CN105302093A - 机械健康监控系统用户界面的智能配置 - Google Patents

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Abstract

一种机械健康监控模块，基于振动信号处理机器振动数据并将所述机器振动数据提供给分布式控制系统。一种分布式控制系统操作员计算机，执行软件用户界面，所述软件用户界面基于所选择的机器测量类型对相关配置参数进行过滤以便所述用户界面屏幕上仅出现那些适用于所述选择测量类型的参数。进一步地，仅当选择特定的测量值用于采集时，才使所述测量类型内的各个测量值的配置参数可用。这大大简化了所述配置用户界面上显示的信息。

Description

机械健康监控系统用户界面的智能配置
相关申请
本申请要求2014年7月28日提交的名称为“带有处理控制系统的整合振动输入输出卡的方法和装置(MethodsandApparatusforIntegralVibrationInputandOutputCardwithProcessControlSystem)”的共同未决临时专利申请序列号62/029,606的优先权。
技术领域
本发明涉及机器控制和机器状态监控领域。更具体地，本发明涉及用于基于将对机器进行的特定类型的测量自动配置分布式控制系统中的用户界面屏幕以简化机器状态监控配置选项的呈现的系统。
背景技术
在现有的机械健康监控和机器保护系统中，不同的测量类型，例如相对轴振、外壳震动、轴向推力/差异膨胀、外壳膨胀、偏心率和转速计测量需要独特的数据采集硬件电子器件。近来，已开发了可被配置成使用共用采集硬件电子器件执行多种测量类型的硬件电路。然而，由于软件限制或编程快捷方式，用于配置机械健康监控/保护系统和过程控制系统的软件用户界面继续呈现不适用于特定测量类型的配置参数。这不必要地使针对特定测量类型配置这种系统的过程变得复杂。
例如，如图4所示，已知的用于过程控制I/O卡的配置用户界面为模拟通道和数字通道提供了配置选项卡，尽管关联的I/O模块可仅仅是模拟模块或数字模块-而非二者。
在图5描绘的另一个实例中，为加速度测量显示了机械保护测量“键相位(Keyphasor)”配置(且变灰)，尽管这些配置选项并不适用于所选择的测量类型。这导致配置显示屏幕不必要地复杂且拥挤。
在图6描绘的再另一个当前实例中，显示了nX机械保护测量配置参数(且变灰)，尽管尚未选择测量值复选框。同样，这导致配置显示屏幕不必要地复杂。
因此，需要自动地向用户呈现仅那些将使用特定传感器类型进行的特定测量所需的配置选项的智能用户界面。
发明内容
本发明的各种实施方案提供了一种软件用户界面，其基于所选择的机器测量类型对相关配置参数进行过滤以便用户界面屏幕上仅出现那些适用于所选择的测量类型的参数。进一步地，仅当选择特定的测量值用于采集时，才使测量类型内的各个测量值的配置参数可用。这大大简化了配置用户界面上显示的信息。
本发明的实施方案提供了机械健康监控模块，其基于振动信号处理机器振动数据并将机器振动数据提供给分布式控制系统。机械健康监控模块优选包括信号调节电路、处理电路和逻辑发生器电路。信号调节电路具有用于从附接至机器的传感器接收模拟传感器信号的接口、用于调节模拟传感器信号的放大和滤波电路，和用于将模拟传感器信号转换成数字传感器信号的模拟数字转换电路。处理电路包括多个并行数字信号处理通道，每一个数字信号处理通道可操作以对数字传感器信号的相应一个信号进行处理以生成每通道多种不同类型的测量数据。逻辑发生器电路可操作以从处理电路接收第一类型测量数据，并确定机器工作状态已发生改变，如第一类型测量数据所指示的那样。逻辑发生器电路也可操作以将处理电路配置成基于机器工作状态的改变生成第二类型测量数据。逻辑发生器电路根据分布式控制系统本地的输入输出数据协议将第一和第二类型的测量数据格式化。
在一些实施方案中，模拟传感器信号包括至少一个模拟式转速计信号，模拟数字转换电路将模拟式转速计信号转换成数字式转速计信号，处理电路对数字式转速计信号进行处理以生成机器速度数据，且逻辑发生器电路确定机器工作状态已发生改变，如机器速度数据的改变所指示的那样。
在一些实施方案中，逻辑发生器电路基于机器速度数据确定机器工作状态已从稳态速度状态改变成减速状态，且其将处理电路配置成生成包括在机器处于减速状态时测量的瞬态震动波形的第二类型测量数据。
在一些实施方案中，逻辑发生器电路基于机器速度数据确定机器工作状态已改变，机器速度数据指示机器速度从高于预定速度阈值下降至低于预定速度阈值，且其将处理电路配置成在机器工作状态低于预定速度阈值时生成第二类型测量数据，而在机器工作状态高于预定速度阈值时生成第一类型测量数据。
在一些实施方案中，在第一频率范围内收集第一类型测量数据，而在与第一频率范围不同的第二频率范围内收集第二类型测量数据。
在一些实施方案中，处理电路的并行数字信号处理通道的至少其中之一生成数字式转速计信号的时间波形形式的测量数据。
在一些实施方案中，逻辑发生器电路与分布式控制系统的输入输出总线电通信，逻辑发生器电路通过输入输出总线接收由连接至输入输出总线的其它机器测量模块生成的指示机器工作状态的离散输入值。逻辑发生器电路基于一个或多个离散输入值的改变确定机器工作状态已改变，且其基于一个或多个离散输入值的改变调节报警级别或生成第二类型测量数据。
在一些实施方案中，传感器信号包括机器振动信号，且处理电路包括峰值检测通道，峰值检测通道接收机器振动信号，在预定采样时间段期间对机器振动信号进行采样，检测采样时间段期间机器振动信号的峰值振幅值，并产生峰值振幅值的时间序列。在这些实施方案中，第一类型或第二类型测量数据包括峰值振幅值的时间序列。
另一方面，本发明的实施方案涉及包括输入输出总线、机械健康监控模块、分布式控制系统控制器和分布式控制系统操作员计算机的分布式控制系统。根据分布式控制系统本地的数据通信协议通过输入输出总线转移数据。机械健康监控模块优选包括信号调节电路、处理电路和逻辑发生器电路。信号调节电路具有用于从附接至机器的振动传感器接收模拟振动信号的接口、用于调节模拟振动信号的放大和滤波电路，和用于将模拟振动信号转换成数字振动信号的模拟数字转换电路。处理电路包括多个并行数字处理通道，每一个数字处理通道对数字振动信号的相应一个信号进行处理以生成每通道多个标量振动值。逻辑发生器电路接收标量振动值，并根据分布式控制系统本地的输入/输出通信协议将标量振动值格式化。分布式控制系统控制器包括具有一个或多个快速扫描寄存器。接口电路可操作以以预定速率扫描输入输出总线以将一个或多个标量振动值接收到快速扫描寄存器内。分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以：
生成用于在用户界面装置上显示的第一图形用户界面屏幕，其包括测量类型选择区，但不包括传感器配置选项区，
接收用户在测量类型选择区输入的测量类型选择，
基于测量类型选择，生成用于在用户界面装置上显示的第二图形用户界面屏幕，其包括一个或多个第一图形用户界面屏幕中不包括的传感器配置选项区，其中传感器配置选项区对于将用于进行由测量类型选择所指示的测量的传感器类型而言是特定的，
接收用户在传感器配置选项区输入的传感器配置选择，以及
基于测量类型选择和传感器配置选择生成用于配置机械健康监控模块的配置数据。
在一些实施方案中，分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以自动分配一个或多个待读入到一个或多个快速扫描寄存器内的标量振动值，其中分配至少部分地基于测量类型选择。
在一些实施方案中，分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以：
生成包括机械跳闸延时输入区的图形用户界面屏幕，机械跳闸延时输入区首先被预设为如行业标准例如API670标准所规定的默认跳闸延时值，
生成包括机械跳闸延时的一个或多个输入选项区的图形用户界面屏幕，其中用户可输入除默认跳闸延时值之外的跳闸延时值，
接收用户在机械跳闸延时输入区输入的跳闸延时选择，以及
至少部分地基于跳闸延时选择生成用于配置控制逻辑例程的配置数据。
在一些实施方案中，分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以：
生成控制逻辑例程配置数据以首先为与多个传感器对应的多个传感器输入实现如行业标准针对与所规定的机械保护旁路，
生成包括一个或多个输入选项区的图形用户界面屏幕，其中用户可选择为一个或多个传感器输入禁用机械保护旁路，
接收用户在一个或多个输入选项区输入的机械保护旁路选择，以及
至少部分地基于机械保护旁路选择生成用于配置控制逻辑例程的配置数据。
在一些实施方案中，分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以：
生成控制逻辑例程配置数据以首先为与多个传感器对应的多个传感器输入实现如行业标准针对所规定的跳闸倍增，
生成包括跳闸倍增的一个或多个输入值区的图形用户界面屏幕，
生成包括一个或多个输入选项区的图形用户界面屏幕，其中用户可选择为一个或多个传感器输入禁用跳闸倍增，
接收用户在一个或多个输入选项区输入的跳闸倍增选择，以及至少部分地基于生成跳闸倍增选择生成控制逻辑例程配置数据。
在一些实施方案中，分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以：
生成控制逻辑例程配置数据以首先实现表决逻辑，表决逻辑允许或禁止故障传感器促成如行业标准所规定的跳闸表决，
生成包括一个或多个输入选项区的图形用户界面屏幕，其中用户可选择允许或禁止故障传感器以形成跳闸表决，
接收用户在一个或多个输入选项区输入的故障传感器表决选项选择，以及
至少部分地基于故障传感器表决选项选择生成配置控制逻辑例程配置数据。
在一些实施方案中，分布式控制系统操作员计算机执行用户界面软件以：
生成控制逻辑例程配置数据以首先实现如行业标准所规定的警报极限或报警极限，
生成包括警报极限或报警极限的一个或多个输入值区的图形用户界面屏幕，
接收用户在一个或多个输入值区输入的警报极限或报警极限选择，以及至少部分地基于警报极限或报警极限选择生成控制逻辑例程配置数据。
附图说明
通过参考结合附图的详细描述，本发明的其它实施方案将变得显而易见，其中：其中元件未按比例绘制以更清楚地示出细节，其中在所有几个附图中，相同附图标记指示相同元件，且其中：
图1描绘了根据本发明的实施方案的机械健康监控(MHM)模块；
图2描绘了根据本发明的实施方案的现场数字FPGA信号处理电路；
图3描绘了根据本发明的实施方案的由DCS控制器执行的控制逻辑的实例；
图4、5和6描绘了现有技术机械保护软件用户界面屏幕的实例；
图7-11描绘了根据本发明的实施方案的测量通道配置界面屏幕的实例；
图12-14描绘了根据本发明的实施方案的用于配置测量通道的方法的过程流程图。
具体实施方式
本发明的实施方案提供了振动数据采集和分析模块，其直接接口连接至分布式控制系统输入/输出底板以允许由DCS直接采集振动数据以进行机械保护和预测性机械健康分析。如文中所使用，术语“分布式控制系统(DCS)”是一种在过程或工厂中使用的自动化控制系统，其中控制元件分布在整个机器或多个机器中以向机器的不同部件提供操作指令。如文中所使用，术语“保护”是指在如果允许机器继续运转则可能发生严重且高成本的损坏的情况下，使用从一个或多个传感器收集的数据(振动、温度、压力等)使机器关停。另一方面，“预测”是指使用从一个或多个振动传感器收集的数据(或许与来自其它类型的传感器的数据结合)观察机器性能的趋势并预测机器应脱机以进行维护或更换之前可工作多长时间。
图1描绘了直接与DCS11接口连接的机械健康监控模块(MHM)10。在优选实施方案中，模块10包括接收并调节传感器信号的现场模拟信号调节和传感器电源卡12、处理传感器信号的现场数字FPGA信号处理卡14和提供至DCS输入/输出总线18的接口的DCS逻辑发生器卡(LGC)16。现场卡12可优选通过现场信号接口连接器22接受来自至少八个测量传感器20的输入。在优选实施方案中，传感器输入通道的至少两个可被配置为转速计(tachometer)通道。
优选地，在模拟现场卡12与数字现场卡14之间设置电流隔离。电隔离防止传感器20的安装位置与DCS11之间由例如接地回路引起的意外电流。
传感器电源24和信号调节电路26可支持多种不同的传感器20，包括压电加速计、压电ICP速度、压电动态压力、电子动力速度、涡流位移、AC振动和DC位移，其中输入电流为4-20mA。所支持的转速计传感器包括涡流位移传感器、无源电磁传感器、霍耳效应转速计传感器、N脉冲/转轴编码器和TTL脉冲传感器。支持许多在DC至20KHz频率范围内的附加传感器类型，只要其在以下示例性电压输入范围内：0至+24V、-24V至+24V、-12V至+12V以及0至-24V。在优选实施方案中，可对多达八个传感器电源电路24单独编程以便电流恒定在0至20mA之间，该恒定电流也可用作电子动力(无源)速度传感器的上升电流。也可在每个传感器通道上单独地编程以上列出的输入电压范围。这允许通道之间的传感器电源和输入范围配置可进行任何混合，从而使得受支持的传感器能够混合。
利用时钟26提供的定时，8通道模拟-数字转换器(ADC)28将八个模拟信号转换成包括八个同时采样的交织通道的数据的单个串行数据流。在一些优选的实施方案中，两个转速计触发电路30将模拟转速计信号转换成转速计脉冲。
现场卡14上具有用于处理振动数据的8通道现场可编程序门阵列(FPGA)36。FPGA36接收8通道数字波形数据(可能包括2通道的转速计数据)，并对原始数据进行并行处理以生成标量总振动参数和波形。经处理的波形可包括低通滤波波形、PeakVueTM波形、阶次跟踪波形、高通滤波(直流阻塞)波形以及可选择的单集成(速度)波形、双集成(位移)波形，或非集成(加速度)波形。这些波形也可在转速计数据的两个专用数据通道上生成。预测数据通道也优选包括上采样数据块以为时域同步平均(TSA)阶次跟踪应用程序提供分辨率较高的数据。
模拟现场卡12的振动卡配置电路32优选包括一组串行-并行锁存寄存器，其接受来自LGC16的应用程序固件的配置数据的串行数据流。该数据被加载到FPGA36的接口内的并行-串行移位寄存器。然后，FPGA36使用同步SPI格式处理串行数据至控制锁存器的移位。
在优选实施方案的操作期间，MHM模块10对于DCS控制器19而言似乎是标量输出与标准DCS输入模块21的标量输出相似的多通道模拟输入卡，例如可以是输出测量温度、压力或阀位值。如以下更详细地讨论的那样，振动信号被模块10转换成标量值并通过DCS的底板被提供给DCS控制器19。DCS控制器19的一个实例是爱默生过程管理公司(爱默生电气公司的分部)制造的OvationTM控制器。在该DCS体系结构中，多达十六个标量值作为高速扫描值从每个I/O模块被提供给DCS控制器19。在高速扫描中，DCS控制器19可以高达10毫秒的速率读取这十六个标量值。
可使用数据块转移方法(例如，远程桌面协议(RDP))通过DCS输入/输出总线18以低于扫描十六高速标量值的速率的速率将时间波形数据块(以及附加标量值)转移至DCS控制器19。
由于机械健康监控模块10生成的标量值由DCS控制器19读取，因此DCS控制器19中运行的软件以与处理任何其它DCS数据的方式相同的方式处理这些标量值。DCS控制器19的一个主要功能是将标量值与警报极限进行比较。如果超过了极限，则生成警报。DCS控制器19内的逻辑也可基于警报状况确定是否应采取任何行动，例如关闭继电器。DCS控制器19还在软件中执行包括警报继电器逻辑、表决和延时的操作。优选地，DCS控制输出(例如，继电器输出和4-20mA比例输出)由DCS的标准输出模块23驱动。批量预测数据在LGC主处理器48内被格式化，并通过以太网端口52a传输至机器健康管理(MHM)分析计算机54以进行详细分析和显示。批量保护数据也在LGC主处理器48内被格式化，但通过单独的以太网端口52b传输至DCS操作员计算机60。
在优选的实施方案中，DCS操作员计算机60包括用于显示从DCS控制器19输出的振动参数和其它机器操作数据(压力、温度、速度、警报状况等)的界面。
图2描绘了现场数字FPGA36的单个通道的功能框图。优选的实施方案包括七个布局与图2中描绘的一个通道的布局相同的附加通道。如以下更详细地描述的那样，通道数字波形数据在被转换成振动总值或被打包成“批量”时间波形以由在LGC卡16上运行的软件进一步进行分析或传输至DCS软件或MHM软件之前可通过各种数字滤波器和积分级路由。
如图2所示，ADC接口70通过连接器34(图1中所示)从现场模拟卡12的ADC28接收八个通道的连续同时取样数据。数据优选为串行外围接口(SPI)格式的复用同步串行数据流的形式。ADC接口70将数据流解复用成八个单独的通道数据流。
尽管所有八个通道均可用于振动信号处理，但是在优选的实施方案中，八个通道的其中两个可用于转速计测量处理。每个转速计测量通道优选包括：
单触发(one-shot)110，其是为具有过度抖动或噪声的转速计脉冲序列提供噪声抑制的可编程触发器“消隐”功能；
N分频111，其是对齿轮或代码轮产生的转速计信号的脉冲频率进行分频的可编程脉冲分频器；
反向旋转检测器112，其通过比较两个转速计脉冲信号的相位确定轴旋转的方向；
RPM指示器115，其计算转速计脉冲流的RPM作为标量总值。
零速检测器113，当转速计已闲置可编程时间间隔(例如，0.1秒、1秒、10秒或100秒)时，其提供“零速”指示；和
检测器114，当转速计超过2KHz或62KHz的固定阈值时，其提供“超出额定范围”指示。在替代实施方案中，该阈值可编程。
继续参考图2，FPGA36中的八个独立并行信号处理通道的每一个优选包括以下组件：
用于直流阻塞的高通滤波器72，其可优选设置成0.01Hz、0.1Hz、1Hz或10Hz，且可基于开关74的位置对以下描述的积分器选择或旁路其；
两级数字波形积分，包括第一积分器76和第二积分器78，其提供从加速度至速度、从加速度至位移，或从速度至位移的数据单位转换；
数字跟踪带通滤波器82，其带通中心频率由转速计频率或转速计频率的倍数设置，并基于开关80的位置接收“普通”数据流(无积分)、单积分数据流或双积分数据流作为输入，如以下更详细地描述的那样；和
标量总测量计算块88-100，其确定几个不同的波形标量总值，如下所述。
在优选实施方案中，数字跟踪带通滤波器82的目的是窄(高Q)带通响应，其中心频率由所选择的转速计输入的RPM确定。中心频率也可以是转速计RPM的选择的整数倍。当波形通过该滤波器时，将仅保持与受监控机器的转速的倍数对应的振动分量。当由对应的FPGA计算块(88、90或92)计算合成波形的RMS、峰值或峰峰标量值时，结果与由在LGC16的应用程序固件内执行的“nX峰值”计算将返回的值相同。由于该标量计算作为连续过程在FPGA36内执行而非作为计算在固件内进行，因此与以较低的速率在固件内产生的对应值相比，其更适合“关停参数”。该测量的一个应用是监控航改涡轮机(aero-derivativeturbines)，其通常需要跟踪滤波器功能来进行监控。
对于若干标量总值，基于开关84a-84d的位置，计算值所根据的各个数据类型可选自普通数据流、单积分数据流、双积分数据流、高通滤波(直流阻塞)数据流或跟踪滤波器数据流。此外，若干标量总通道具有可单独编程的低通滤波器88a-88d。在优选实施方案中，这些标量总值独立于用于进行预测或保护的时间波形且与时间波形并行生成。标量总测量计算块优选包括：
RMS块88，其确定时间波形的RMS值，其中RMS积分时间可优选设置成0.01秒、0.1秒、1秒或10秒；
峰值块90，其确定正或负波形峰值大于波形平均值，优选在由转速计周期或可编程延时确定的一段时间内测量此。
峰-峰值块92，其确定在由转速计周期或可编程延时确定的一段时间内的波形峰间值(peak-to-peakvalue)；
绝对+/-峰值块94，其确定信号波形相对于测量范围的零点的最大正偏移值和最大负偏移值，优选在由转速计周期或可编程延时确定的一段时间内测量此；
直流块96，其确定时间波形的直流值，其测量范围优选设置为0.01Hz、0.1Hz、1Hz或10Hz；和
PeakVueTM块100，其确定表示经滤波和全波整流PeakVueTM波形的峰值的标量值，如授予Robinson等的美国专利号5,895,857(通过引用并入本文)中描述的那样，优选在由转速计周期或可编程延时确定的一段时间内测量此。功能块98内实现了全波整流和峰值保持功能。来自块98的PeakVueTM波形也可作为可选输入用于本文描述的预测时间波形和保护时间波形处理。
FPGA36的预测时间波形处理部分116提供了供任何预测监控功能使用的连续滤波时间波形。设置了独立的低通滤波器/抽取器104a，以便预测时间波形的带宽不同于保护时间波形。波形上采样块106为分析类型例如时域同步平均(TSA)和阶次跟踪提供了数据速率倍增。至预测时间波形处理部分116的输入可基于开关102a的位置选自普通数据流、单积分数据流、双积分数据流、高通滤波(直流阻塞)数据流或PeakVueTM数据流。
FPGA36的保护时间波形部分118提供了供任何保护监控功能使用的连续滤波时间波形。设置了独立的低通滤波器/抽取器104b，以便保护时间波形的带宽不同于预测时间波形。至保护时间波形处理部分118的输入可基于开关102b的位置选自普通数据流、单积分数据流、双积分数据流、高通滤波(直流阻塞)数据流或PeakVueTM数据流。
优选的实施方案提供了瞬态数据收集，其中可收集来自每个信号处理通道的连续并行时间波形以传输至外部数据存储器。瞬态波形的带宽优选固定，且优选从保护时间波形数据流收集瞬态波形。
如图1所示，标量总值以及数字滤波时间波形穿过LGC接口38至LGC逻辑板16以进一步进行处理并通过DCS输入/输出底板18传输至DCS控制器19，或通过以太网端口52传输至在MHM数据分析计算机54上运行的外部软件应用程序。
图3描绘了由DCS控制器19执行的控制逻辑例程(本文也称为控制图表)的实例。在优选的实施方案中，控制图表被调度成由控制器19内运行的DCS软件以预定速率(例如，1秒、0.1秒或0.01秒)执行。当执行控制振动处理的控制图表时，从DCS输入/输出总线18扫描了标量总振动值，且以控制图表的执行速率生成了输出值。
由控制图表执行的逻辑功能优选包括：
表决逻辑，例如如果二个标量值超过阈值或3个标量值中的2个超过阈值则确定报警状况存在的逻辑。
将振动数据与其它DCS过程参数数据(例如，压力和温度)结合。
跳闸倍增(Tripmultiply)，其为由当前机器状态或增加报警级别的手动输入确定的临时状态。跳闸倍增通常在旋转机器(例如，涡轮机)的启动期间使用。当涡轮机加速时，其通常经受至少一个机械谐振频率。由于在该谐振期间会测量高于正常振动的状态，因此“跳闸倍增”用于暂时提高一些或所有报警级别以避免假警报跳闸(Trip)。跳闸倍增输入可由操作员手动输入设置，或基于RPM或一些其它“机器状态”输入自动设置。
跳闸旁路(Tripbypass)，其通常为例如在机器启动期间抑制输出逻辑的操作以禁用跳闸功能的手动输入。跳闸旁路为抑制所有生成的振动警报或任何将用作跳闸控制的输出，或抑制二者的功能。跳闸旁路输入可由操作员手动输入设置，或基于一些“机器状态”输入自动设置。
延时，其为通常被编程为确保在允许机器发生跳闸之前跳闸状态已持续指定时间的延迟。跳闸延时通常设置为1至3秒，如API670标准所建议的那样。该延迟的目的是拒绝由机械或电尖峰或毛刺引起的假警报。
用户界面的智能配置
如上所述，DCS操作员计算机60提供了用于显示振动参数和其它从DCS控制器19输出的机器操作数据的界面。在优选实施方案中，DCS操作员计算机60执行用户界面(UI)软件，除了其它方面，用户界面(UI)软件形成用于对MHM模块10的测量通道进行配置的配置文件。该配置文件优选由LGC主处理器48接收，主处理器48利用其对MHM模块10的许多其它组件进行配置。
图7-图11描绘了用于配置测量通道的UI屏幕的实例。图12-图14描绘了用于配置测量通道的方法的实施方案的过程流程图。
图7描绘了初始通道配置屏幕200，其用于对八个振动测定通道202和两个外部转速计通道204进行配置(图12中的步骤300)。在该初始配置屏幕200中，尚未为输入配置选项卡上的通道1选择测量类型，且未显示测量特定配置输入区。图8描绘了通道配置屏幕200，其中已在输入区206中为输入配置选项卡中的通道1选择了相对轴振测量类型(步骤302)。在选择了相对轴振测量类型之后，屏幕200自动更新以仅为输入配置选项卡中的通道1显示与该特定测量类型关联的配置输入区208(步骤304)。例如，展示了用于以下参数的输入区以允许选择适当的配置值：下截止频率、转换器模型、传感器工作范围起点、传感器工作范围终点、传感器模型和传感器灵敏度。
图9描绘了通道配置屏幕200，其中已在输入区206中为输入配置选项卡中的通道7选择了转速计测量类型(步骤302)。在选择了转速计测量类型之后，屏幕200自动更新以仅为输入配置选项卡中的通道7显示与转速计测量关联的配置参数输入区208(步骤304)。图10描绘了已为转速计测量类型选择了通道配置屏幕200的参数选项卡(步骤306)的实例。此时，尚未在输入区210内选择转速计测量值，且未显示配置参数。图11描绘了已选择了若干转速计测量(RPM、零速检测、反向旋转检测、转子加速度、直流间隙电压和按需转速计波形数据)(步骤308)的实例。基于对这些测量的选择，若干相关配置参数的输入区210自动展示，以允许对所选择的测量进行配置(步骤310)。
如上所述，MHM模块10将振动信号转换成标量值，并通过DCS输入/输出总线18(图1)使这些标量值可为DCS控制器19所用。在典型的DCS体系结构中，使得十六个标量值可用作高速扫描值，DCS控制器19以预定速率(例如，大约每隔10毫秒)读取这些高速扫描值。这些值被读入DCS控制器19中的“快速扫描”寄存器内。
基于DCS输入/输出总线18上的十六个高速扫描值的可用性，将两个快速扫描寄存器分配给MHM模块10的八个通道的每一个。如上所述，对于每个传感器输入，MHM模块10的并行测量处理通道实际上能够产生两种以上类型的测量值。在优选实施方案中，DCS逻辑发生器卡16内执行的软件基于所选择的测量类型自动为每个测量通道选择多个测量值的其中两个以分配给快速扫描寄存器(图12中的步骤312)。例如，如果所选择的测量类型为相对轴振，则分配给快速扫描寄存器的两个选择的测量值可以是总峰间值和直流间隙电压。
在一些优选的实施方案中，DCS逻辑发生器卡16内执行的固件基于例如机器速度测量(步骤314)来监控机器状态(图13中的步骤316)，并启动独特的机械健康测量或调节某些与独特的机器状态对应的报警级别(步骤318)。例如，如果RPM指示器115输出的机器RPM表明机器状态已从稳态速度状态变为跳闸/减速状态，则软件开始记录减速周期期间振动数据的无间隙瞬态波形。该波形数据可来自FPGA36的预测时间波形处理部分116。再如，如果RPM指示器115显示机器状态小于600RPM，则软件可执行偏心率测量以测量轴的弯曲量。超过600RPM，软件便停止该测量。在第三实例中，立式水轮机可具有四个不同的工作状态，其由通过DCS输入/输出总线18而可用的离散输入值指示。软件可设置某些报警级别，或可基于特定机器工作状态使得某些测量类型可用于输出。
在一些优选的实施方案中，DCS逻辑发生器卡16中执行的固件监控在第一范围内收集的第一组机械健康测量以确定独特的机器状态(步骤314)，并基于第一组测量所指示的机器状态开始第二组独特的机械健康测量(步骤320)。例如，MHM模块10通常可仅收集频谱达到2kHz的振动数据。然而，如果第一组测量指示高频检测频带处于警报状态，则可开始频谱为20kHz的第二测量以允许确定高频范围内产生警报的原因。
API670控制图表逻辑
如美国石油学会(API)所定义的那样，API670标准提供了用于监控和保护炼油厂和石油化工厂内的重要旋转机械上使用的设备的详细要求。该标准涵盖了对于可测量径向轴振动、外壳振动、轴的轴向位置、轴旋转速度、活塞杆下降、相位基准、超速、浪涌检测和重要机械温度(例如，轴承合金和电动机绕组)的机械保护系统的最低要求。
例如根据API670标准，使机器振动监控与机器控制结合通常需要(1)对振动机械保护系统进行配置，然后使机械保护系统与过程控制系统集成，或(2)直接将振动信息输入过程控制系统并手动地对过程控制系统进行配置以最佳地进行振动机械保护。选项(1)存在几个问题，包括集成处理耗时，且需要训练、附加硬件、软件、配置和持续支持。选项(2)的问题是过程控制系统操作员对于安全地配置过程控制系统以进行保护机器免受高振动的应用任务并不熟练。
本文描述的优选实施方案提供了解决与选项(2)有关的问题的系统。该系统包括用于过程控制系统的UI软件，其引导用户并基于振动行业最佳实践和API670标准接收用户输入。该系统使用内置UI程序逻辑引导不熟练的用户为过程控制系统创建API670控制图表。
在优选的实施方案中，用户界面(UI)程序逻辑根据API670标准预先选择1秒作为机械跳闸发生之前的默认延时，并自动地与该默认延时形成模拟输入块(图14中的步骤322)。如本文所使用，术语模拟输入(AI)块是控制逻辑内用于读取来自模拟输入硬件的模拟输入信号的对象。通常，AI块具有内部警报极限，在发出通知之前，警报极限的延时是可配置的。通过利用所需的设置自动创建AI块，本发明的优选实施方案使得用户免于手动地将AI块从选项板拖放到工作区上并打开/配置其以延时报警。
UI程序逻辑还为其它延迟2秒和3秒的API670可接受值呈现用户选择的选项，并利用用户选择的延时自动创建AI块(步骤326)。在一些实施方案中，UI程序逻辑通过输入用户选择的延时值为用户呈现偏离API670标准的选项，且软件利用用户选择的延时自动创建AI块。用户能够接受自定义值作为可接受偏差(步骤324)，其将自动保存至偏差列表。
在一些实施方案中，UI程序逻辑根据API670标准为每个传感器输入自动创建控制图表逻辑以实现机械保护旁路。UI程序逻辑优选为用户提供为每个传感器输入启用或禁用该旁路的选项(步骤328)。机械保护旁路(在文中也称作跳闸旁路)允许绕过机械关停警报极限。例如，如果正在对保护系统进行维护，则将需要这种旁路以避免使机器意外跳闸。
UI程序逻辑还为用户提供了为传感器创建分组的工具，以便可利用单个用户输入使多个传感器旁路。UI程序逻辑进一步为用户提供了选择“力”的工具，该“力”将迫使输出继电器状态改变或保持给定状态(步骤332)，且其自动在控制图表内形成旁路、分组和力(步骤330)。
在一些实施方案中，UI程序逻辑根据API670标准为每一个传感器输入自动创建控制图表逻辑以实现跳闸倍增。UI程序逻辑优选为用户提供选择默认值的选项，以输入API670可选值，或输入API670规范之外的用户优选值(步骤334)。UI程序逻辑还可为用户提供为每个传感器输入启用或禁用跳闸倍增的选项。UI程序逻辑可进一步为用户提供为传感器创建分组以便可利用单个用户输入将跳闸倍增应用于多个传感器的工具，且其自动在控制图表内创建跳闸倍增和分组。
在一些实施方案中，UI程序逻辑向用户呈现使径向传感器实现API670标准默认值的选项，API670标准默认值不允许故障传感器促成跳闸表决。优选向用户呈现允许坏的传感器、转换器或电缆促成跳闸表决的替代选项(步骤336)。在这些实施方案中，控制图表基于用户的输入自动选出/选除传感器、转换器和电缆的跳闸决策条件(步骤330)。
在一些实施方案中，UI程序逻辑向用户呈现实现API670标准默认条件的选项，默认选项允许故障推力传感器促成跳闸表决。优选向用户呈现不允许故障传感器、转换器或电缆促成跳闸表决的替代选项(步骤336)。在这些实施方案中，控制图表基于用户的输入自动选出/选除传感器、转换器和电缆的跳闸决策条件(步骤330)。
在一些实施方案中，UI程序逻辑向用户呈现为每个控制系统输出选择锁存或非锁存继电器的选项(步骤338)。当警报状态为真，且然后变为假警报状态时，UI程序逻辑自动创建控制图表以锁存或自动复位继电器(步骤330)。
在一些实施方案中，UI程序逻辑为用户提供了为每个测量通道或通道组输入警报极限、报警极限和预报警极限的方法(步骤340)，且UI程序逻辑自动将这些极限应用于控制图表以确定警报和继电器激活(步骤330)。
在一些实施方案中，UI程序逻辑创建控制图表，控制图表自动：(1)给所有输入的振动和状态数据加盖日期和时间戳；(2)对数字输入(DI)进行配置以复位锁存继电器；(3)对数字输出(DO)和UI可视件进行配置以通告旁路；以及(4)对控制图表中的DO进行配置以输出所有硬件的状态。
在一些实施方案中，首先将传感器间隙电压和传感器偏压设定为默认电压值，且UI程序逻辑允许用户对这些值进行编辑(步骤342)，且这些值在控制图表中自动更新(步骤330)。
在一些实施方案中，UI程序逻辑根据API670标准生成控制图表以自动捕捉并更新在每个轴承处的最高径向轴振动测量、所有轴向测量、最高机器外壳振动测量、最高速度测量、最高杆下降测量以及在每个轴承处的最高温度测量。
在一些实施方案中，UI程序逻辑为用户提供选择继电器选项的选项(步骤344)，UI程序逻辑基于用户选择使用继电器选项来自动配置控制图表逻辑(步骤330)。这些继电器选项优选包括通常断电、通常通电、断电以报警以及通电以关停。
在一些实施方案中，UI程序逻辑为用户提供为轴向推力测量选择默认范围(例如，-40至+40密耳)和为径向振动测定选择默认范围(0至125微米)，或为这些范围输入自定义值的选项。用户选择可编辑且可保存用于将来的默认配置。对于每个选择的范围，UI程序逻辑基于默认值或自定义值生成控制图表。自定义值优选在API670标准偏差报告中获取。在优选的实施方案中，UI程序逻辑自动对控制图表中振动大于10密耳的电路故障进行配置。
在一些实施方案中，当选择三取二逻辑用于轴向推力测量时，UI程序逻辑默认自动对控制图表进行配置以包括高振动或传感器故障跳闸表决。
在一些实施方案中，当将温度传感器用作输入时，UI程序逻辑默认自动将控制图表配置成满标度温度范围，例如0度至150度，且数字读出在控制逻辑中被自动配置，其中分辨率为1度。优选地，UI程序逻辑根据API670标准将对温度的双重表决配置为默认配置。用户接受的其它表决配置在API670例外列表中将会被标记。
在一些实施方案中，UI程序逻辑使用每个配置通道的配置设置自动生成在DCS操作员计算机60的运行时间期间将显示给用户的图形元素。这些图形元素优选：(1)包括与成振动、位置、温度或任何主值成正比的柱状图；(2)提供警报、报警和预报警等级的图形指示；(3)包括工程单位；(4)提供最高测量值的图形指示；(5)为每个显示的值提供名称或描述；(6)自动配置成满标度范围；(7)提供传感器、电缆和转换器健康指示；(8)提供明确的故障或无故障指示；(9)提供继电器状态指示；(10)提供电路故障指示；(11)提供表决结果指示；(12)提供用于启动历史值和即时值趋势的方法；(13)为用户提供编辑警报极限的密码保护方法；至(14)为用户提供复位锁存继电器的方法。
在一些实施方案中，用户界面显示屏幕包括用户可点击以重置测量的最高速度峰值的按钮。优选地，会为该重置速度峰值的软件用户输入或DI自动配置控制逻辑。
在一些实施方案中，预配置HART装置自动将其配置数据传递至控制逻辑，控制逻辑相应地自动对控制图表进行配置。
通常，进行机械保护是平衡安全性与机器可用性的一种做法。一些应用程序可更倾向于安全，例如在100毫秒内跳闸，或对故障传感器进行计算作为跳闸表决。其它应用程序可更倾向于可用性，例如在跳闸之前实施3秒钟的延迟，或不计算故障传感器作为跳闸表决。因此，UI程序逻辑的一些实施方案允许用户朝更安全或更具可用性的方向来“调整”控制图表配置的多个方面。例如，DCS操作员计算机上可显示单个图形滑块来提供输入以允许用户沿一端具有最大安全性而另一端具有最大可用性的滑标选择点。在本实施方案中，UI程序逻辑基于滑块设置自动调节跳闸定时和表决逻辑。
一些实施方案实现了用于自动访问MHM模块10的配置信息以及访问分布式控制系统11的配置信息，并创建用于配置分布式控制系统以从MHM模块10接收分布式控制系统本地的数据格式的数据的控制系统配置文件的方法。美国专利号8,463,417和8,958,900中描述了这种方法的一些特征，所述专利的整个内容通过引用并入本文。
为了说明和描述，已经给出了本发明的优选实施方案的上述描述。这些描述并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的具体形式。根据以上教导，可进行明显的修改或变化。选择并描述实施方案是为了提供对发明原理及其实际应用的最佳说明，以使本领域的普通技术人员能够在本发明的各种实施方案利用本发明，并进行适合特定预期应用的各种修改。当依照公平、合法、平等的原则对所授权的外延进行解释时，所有这种修改和变化均在由所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种机械健康监控模块，基于振动信号处理机器振动数据并将所述机器振动数据提供给分布式控制系统，所述机械健康监控模块包括：
信号调节电路，具有用于从多个附接至机器的传感器接收多个模拟传感器信号的接口，用于调节所述多个模拟传感器信号的放大和滤波电路，以及用于将所述多个模拟传感器信号转换成多个数字传感器信号的模拟数字转换电路；
与所述信号调节电路电通信的处理电路，包括多个并行数字信号处理通道，每个通道可操作地对所述多个数字传感器信号中对应的一个信号进行处理以生成每通道多个不同类型的测量数据；以及
与所述处理电路和信号调节电路电通信的逻辑发生器电路，可操作地从所述处理电路接收第一类型测量数据，且可操作地确定由所述第一类型测量数据所表明的机器工作状态已改变，且可操作地基于机器工作状态的改变配置所述处理电路以生成第二类型测量数据，且可操作地根据所述分布式控制系统本地的输入输出数据协议将所述第一类型测量数据和所述第二类型测量数据格式化。
2.根据权利要求1所述的机械健康监控模块，其中所述模拟传感器信号包括至少一个模拟转速计信号，且其中：
所述模拟数字转换电路可操作地将所述至少一个模拟转速计信号转换成数字式转速计信号；
所述处理电路可操作地对至少一个数字式转速计信号进行处理以生成机器速度数据；且
所述逻辑发生器电路可操作地确定由所述机器速度数据的改变所表明的机器工作状态已改变。
3.根据权利要求2所述的机械健康监控模块，其中所述逻辑发生器电路可操作地基于所述机器速度数据确定机器工作状态已从稳态速度状态变为减速状态，且可操作地对所述处理电路进行配置以生成包括当机器处于减速状态时测量的瞬态震动波形的第二类型测量数据。
4.根据权利要求2所述的机械健康监控模块，其中所述逻辑发生器电路可操作地基于表明机器速度从高于预定速度阈值下降至低于预定速度阈值的机器速度数据确定机器工作状态已改变，且可操作地将所述处理电路配置成在机器工作状态低于预定速度阈值时生成第二类型测量数据，而在机器工作状态高于预定速度阈值时生成第一类型测量数据。
5.根据权利要求2所述的机械健康监控模块，其中所述第一类型测量数据在第一频率范围内收集，而所述第二类型测量数据在不同于所述第一频率范围的第二频率范围内收集。
6.根据权利要求2所述的机械健康监控模块，其中所述处理电路的并行数字信号处理通道的至少其中之一可操作地生成所述数字式转速计信号的具有时间波形形式的测量数据。
7.根据权利要求1所述的机械健康监控模块，其中所述逻辑发生器电路与分布式控制系统的输入输出总线电通信，所述逻辑发生器电路通过所述输入输出总线接收由连接至所述输入输出总线的其它机器测量模块生成的表明机器工作状态的离散输入值，且其中所述逻辑发生器电路可操作地基于所述离散输入值的一个或多个的改变确定所述机器工作状态已改变，且其中所述逻辑发生器电路可操作地基于所述离散输入值的一个或多个的改变调节报警级别或生成第二类型测量数据。
8.根据权利要求1所述的机械健康监控模块，其中所述传感器信号包括机器振动信号，且其中所述处理电路包括峰值检测通道，所述峰值检测通道可操作地接收所述机器振动信号，在预定的采样时间段期间对所述机器振动信号进行采样，在所述采样时间段期间检测所述机器振动信号的峰值振幅值，并产生所述峰值振幅值的时间序列，且其中所述第一类型测量数据或所述第二类型测量数据包括所述峰值振幅值的时间序列。
9.一种分布式控制系统，包括：
输入输出总线，根据分布式控制系统本地的数据通信协议数据经过所述输入输出总线传输；
与所述输入输出总线电通信的机械健康监控模块，包括：
信号调节电路，其具有用于从多个附接至机器的振动传感器接收多个模拟振动信号的接口，用于调节所述多个模拟振动信号的放大和滤波电路，以及用于将所述多个模拟振动信号转换成多个数字振动信号的模拟数字转换电路；
与所述信号调节电路电通信的处理电路，包括多个并行数字处理通道，每个通道用于对所述多个数字振动信号中对应的一个信号进行处理以生成每通道多个不同类型的标量振动值；以及
与所述处理电路电通信的逻辑发生器电路，可操作地根据所述分布式控制系统本地的输入/输出通信协议接收标量振动值并将所述标量振动值格式化；
与所述输入输出总线电通信的分布式控制系统控制器，包括具有一个或多个快速扫描寄存器的接口电路，所述接口电路可操作地以预定速率扫描所述输入输出总线以将所述标量振动值的一个或多个收入所述一个或多个快速扫描寄存器；以及
分布式控制系统操作员计算机，与所述分布式控制系统控制器电通信并包括用户界面装置，所述分布式控制系统操作员计算机可操作地执行用户界面软件，用于：
-生成用于在所述用户界面装置上显示的第一图形用户界面屏幕，所述第一图形用户界面屏幕包括测量类型选择区，但不包括传感器配置选项区，
-接收用户在所述测量类型选择区输入的测量类型选择，
-基于测量类型选择，生成用于在所述用户界面装置上显示的第二图形用户界面屏幕，所述第二图形用户界面屏幕包括一个或多个所述第一图形用户界面屏幕中不包括的传感器配置选项区，其中所述一个或多个传感器配置选项区对于将用于进行由所述测量类型选择所指示的测量的传感器类型而言是特定的，
-接收所述用户在所述一个或多个传感器配置选项区输入的一个或多个传感器配置选择，以及
-基于测量类型选择和一个或多个传感器配置选择生成用于配置所述机械健康监控模块的配置数据。
10.根据权利要求9所述的分布式控制系统，其中所述分布式控制系统操作员计算机可操作地执行用户界面软件以自动分配待读入所述一个或多个快速扫描寄存器的所述标量振动值中的一个或多个，其中此分配至少部分地基于测量类型选择进行。
11.一种分布式控制系统，包括：
输入输出总线，根据分布式控制系统本地的数据通信协议数据经过所述输入输出总线传输；
与所述输入输出总线电通信的机械健康监控模块，包括：
信号调节电路，具有用于从多个附接至机器的振动传感器接收多个模拟振动信号的接口，用于调节所述多个模拟振动信号的放大和滤波电路，以及用于将所述多个模拟振动信号转换成多个数字振动信号的模拟数字转换电路；
与所述信号调节电路电通信的处理电路，包括多个并行数字处理通道，每个通道用于对所述多个数字振动信号中对应的一个信号进行处理以生成每通道多个标量振动值；以及
与所述处理电路电通信的逻辑发生器电路，可操作地根据所述分布式控制系统本地的输入/输出通信协议接收所述多个标量振动值并将所述多个标量振动值格式化；分布式控制系统控制器，包括：
接口电路，以预定速率扫描所述输入输出总线以从所述输入输出总线接收所述标量振动值中的一个或多个；以及
逻辑电路，用于执行基于对所述标量振动值中的一个或多个的逻辑处理生成控制信号的控制逻辑例程；以及
分布式控制系统操作员计算机，其与所述分布式控制系统控制器电通信并包括用户界面装置，所述分布式控制系统操作员计算机可操作地执行用户界面软件，用于：
-生成用于在所述用户界面装置上显示的图形用户界面屏幕，所述图形用户界面屏幕包括首先被预设成根据行业标准规定的默认跳闸延时值的机械跳闸延时输入区，
-生成所述包括机械跳闸延时的一个或多个输入选项区的图形用户界面屏幕，其中用户可输入除默认跳闸延时值之外的跳闸延时值，
-接收用户在机械跳闸延时输入区输入的跳闸延时选择，以及
-至少部分地基于跳闸延时选择生成用于配置所述控制逻辑例程的配置数据。
12.根据权利要求11所述的分布式控制系统，其中所述分布式控制系统操作员计算机可操作地执行所述用户界面软件以：
-生成所述控制逻辑例程的配置数据以首先针对与多个传感器对应的多个传感器输入实施根据行业标准规定的机械保护旁路，
-生成图形用户界面屏幕以将一个或多个输入选项区包括在内，其中用户可选择针对传感器输入中的一个或多个禁用机械保护旁路，
-接收用户在所述一个或多个输入选项区内输入的机械保护旁路选择，以及
-至少部分地基于所述机械保护旁路选择生成所述配置控制逻辑例程的配置数据。
13.根据权利要求11所述的分布式控制系统，其中所述分布式控制系统操作员计算机可操作地执行所述用户界面软件以：
-生成所述控制逻辑例程的配置数据以首先针对与所述多个传感器对应的多个传感器输入实施根据行业标准规定的跳闸倍增，
-生成图形用户界面屏幕以将针对跳闸倍增的一个或多个输入值区包括在内，
-生成所述图形用户界面屏幕以将一个或多个输入选项区包括在内，其中用户可选择针对所述传感器输入中的一个或多个禁用所述跳闸倍增，
-接收所述用户在所述一个或多个输入选项区输入的跳闸倍增选择，以及
-至少部分地基于所述跳闸倍增选择生成所述配置控制逻辑例程的配置数据。
14.根据权利要求11所述的分布式控制系统，其中所述分布式控制系统操作员计算机可操作以执行所述用户界面软件以：
-生成所述控制逻辑例程的配置数据以首先实施表决逻辑，所述表决逻辑允许或禁止故障传感器促成根据行业标准规定的跳闸表决，
-生成图形用户界面屏幕以将一个或多个输入选项区包括在内，其中用户可选择允许或禁止故障传感器促成跳闸表决，
-接收所述用户在、一个或多个输入选项区内输入的故障传感器表决选项选择，以及
-至少部分地基于所述故障传感器表决选项选择生成所述配置控制逻辑例程的配置数据。
15.根据权利要求11所述的分布式控制系统，其中所述分布式控制系统操作员计算机可操作地执行所述用户界面软件以：
-生成所述控制逻辑例程的配置数据以首先实施根据行业标准规定的警报极限或报警极限，
-生成图形用户界面屏幕以将所述警报极限或报警极限的一个或多个输入值区包括在内，
-接收用户在所述一个或多个输入值区内输入的警报极限或报警极限选择，以及
-至少部分地基于所述警报极限或报警极限选择生成所述配置控制逻辑例程的配置数据。
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