态恶化的数据，在数据大量减少时还有可能进行连续监测和提前识别可能的故障点或对机器的损害。
至少一个被测定的测量值优选为振动信号，其借助于振动传感器来测定。
除了用传感器所采集的测量值之外还特别采集到过程信号或过程参数，并将其用于识别操作模式。过程信号例如速度、压力、物质流量、功率或温度从过程控制技术来获悉。
可为旋转的机器的参数确定或定义多个极限值，例如下极限值和上极限值。在所述方法的一种有利的实施形式中，根据机器的操作模式来确定极限值。换而言之：报警阈值将根据旋转的机器的操作类型来确定，一旦到达报警阈值则要将测量值存储。借助过程信号来确定相应的操作模式，并且确定和使用相应的极限值。
除了因超过或低于极限值而将数据存储之外有利的是，在更换操作状态之后和/或周期性地和/或手动地存储所测定的测量值。由此特别是可在机器运行时精确监测关键阶段。另一方面主要是由于周期性数据存储和评估对自动的、基于结果的数据存储进行功能控制。
在数据和评估单元中评估测量值的目的特别在于，确定所采集的测量值的进一步走势。原则上，使用各种常用的方法来评估测量数据，例如包络分析法、频次分析法、统计分析法、频率分析法、阶次分析法、FRF分析法、倒谱分析法并提取诊断特征，即提取时间、频率和阶次范围内的窄带和宽带特征值，以确定不同的特征值或特征值函数并将其描述成时间序列(趋势)。
此外，还要将所测定的测量值、所采集的过程信号、被评估的测量值或评估结果，即诊断指标存储在数据库中。同样可将诊断报告、维修报告和有关受到监测的机器的结构信息存储在该数据库中。这样一来所有相关信息都被存档，从而供机器全程使用(机器工作日志)。
也有利的是，将所测定的测量值或表征参数以及从中确定的机器状态(即被评估的测量数据)可视化。这既可以在线进行也可以离线进行，并且可以用简单的方式通过信号灯颜色来实现，所示信号灯颜色例如显示维护建议。此外还可使用过程控制技术的过程特征值，以便在必要时可提前更改操作模式。
下面示例性地借助实施例并且参考附图来进一步详细说明本发明的其它特征和优点。分别用示意性原理图示出：
图1：示出了用于监测和评估旋转的机器的状态的装置，
图2：示出了用于实施监测和评估旋转的机器的状态方法的流程图。
图1示出用于监测和评估旋转的机器20或旋转的机器20部件的状态的装置2，该装置具有传感器4，所述传感器为旋转的机器的参数测定测量值VM。根据图1，传感器4为振动传感器，其采集振动信号作为测量值VM，以便能识别旋转的机器20的振动变化。
此外，装置2具有数据采集和监测单元6，其采集由传感器4测定的测量值VM且将测量值VM与为测量值VM的参数定义的极限值VL进行比较。在数据采集和监测单元6中集成了存储单元10，用于本地存储测量值或测量信号、运行参数和监测参数。
此外，装置2还具有中央数据和评估单元8。中央数据和评估单元8具有用于存储所测定的测量值VE和被评估的测量值VM的数据库12并且通过网络连接与数据采集和监测单元6相连。为此，数据采集和监测单元6和中央数据和评估服务器8具有通信工具14，以便能彼此通信以及与其它测量系统通信。
图2示出了一流程图，在该流程图中描述了借助具有前述特征的装置2来实施监测和评估旋转的机器20的状态的方法的各个步骤。
在旋转的机器20运行期间用传感器4获取振动信号作为测量值VM。同样也要采集过程信号P。测量值VM或振动信号以及过程信号P在数据采集和监测单元6中进行采集。
对所测定的测量值VM以及从中确定的值，例如RMS、尖点和顶点、波峰因数、峭度、平均值、Smax值进行实时评估和显示，并且可以对其进行监测(步骤100)。借助过程信号P也可实时识别旋转的机器20的操作模式(步骤200)。
在另一个步骤300中，根据所识别的旋转的机器20的操作模式来为测量值VM确定限制值VL。如此一来，可关于临界测量值VM进行更精确的监视。
然后将所测定的测量值VM在数据采集和监测单元6与极限值VL进行比较(步骤400)。一旦测量值VM超过或低于确定的极限值VL则将测量值VM且如有必要也将过程参数存储在测量数据文件16中。其中，在数据采集和监测单元6的存储单元10中本地实现存储。在所有其它情况下，不会存储测量值VM，这会导致数据显著减少。
除了这种基于结果的数据存储，即存储测量值VM外，一旦测量值VM不在非临界区域，也就是说超过或低于极限值，则在步骤400中在操作状态改变后，即例如在旋转的机器20的转速发生了由操作引起的改变后，再触发存储。这通过同样被采集的过程信号以及从中识别的操作模式来确定并从而触发存储。此外，还进行循环存储，例如每小时一次、一天多次或一星期多次，以便每个时间段都获得测量数据，而不管是不是有故障或损坏存在。如有需要也可以通过设备人员手动触发测量数据的存储。
接着通过网络连接22，例如借助FTP将所存储的测量值VM或测量数据文件16传输至中央数据和评估单元8。在另一步骤500中，评估测量数据VM。在评估测量数据时，首先在时域内分析信号(例如包络分析，频次分析，测定统计特征值如LF-RMS、ISO-RMS、HF-RMS、峰值、最小值、最大值、峰-峰值、均值、标准差、波峰、峰度和偏度)以及在频域内进行信号分析(例如FFT分析，FRF分析(“频率响应函数”)，阶次分析，倒谱分析)。然后再进行特征提取(从光谱中提取诊断指标作为宽带/能量特征值(宽频带值)和窄带特征值(窄频带值))和特征分析，该特征分析例如描述了所有诊断指标与参考值的相对偏差。这种情况下特别是也确定了测量值VM的进一步走势，以便可以对旋转的机器今后的可靠性进行预言。
被评估的测量数据与所测定的测量值VM和诊断文件18中获取的过程参数P连接并将其存储在中央数据和评估单元8的数据库12中。
参考标记列表
2 装置
4 传感器
6 数据采集和监测单元
8 中央数据和评估单元
10 存储单元
12 数据库
14 通信工具
16 测量数据文件
18 诊断文件
20 机器
22 网络连接
100 处理步骤(显示测量值VM)
200 处理步骤(识别操作模式)
300 处理步骤(确定极限值VL)
400 处理步骤(比较测量值VM和极限值VL)
500 处理步骤(评估测量数据)
VM 测量值
VL 极限值
P 过程信号
Claims (13)
1.一种用于监测和评估旋转的机器(20)的状态的装置(2)，所述装置(2)具有：传感器(4)，其用于为所述旋转的机器的参数测定至少一个测量值(VM)；至少一个数据采集和监测单元(6)，其用于采集至少一个所述测量值(VM)以及用于将至少一个所述测量值(VM)与为至少一个所述测量值(VM)的参数定义的极限值(VL)进行比较；以及，中央数据和评估单元(8)。
2.如权利要求1所述的装置(2)，其中所述传感器(4)为振动传感器，并且至少一个所述测量值(VM)为振动信号。
3.如权利要求1或2所述的装置(2)，其中所述数据采集和监测单元(6)具有存储单元(10)。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置(2)，其中所述中央数据和评估单元(8)具有数据库(12)，所述数据库(12)用于存储所测定的测量值以及评估的测量值(VM、VE)。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置(2)，其中所述数据采集和监测单元(6)和/或所述中央数据和评估服务器(8)具有通信工具(14)。
6.用于借助如前述权利要求中任一项所述的装置(2)来监测和评估旋转的机器(20)的状态的方法，所述方法具有下列步骤：
-为所述旋转的机器(20)的参数测定至少一个测量值(VM)，
-为至少一个所述测量值(VM)确定至少一个极限值(VL)，
-将至少一个所测定的所述测量值(VM)与所述极限值(VL)进行比较，
-如果所测定的所述测量值(VM)超过或低于所述极限值(VL)，则存储至少一个所测定的所述测量值(VM)，
-将至少一个所存储的所述测量值(VM)传送至所述中央数据和评估单元(8)并且对其进行评估。
7.如权利要求6所述的方法，其中至少一个所述测量值(VM)是振动信号。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中根据所述旋转的机器(20)的操作模式来确定所述极限值(VL)。
9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其中采集至少一个过程信号(P)并将该至少一个过程信号(P)用于识别操作模式。
10.如权利要求6至9中任一项所述的方法，其中另外在更换操作状态之后和/或周期性地和/或手动地存储至少一个所测定的所述测量值(VM)。
11.如权利要求6至10中任一项所述的方法，其中确定所述测量值(VM)的进一步走势。
12.如权利要求6至11中任一项所述的方法，其中所测定的测量值(VM)、所采集的过程信号(P)和被评估的测量值(VM)存储在所述数据库(12)中。
13.如权利要求6至12中任一项所述的方法，其中将所测定的测量值(VM)和所述旋转的机器的状态可视化。
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