DE102015009819A1

DE102015009819A1 - Verarbeitungsmaschinenschutz und Fehlervorhersagedaten nativ in einem verteilten Steuersystem

Info

Publication number: DE102015009819A1
Application number: DE102015009819.5A
Authority: DE
Inventors: John W. Willis; Deane M. Horn; Michael D. Medley; Richard W. Kephart
Original assignee: Computational Systems Inc
Current assignee: Computational Systems Inc
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2016-01-28
Also published as: CN105302093B; US9727050B2; CN105320839B; CN109976209A; CN105302093A; DE102015009681A1; US20160025599A1; DE102015009678A1; US20160026172A1; DE102015009681B4; US9846426B2; US9977422B2; CN109976209B; CN105302016B; CN105320839A; US20160026173A1; CN105302016A

Abstract

Ein Schwingungsdatenerfassungs- und Schwingungsdatenanalysemodul ist dafür betreibbar, direkt in eine E/A-Rückwand eines verteilten Steuersystems (DCS) eingefügt zu werden, so dass verarbeitete Schwingungsparameter direkt durch den DCS-E/A-Controller abgetastet werden können. Da die Prozessdaten und die Schwingungsdaten beide durch denselben DCS-E/A-Controller abgetastet werden, besteht keine Notwendigkeit, numerische Daten, binäre Relaisausgaben und analoge Gesamtschwingungspegelausgaben von einem getrennten Schwingungsüberwachungssystem in das DCS zu integrieren. Das System schafft: (1) direkte Erfassung von Schwingungsdaten durch das DCS für den Maschinenschutz und für die prädiktive Maschinenfunktionszustandsanalyse; (2) direkte Integration von Schwingungsinformationen in DCS-Alarmbildschirme; (3) Erfassung und Anzeige von Echtzeitschwingungsdaten auf Betreiberbildschirmen; (4) Verwendung von Schwingungsdaten zur Detektion anomaler Situationen, die Ausrüstungsfehlern zugeordnet sind; und (5) Verwenden von Schwingungsdaten direkt in Regelungsanwendungen.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der gleichzeitig anhängigen vorläufigen Patentanmeldung lfd. Nr. 62/029,606, eingereicht am 28. Juli 2014, mit dem Titel ”Methods and Apparatus for Integral Vibration Input and Output Card with Process Control System”.
GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Maschinensteuerung und der Maschinenbedingungsüberwachung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein System zum Integrieren eines Maschinenschwingungsdaten-Erfassungs- und Maschinenschwingungsdaten-Analysemoduls direkt in eine verteilte Steuersystemarchitektur als native Dateneingabevorrichtung.
HINTERGRUND
In früheren Maschinensteuerungs- und Maschinenschwingungsüberwachungssystemen mussten die numerischen Daten, die von einem Maschinenschwingungsüberwachungssystem erzeugt werden, unter Verwendung von Zwischenkommunikationsprotokollen mit Daten, die von einem Maschinensteuersystem erzeugt werden, integriert werden, um die Systeme wie etwa gemäß der OPC-Norm oder Modbus oder Profibus (Prozessfeldbus) miteinander zu überbrücken. Unter Verwendung des herkömmlichen Integrationsprozesses waren gemeinsame Kommunikationsprotokolle, eine Protokollkonfiguration, eine Datenvernetzung, eine Datensynchronisation und die manuelle Abbildung von Daten erforderlich. Um den ordnungsgemäßen Betrieb des kombinierten Systems zu überprüfen, waren Tests und Problembehandlung erforderlich.
In herkömmlichen Maschinenschutzanwendungen wurden binäre Relaisausgaben, die Maschinenalarmzustände oder Auslösezustände repräsentieren, und analoge Stromschleifenausgaben von 4 bis 20 mA von einem Schwingungsüberwachungsprogramm als fest verdrahtete Eingaben in ein verteiltes Steuersystem (DCS) für die Auslöseinitiierung und für Schwingungswerte verwendet.
In herkömmlichen Schwingungsüberwachungssystemen wurden die Auslösepegel und die Alarme getrennt von der Steuersystemkonfigurations- und Anzeigesoftware konfiguriert und durch die Schwingungsüberwachungssysteme angezeigt. Schwingungsdaten waren für das Steuersystem nur dann verfügbar, wenn die oben beschriebenen Systemintegrationsverfahren implementiert wurden, um die Schwingungsdaten von dem Schwingungsüberwachungssystem zu erfassen.
Somit wird ein System benötigt, um durch ein Maschinenschwingungsüberwachungssystem erzeugte numerische Daten für ein Maschinensteuersystem verfügbar zu machen, ohne Zwischenkommunikationsprotokolle verwenden zu müssen, um die Systeme zusammenzuschalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen ein Schwingungsdatenerfassungs- und Schwingungsdatenanalysemodul, das dafür betreibbar ist, direkt in eine DCS-E/A-Rückwand, insbesondere DCS-E/A-Rückwandplatine, eingefügt zu werden, so dass verarbeitete Schwingungsparameter direkt durch den DCS-E/A-Controller abgetastet werden können. Da die Prozessdaten und die Schwingungsdaten beide durch denselben DCS-E/A-Controller abgetastet werden, besteht keine Notwendigkeit, numerische Daten, binäre Relaisausgaben und analoge Gesamtschwingungspegelausgaben von einem getrennten Schwingungsüberwachungssystem in das Prozesssteuersystem zu integrieren. Weitere Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung enthalten: (1) direkte Erfassung von Schwingungsdaten durch das Steuersystem für den Maschinenschutz und für die prädiktive Maschinenfunktionszustandsanalyse; (2) direkte Integration von Schwingungsinformationen in DCS-Alarmbildschirme; (3) Erfassung und Anzeige von Echtzeitschwingungsdaten auf Betreiberbildschirmen; (4) die Fähigkeit, Schwingungsdaten zur Detektion anomaler Situationen, die Ausrüstungsfehlern zugeordnet sind, zu nutzen; und (5) die Fähigkeit, Schwingungsdaten direkt in Regelungsanwendungen zu nutzen.
Maschinenschutz/Maschinenvorhersage nativ im DCS
Einige Ausführungsformen der Erfindung schaffen ein Schwingungsdatenerfassungssystem, das Maschinenschutzdaten und Maschinenvorhersagedaten in einem Softwareformat, das z. B. für das DCS nativ ist, erhebt und verarbeitet. Wie der Begriff hier verwendet ist, ist Software ”nativ” für eine Plattform, falls sie dafür ausgelegt ist, auf dieser Plattform ausgeführt zu werden, wobei die Plattform ein Betriebssystem oder eine Vorrichtung wie etwa ein DCS-Controller sein kann. Das System enthält Schwingungsmodule, die aus Schwingungssignalformen in einem DCS-Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul skalare Gesamtschwingungsparameter berechnen. Diese skalaren Gesamtwerte werden vorzugsweise unter Verwendung paralleler digitaler Signalverarbeitung in einem Feldkarten-Field Progammable Gate Array (Feldkarten-FPGA) berechnet. Diese verarbeiteten skalaren Schwingungswerte werden über den herkömmlichen seriellen DCS-E/A-Bus an den DCS-E/A-Controller übertragen.
Die skalaren Schwingungswerte werden durch Logikroutinen (hier als ”Steuerblätter” [engl.: ”control sheets”] bezeichnet), die mit einer deterministischen Rate in dem DCS-Controller ausgeführt werden, abgetastet und verarbeitet. Die Ausgabe der Steuerblattlogik wird vorzugsweise an DCS-Ausgabemodule übertragen, um eine Maschinenabschaltung oder andere Steuerfunktionen auszuführen. In verschiedenen Ausführungsformen können Steuerblätter für maximalen Schutz (strengeren Maschinenschutz) oder für maximale Verfügbarkeit (gelockerten Schutz, um Belästigung oder Fehlauslöseereignisse zu minimieren) optimiert sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schaffen die Fähigkeit zum Übertragen von Zeitsignalformdaten von dem Schwingungsdatenerfassungssystem wie etwa über Ethernet und zum Betrachten der Signalformdaten in einem Maschinenfunktionszustandsmanagement-Analysecomputer. Einige Ausführungsformen schaffen außerdem die Bewegung von Blöcken von Zeitsignalformdaten auf dem DCS-E/A-Bus. In diesen Ausführungsformen können die Zeitsignalformblockdaten unter Verwendung des DCS-Remote-Desktop-Protocol (DCS-RDP) über die serielle DCS-E/A-Busrückwand(platine) zu dem DOS-Controller übertragen werden.
Trennung von Schutz und Vorhersage
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schaffen außerdem eine Trennung von Maschinenschutzfunktionen von Maschinenvorhersagefunktionen. Insbesondere stören die Vorhersagedatenerfassung und die Vorhersagedatenverarbeitung nicht die Schutzdatenerfassung und die Schutzdatenverarbeitung, da die zwei Datenströme in dem Signalverarbeitungs-FPGA über getrennte, unabhängige Datenwege verarbeitet werden. Außerdem implementieren bevorzugte Ausführungsformen für Schutzdaten und Vorhersagedaten getrennte physikalische Ports. Auf Vorhersagedaten wird durch Maschinenfunktionszustandsmanagement-Software (MHM-Software) über einen dedizierten Ethernet-Port, der durch die DOS-Konfigurationssoftware deaktiviert werden kann, zugegriffen. Schutzdaten werden über die DCS-E/A-Rückwand an den DOS-Controller übertragen oder werden über einen getrennten dedizierten Ethernet-Port verfügbar gemacht. Ferner können Vorhersagekomponenten nicht in Schutzkomponenten ”schreiben” und sind eine getrennte Konfigurations- und Datenablage vorgesehen.
In bevorzugten Ausführungsformen werden alle Schutz-Hardwarekonfigurationsfunktionen nur durch DCS-Software behandelt, obwohl MHM-Vorhersagesoftware auf die Schutzkonfigurationsdaten zugreifen kann, um eine Sensor- und Messungskonfiguration zu bestimmen.
Ferner kann die MHM-Vorhersagesoftware nur die Vorhersagezeitsignalform steuern. Obwohl die Vorhersagesoftware Schutzgesamtwerte lesen kann, kann die Vorhersagesoftware die Konfiguration der für die Schutzfunktionen verwendeten Gesamtpegelmessungen nicht beeinflussen. Außerdem werden die Vorhersageaufgaben in bevorzugten Ausführungsformen in dem Echtzeitbetriebssystem (RTOS) mit präemptivem Multitasking mit niedrigerer Priorität ausgeführt.
Vorzugsweise gibt es getrennte Software-Hosts, die die Schutz- und die Vorhersagedaten verbrauchen. Ein DCS-Software-Host verarbeitet die Schutzdaten, während ein MHM-Software-Host die Vorhersagedaten verarbeitet.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist auf ein Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (MHM-Modul) gerichtet, das auf der Grundlage von Schwingungssignalen Maschinenschwingungsdaten verarbeitet und die Maschinenschwingungsdaten für ein verteiltes Steuersystem (DCS) bereitstellt. Das Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul enthält eine Signalaufbereitungsschaltungsanordnung, eine Verarbeitungsschaltungsanordnung und eine Logikgeneratorschaltungsanordnung. Die Signalaufbereitungsschaltungsanordnung weist eine Schnittstelle zum Empfangen analoger Schwingungssignale von an einer Maschine angebrachten Sensoren, eine Verstärkungs- und Filterschaltungsanordnung zum Aufbereiten der analogen Schwingungssignale und eine Analog-Digital-Umsetzungsschaltungsanordnung zum Umsetzen der analogen Schwingungssignale in digitale Schwingungssignale auf. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung enthält mehrere parallele Digitalsignalverarbeitungskanäle. Jeder Kanal verarbeitet ein Entsprechendes der digitalen Schwingungssignale, um mehrere skalare Schwingungswerte pro Kanal und wenigstens eine Schwingungszeitsignalform pro Kanal zu erzeugen. Die Logikgeneratorschaltungsanordnung empfängt die mehreren skalaren Schwingungswerte und die Schwingungszeitsignalform und formatiert sie in Übereinstimmung mit einem Eingabe/Ausgabe-Datenprotokoll, das z. B. für das DCS nativ ist.
In einigen Ausführungsformen enthält die Logikgeneratorschaltungsanordnung eine Rückwand-Schnittstelle, insbesondere Rückwandplatinen-Schnittstelle, die dafür konfiguriert ist, mit einem Eingabe/Ausgabe-Bus des DCS elektrisch und mechanisch zu verbinden und von ihm zu trennen. In diesen Ausführungsformen werden die mehreren skalaren Schwingungswerte über die Rückwand-Schnittstelle und den Eingabe/Ausgabe-Bus des DCS unter Verwendung des Eingabe/Ausgabe-Datenprotokolls, das z. B. für das DCS nativ ist, übermittelt.
In einigen Ausführungsformen enthält die Logikgeneratorschaltungsanordnung eine erste Netzkommunikationsschnittstelle, die unabhängig von der Rückwand-Schnittstelle ist. Die erste Netzkommunikationsschnittstelle übermittelt die Schwingungszeitsignalform zur Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung über ein Kommunikationsnetz an einem Maschinenfunktionszustandsmanagement-Datenanalysecomputer.
In einigen Ausführungsformen enthält die Logikgeneratorschaltungsanordnung eine zweite Netzkommunikationsschnittstelle, die unabhängig von der Rückwand-Schnittstelle ist. Die zweite Netzkommunikationsschnittstelle ist dafür betreibbar, die Schwingungszeitsignalform über ein Kommunikationsnetz zur Maschinenschutzverarbeitung an einen DCS-Betreibercomputer zu übermitteln.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die erste und die zweite Netzkommunikationsschnittstelle Ethernet-Schnittstellen-Ports.
In einigen Ausführungsformen übermittelt die Logikgeneratorschaltungsanordnung die Schwingungszeitsignalform unter Verwendung eines Blockdatenübertragungsprotokolls in Datenblöcken über die Rückwand-Schnittstelle und den Eingabe/Ausgabe-Bus des DCS.
In einigen Ausführungsformen enthalten die mehreren parallelen Digitalverarbeitungskanäle der Verarbeitungsschaltungsanordnung einen ersten Kanal zum Verarbeiten einer Schwingungszeitsignalform zur Verwendung bei der Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung und einen zweiten Kanal zur Verarbeitung einer Schwingungszeitsignalform zur Verwendung bei der Maschinenschutzverarbeitung. Vorzugsweise ist die in dem zweiten Kanal ausgeführte Verarbeitung von der in dem ersten Kanal ausgeführten Verarbeitung unabhängig.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist auf ein DCS gerichtet, das einen Eingabe/Ausgabe-Bus, eines oder mehrere MHM-Module, eines oder mehrere DCS-Eingabemodule, einen DCS-Controller und eines oder mehrere Ausgabemodule des verteilten Steuersystems enthält. Der Eingabe/Ausgabe-Bus überträgt Daten in Übereinstimmung mit einem Datenkommunikationsprotokoll, das z. B. für das DCS nativ ist. Jedes MHM-Modul enthält eine Signalaufbereitungsschaltungsanordnung, eine Verarbeitungsschaltungsanordnung und eine Logikgeneratorschaltungsanordnung, wie sie oben beschrieben sind. Die DCS-Eingabemodule empfangen Sensorsignale von Prozesssensoren, die an einer Maschine angebracht sind, erzeugen auf der Grundlage der Sensorsignale skalare Prozesswerte und stellen die skalaren Prozesswerte für den Eingabe/Ausgabe-Bus bereit. Die Prozesssensoren enthalten andere Sensoren als Schwingungssensoren. Der DCS-Controller enthält eine Schnittstellenschaltungsanordnung und eine Logikschaltungsanordnung. Die Schnittstellenschaltungsanordnung tastet den Eingabe/Ausgabe-Bus mit einer vorgegebenen Rate ab, um die skalaren Schwingungswerte und die skalaren Prozesswerte zu empfangen. Die Logikschaltungsanordnung führt Steuerlogikroutinen aus, die auf der Grundlage der Logikverarbeitung eines oder mehrerer der skalaren Schwingungswerte, eines oder mehrerer der skalaren Prozesswerte oder einer Kombination skalarer Schwingungswerte und skalarer Prozesswerte Steuersignale erzeugen. Die DCS-Ausgabemodule empfangen die Steuersignale von dem Eingabe/Ausgabe-Bus und erzeugen auf der Grundlage der Steuersignale Maschinenbetriebsausgangssignale.
In einigen Ausführungsformen führt die Logikschaltungsanordnung des DCS-Controllers die Steuerlogikroutinen mit derselben vorgegebenen Rate aus und erzeugt sie die Steuersignale mit derselben vorgegebenen Rate, mit der die Schnittstellenschaltungsanordnung die skalaren Schwingungswerte und die skalaren Prozesswerte von dem Eingabe/Ausgabe-Bus abtastet.
In einigen Ausführungsformen erzeugen die DCS-Eingabemodule skalare Temperaturwerte, skalare Druckwerte, skalare Durchflusswerte und skalare Drehzahlwerte.
In einigen Ausführungsformen erzeugt jedes MHM-Modul skalare Schwingungswerte, die einen RMS-Wert, einen Spitzenwert, einen Spitze-Spitze-Wert, einen Gleichstromwert, einen absoluten ±Spitzenwert und einen PeakVue-Wert enthalten.
In einigen Ausführungsformen führt die Logikschaltungsanordnung des DCS-Controllers wahlweise Logiksteuerroutinen (hier auch als Steuerblätter bezeichnet) aus, die für unterschiedliche Zwecke optimiert sind. Einige Logiksteuerroutinen sind unter Verwendung erster Auslöseschwellenpegel für maximalen Maschinenschutz optimiert. Andere Logiksteuerroutinen, die für maximale Maschinenverfügbarkeit optimiert sind, verwenden zweite Auslöseschwellenpegel, die höher als die ersten Auslöseschwellenpegel sind.
In einem Aspekt schafft eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten von Daten in einem DCS. Die Daten beruhen auf Sensorsignalen, die durch Sensoren erzeugt werden, die an einer oder an mehreren Maschinen, die unter der Steuerung des DCS stehen, angebracht sind. Das Verfahren enthält:

(a) das Empfangen analoger Schwingungssignale von Sensoren, die an einer oder an mehreren Maschinen angebracht sind;
(b) das Umsetzen der analogen Schwingungssignale in digitale Schwingungssignale;
(c) das gleichzeitige Verarbeiten der digitalen Schwingungssignale in mehreren parallelen Digitalsignalverarbeitungskanälen, wobei das Verarbeiten enthält:
(c1) das Verarbeiten der digitalen Schwingungssignale in einem oder in mehreren der parallelen Digitalsignalverarbeitungskanäle, die nur für die Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung vorgesehen sind; und
(c2) das Verarbeiten digitaler Schwingungssignale in einem oder in mehreren der parallelen Digitalsignalverarbeitungskanäle, die nur für die Maschinenfunktionszustandsschutz-Verarbeitung vorgesehen sind, wobei die Digitalsignalverarbeitungskanäle, die für die Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung vorgesehen sind, von den Digitalsignalverarbeitungskanälen, die für die Maschinenfunktionszustandsschutz-Verarbeitung vorgesehen sind, getrennt und unabhängig sind;
(d) das Erzeugen von Maschinenbetriebsausgangssignalen auf der Grundlage der Maschinenfunktionszustandsschutz-Verarbeitung;
(e) das Erzeugen von Maschinenleistungsfähigkeitssignalen auf der Grundlage der Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung;
(f) das Verwenden der Maschinenbetriebsausgangssignale in dem DCS, um eine oder mehrere der Maschinen abzuschalten, um eine Beschädigung zu vermeiden; und
(g) das Verwenden der Maschinenleistungsfähigkeitssignale, um Trends der Maschinenleistungsfähigkeit zu beobachten oder um vorherzusagen, wie viel länger eine oder mehrere der Maschinen arbeiten können, bevor sie für Reparatur oder Ersatz außer Betrieb genommen werden.

In einigen Ausführungsformen werden die Verarbeitungsschritte (c1) und (c2) in getrennten und unabhängigen parallelen Kanälen eines Field Programmable Gate Array (FPGA) ausgeführt.
In einigen Ausführungsformen kann der Verarbeitungsschritt (c1) den Verarbeitungsschritt (c2) nicht beeinflussen.
In einigen Ausführungsformen werden Daten, die dem Verarbeitungsschritt (c1) zugeordnet sind, an ersten Speicherplätzen gespeichert und werden Daten, die dem Verarbeitungsschritt (c2) zugeordnet sind, an zweiten Speicherplätzen gespeichert, wobei die zweiten Speicherplätze durch den Verarbeitungsschritt (c1) gelesen werden können, durch den Verarbeitungsschritt (c1) aber nicht beschrieben werden können.
In einigen Ausführungsformen weist der Verarbeitungsschritt (c1) in dem Echtzeitbetriebssystem, das die Aufgabenpriorität in dem DCS steuert, eine niedrigere Priorität als der Verarbeitungsschritt (c2) auf.
In einigen Ausführungsformen enthält der Schritt (f) das Bereitstellen der Maschinenbetriebsausgangssignale für das verteilte Steuersystem über einen Eingabe/Ausgabe-Bus und enthält der Schritt (g) das Bereitstellen der Maschinenleistungsfähigkeitssignale für einen Maschinenfunktionszustandsmanagement-Datenanalysecomputer über eine Netzkommunikationsschnittstelle, die von dem Eingabe/Ausgabe-Bus unabhängig ist. In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren das Erzeugen von Steuersignalen in dem DCS, um die Netzkommunikationsschnittstelle wahlweise zu deaktivieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ausführungsformen der Erfindung gehen mit Bezug auf die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Figuren hervor, wobei Elemente nicht maßstabsgerecht sind, um die Einzelheiten deutlicher zu zeigen, wobei gleiche Bezugszeichen überall in den mehreren Ansichten gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
1 ein Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (MHM-Modul) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Digitalfeld-FPGA-Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
3 ein Beispiel einer Steuerlogik zeigt, die durch einen DCS-Controller gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen ein Schwingungsdatenerfassungs- und Schwingungsdatenanalysemodul, das über eine Schnittstelle direkt mit einer E/A-Rückwandplatine eines verteilten Steuersystems verbunden ist, um die direkte Erfassung von Schwingungsdaten durch das DCS für den Maschinenschutz und für die prädiktive Maschinenfunktionszustandsanalyse zu ermöglichen. Wie der Begriff hier verwendet ist, ist ein ”verteiltes Steuersystem (DCS)” ein Typ eines automatisierten Steuersystems, das in einem Prozess oder in einer Anlage verwendet wird, in dem bzw. in der Steuerelemente über eine gesamte Maschine oder über mehrere Maschinen verteilt sind, um Funktionsanweisungen für unterschiedliche Teile der Maschine(n) bereitzustellen. Wie der Begriff hier verwendet ist, bezieht sich ”Schutz” auf die Verwendung von Daten, die von einem oder von mehreren Sensoren (Schwingung, Temperatur, Druck usw.) erhoben werden, um eine Maschine in Situationen, in denen eine schwere und kostspielige Beschädigung auftreten kann, falls die Maschine weiterlaufen gelassen wird, abzuschalten. Andererseits bezieht sich ”Vorhersage” auf die Verwendung von Daten, die von einem oder von mehreren Schwingungssensoren, möglicherweise in Kombination mit Daten von anderen Typen von Sensoren, erhoben werden, um Trends in der Maschinenleistungsfähigkeit zu beobachten und um vorherzusagen, wie viel länger eine Maschine arbeiten kann, bevor sie zur Wartung oder zum Ersatz außer Betrieb genommen werden sollte.
1 zeigt ein Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (MHM) 10, das über eine Schnittstelle direkt mit einem DCS 11 verbunden ist. In der bevorzugten Ausführungsform enthält das Modul 10 eine Analogfeldsignalaufbereitungs- und Sensorleistungskarte 12, die beispielhaft eine Signalaufbereitungsschaltungsanordnung umfasst und die Sensorsignale empfängt und aufbereitet, eine Digitalfeld-FPGA-Signalverarbeitungskarte 14, die beispielhaft eine Verarbeitungsschaltungsanordnung umfasst und die Sensorsignale verarbeitet, und eine DCS-Logikgeneratorkarte (LGC) 16, die beispielhaft eine Logikgeneratorschaltungsanordnung umfasst und die eine Schnittstelle zu einem DCS-E/A-Bus 18 bereitstellt. Vorzugsweise kann die Feldkarte 12 über einen Feldsignal-Schnittstellenverbinder 22 eine Eingabe von bis zu acht Messsensoren 20 annehmen. In einer bevorzugten Ausführungsformen können zwei der Sensoreingangssignale als Drehzahlmesserkanäle konfiguriert sein.
Vorzugsweise ist zwischen der analogen Feldkarte 12 und der digitalen Feldkarte 14 eine galvanische elektrische Trennung vorgesehen. Diese elektrische Trennung verändert einen unbeabsichtigten Stromfluss wie etwa wegen Erdschleifen zwischen den Montageorten der Sensoren 20 und des DCS 11.
Die Sensorleistungsschaltung 24 und die Signalaufbereitungsschaltung 25 können einen weiten Bereich von Sensoren 20 einschließlich Piezobeschleunigungsmessern, Piezo-ICP für Geschwindigkeit, piezodynamisch für Druck, elektrodynamisch für Geschwindigkeit, Wirbelstrom für Weg, Wechselstrom für Schwingung und Gleichstrom für Weg unterstützen. Drehzahlsensoren, die unterstützt sind, enthalten Wirbelstromwegsensoren, passive elektromagnetische Sensoren, Hall-Effekt-Drehzahlmessersensoren, N-Impuls/Drehzahl-Wellencodierer und TTL-Impulssensoren. Solange sie innerhalb der folgenden beispielhaften Spannungseingabebereiche liegen: 0 bis +24 V, –24 V bis +24 V, –12 V bis +12 V und 0 bis –24 V, werden viele zusätzliche Sensortypen über den Frequenzbereich von Gleichstrom bis 20 kHz unterstützt. In der bevorzugten Ausführungsform können für einen konstanten Strom zwischen 0 und 20 mA, der ebenfalls als Hubstrom für einen elektrodynamischen (passiven) Geschwindigkeitssensor verwendet werden kann, bis zu acht Sensorleistungsschaltungen 24 einzeln programmiert werden. Konstantspannungsquellen (+24 V Gleichspannung oder –24 V Gleichspannung) können ebenfalls als Konstantstrom ausgewählt werden. Die oben aufgeführten Eingabespannungsbereiche sind ebenfalls in jedem Sensorkanal einzeln programmierbar. Dies ermöglicht jegliche Kombination von Sensorleistungs- und Eingabebereichskonfiguration zwischen den Kanälen und ermöglicht dadurch eine Kombination unterstützter Sensoren.
Mit einer Zeitgebung, die durch einen Taktgeber 26 bereitgestellt wird, setzt ein 8-Kanal-Analog-Digital-Umsetzer (8-Kanal-ADC) 28 die acht analogen Signale in einen einzelnen seriellen Datenstrom um, der acht gleichzeitig abgetastete verschachtelte Kanäle von Daten umfasst. In einigen bevorzugten Ausführungsformen setzen zwei Drehzahlmesser-Auslöseschaltungen 30 die Signale der zwei analogen Drehzahlmesser in Drehzahlmesserimpulse um.
Auf der Feldkarte 14 befindet sich ein 8-Kanal-Field-Programmable-Gate-Array (8-Kanal-FPGA) 36 zum Verarbeiten der Schwingungsdaten. Das FPGA 36 empfängt die digitalen 8-Kanal-Signalformdaten und die 2-Kanal-Drehzahlmesserdaten und verarbeitet die Ausgabedaten parallel, um skalare Gesamtschwingungsparameter und Gesamtschwingungssignalformen zu erzeugen. Die verarbeiteten Signalformen können tiefpassgefilterte, PeakVue^TM-, Ordnungsverfolgungs-, hochpassgefilterte (für Gleichstrom gesperrte) und wahlweise einzeln integrierte (Geschwindigkeits-), doppelt integrierte (Weg-) oder nicht integrierte (Beschleunigungs-)Signalformen enthalten. Außerdem enthalten Vorhersagedatenkanäle vorzugsweise einen Aufwärtsabtastdatenblock, um Daten mit höherer Auflösung für die zeitsynchrone Mittelung (TSA) oder für Ordnungsverfolgungsanwendungen bereitzustellen.
Die Schwingungskartenkonfigurationsschaltung 32 der analogen Feldkarte 12 enthält vorzugsweise einen Satz von Seriell-Parallel-Zwischenspeicherregistern, die einen seriellen Datenstrom von Konfigurationsdaten von der Anwendungsfirmware der LGC 16 annehmen. Diese werden in ein Parallel-Seriell-Schieberegister in der Schnittstelle der FPGA 36 geladen. Daraufhin behandelt die FPGA 36 unter Verwendung eines synchronen SPI-Formats die Verschiebung der seriellen Daten zu den Steuerzwischenspeichern.
Während des Betriebs der bevorzugten Ausführungsform erscheint das MHM-Modul 10 dem DCS-Controller 19 als eine analoge Mehrkanaleingabekarte mit skalaren Ausgaben ähnlich jenen eines Norm-DCS-Eingabemoduls 21, so dass gemessene Temperatur-, Druck- oder Ventilpositionswerte ausgegeben werden können. Wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, werden Schwingungssignale durch das Modul 10 in Skalarwerte umgesetzt und über die Rückwandplatine des DCS an den DCS-Controller 19 übergeben. Ein Beispiel eines DCS-Controllers 19 ist der Controller Ovation^TM, der von Emerson Process Management (einen Geschäftsbereich der Emerson Electronic Co.) hergestellt wird. In der typischen DCS-Architektur werden nur sechzehn Skalarwerte als Hochgeschwindigkeitsabtastwerte an den DCS-Controller 19 übergeben. In einer Hochgeschwindigkeitsabtastung kann der DCS-Controller 19 diese sechzehn Skalarwerte mit einer Rate von bis zu 10 ms lesen.
Die Zeitsignalformblockdaten (und einige skalare Werte) können unter Verwendung eines Blockdatenübertragungsverfahrens wie etwa des Remote Desktop Protocol (RDP) mit einer Rate, die niedriger als die Abtastrate der sechzehn Skalarwerte ist, über den DCS-E/A-Bus 18 an den DCS-Controller 19 übertragen werden.
Da die durch das Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul 10 erzeugten skalaren Werte durch den DCS-Controller 19 gelesen werden, werden sie durch Software, die in dem DCS-Controller 19 ausgeführt wird, in derselben Weise wie irgendwelche anderen DCS-Daten verarbeitet. Eine Hauptfunktion des DCS-Controllers 19 ist das Vergleichen der skalaren Werte mit Alarmgrenzwerten. Falls die Grenzwerte überschritten werden, werden Alarme erzeugt. Eine Logik innerhalb des DCS-Controllers 19 kann außerdem auf der Grundlage der Alarmbedingungen wie etwa des Schließens eines Relais bestimmen, ob irgendwelche Maßnahmen ergriffen werden sollten. Durch den DCS-Controller 19 werden außerdem in Software Operationen, die eine Alarmrelaislogik, Abstimmung und Zeitverzögerungen enthalten, ausgeführt. Vorzugsweise werden durch Normausgabemodule 23 des DCS DCS-Steuerausgaben wie etwa Relaisausgaben und proportionale 4-20-mA-Ausgaben angesteuert. Vorhersagemassendaten werden in dem LGC-Host-Prozessor 48 formatiert und werden zur ausführlichen Analyse und Anzeige über einen Ethernet-Port 52a an einen Maschinenfunktionszustandsmanagement-Analysecomputer (MHM-Analysecomputer) 54 übertragen. Schutzmassendaten werden ebenfalls in dem LGC-Host-Prozessor 48 formatiert, aber über einen getrennten Ethernet-Port 52b an den DCS-Betreibercomputer 60 übertragen.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält ein DCS-Betreibercomputer 60 eine Schnittstelle zum Anzeigen von Schwingungsparametern und anderen Maschinenbetriebsdaten (Drücken, Temperaturen, Geschwindigkeiten, Alarmbedingungen usw.), die von dem DCS-Controller 19 ausgegeben werden.
In 2 ist ein Funktionsblockschaltplan eines einzelnen Kanals der Digitalfeld-FPGA 36 gezeigt. Eine bevorzugte Ausführungsform enthält sieben zusätzliche Kanäle mit derselben Anordnung wie der des einen in 2 gezeigten Kanals. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, können die Digitalsignalformdaten des Kanals über eine Vielzahl digitaler Filter und Integrationsstufen geleitet werden, bevor sie in Schwingungsgesamtwerte umgesetzt werden oder als ”Masse”-Zeitsignalformen zur weiteren Analyse durch Software, die auf der LGC-Karte 16 ausgeführt wird, oder zur Übertragung an DCS-Software oder an MHM-Software gepackt werden.
Wie in 2 gezeigt ist, empfängt die ADC-Schnittstelle 70 über den Verbinder 34 (in 1 gezeigt) die acht Kanäle kontinuierlicher, gleichzeitig abgetasteter Daten von dem ADC 28 der analogen Feldkarte 12. Vorzugsweise sind die Daten im Format eines multiplexierten synchronen seriellen Datenstroms im Serial-Peripheral-Interface-Format (SPI-Format). Die ADC-Schnittstelle 70 demultiplexiert den Datenstrom in Datenströme acht getrennter Kanäle.
Obwohl zur Schwingungssignalverarbeitung alle acht Kanäle verwendet werden könnten, können in einer bevorzugten Ausführungsform zwei der acht Kanäle zur Drehzahlmesser-Messverarbeitung verwendet werden. Vorzugsweise enthält jeder Drehzahlmesser-Messkanal:

– eine monostabile Kippschaltung 110, die eine programmierbare Auslöser-”Austast”-Funktion ist, die für Drehzahlmesserimpulsfolgen mit übermäßigem Jitter oder Rauschen eine Rauschunterdrückung bereitstellt;
– eine Division durch N 111, die ein programmierbarer Impulsteiler ist, der die Impulsraten der durch Zahnräder oder Coderäder erzeugten Drehzahlmessersignale dividiert;
– einen Rückwärtsdrehungsdetektor 112, der durch Vergleich der Phase zweier Drehzahlmesserimpulssignale die Richtung der Wellendrehung bestimmt;
– einen Drehzahlindikator 115, der die Drehzahl des Drehzahlmesserimpulsstroms als einen skalaren Gesamtwert berechnet;
– einen Drehzahl-null-Detektor 113, der eine Angabe einer ”Drehzahl null” bereitstellt, wenn der Drehzahlmesser für ein programmierbares Intervall wie etwa 0,1 s, 1 s, 10 s oder 100 s inaktiv gewesen ist; und
– einen Überdrehzahldetektor 114, der eine ”Überdrehzahl”-Angabe bereitstellt, wenn der Drehzahlmesser einen festen Schwellenwert von 2 kHz oder 62 kHz übersteigt. In alternativen Ausführungsformen kann dieser Schwellenwert programmierbar sein.

Weiter anhand von 2 enthält jeder der acht unabhängigen parallelen Kanäle der Signalverarbeitung in dem FPGA 36 vorzugsweise die folgenden Komponenten:

– ein Hochpassfilter 72 für die Gleichstromsperrung, das vorzugsweise auf 0,01 Hz, 0,1 Hz, 1 Hz oder 10 Hz eingestellt ist und das für die im Folgenden beschriebenen Integratoren auf der Grundlage der Position eines Schalters 74 ausgewählt oder überbrückt werden kann;
– zwei Stufen der Integration der digitalen Signalform einschließlich eines ersten Integrators 76 und eines zweiten Integrators 78, die für die Dateneinheit eine Umsetzung von Beschleunigung in Geschwindigkeit, von Beschleunigung in Weg oder von Geschwindigkeit in Weg bereitstellen;
– ein digitales Trackingbandpassfilter 82 mit einer Bandpassmittenfrequenz, die durch die Drehzahlmesserfrequenz oder durch Mehrfache der Drehzahlmesserfrequenz eingestellt wird und die als Eingabe auf der Grundlage der Position eines Schalters 80 entweder den ”normalen” Datenstrom (keine Integration), den Einmalintegrations-Datenstrom oder den Doppelintegrations-Datenstrom, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist, empfängt; und
– Blöcke 88–100 zur Berechnung des skalaren Gesamtmesswerts, die, wie im Folgenden beschrieben ist, skalare Gesamtwerte mehrerer unterschiedlicher Signalformen bestimmen.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Zweck des digitalen Trackingbandpassfilters 82, einen schmalen Bandpassfrequenzgang (mit hohem Q) mit einer Mittenfrequenz, die durch die Drehzahl einer ausgewählten Drehzahlmessereingabe bestimmt ist, bereitzustellen. Die Mittenfrequenz kann ebenfalls ein ausgewähltes ganzzahliges Vielfaches der Drehzahlmesserdrehzahl sein. Wenn eine Signalform durch dieses Filter geht, verbleiben nur Schwingungskomponenten, die Mehrfachen der Drehzahl der überwachten Maschine entsprechen. Wenn durch den entsprechenden FPGA-Berechnungsblock (88, 90 oder 92) der RMS, der Spitzenwert oder der Spitze-Spitze-Skalarwert der resultierenden Signalform berechnet wird, ist das Ergebnis dasselbe wie ein Wert, der durch eine in der Anwendungsfirmware der LGC 16 ausgeführte ”nX-Spitzenwert”-Berechnung zurückgegeben würde. Da diese skalare Berechnung als ein kontinuierlicher Prozess in dem FPGA 36 anstatt als eine in Firmware erfolgte Berechnung ausgeführt wird, ist sie im Vergleich zu einem entsprechenden mit einer niedrigeren Rate in Firmware erzeugten Wert für einen ”Abschaltparameter” besser geeignet. Eine Anwendung dieser Messung gibt es bei der Überwachung von aeroderivativen Gasturbinen, die allgemein eine Trackingfilterfunktion für die Überwachung erfordern.
Für mehrere der skalaren Gesamtwerte kann der einzelne Datentyp, aus dem die Werte berechnet werden, auf der Grundlage der Positionen der Schalter 84a–84d aus dem normalen Datenstrom, aus dem einmal integrierten Datenstrom, aus dem doppelt integrierten Datenstrom, aus dem hochpassgefilterten (für Gleichstrom gesperrten) Datenstrom oder aus dem Trackingfilterdatenstrom ausgewählt werden. Außerdem weisen mehrere der skalaren Gesamtkanäle einzeln programmierbare Tiefpassfilter 88a–88d auf. In der bevorzugten Ausführungsform werden diese skalaren Gesamtwerte unabhängig von den Zeitsignalformen, die für die Vorhersage oder für den Schutz verwendet werden, und parallel zu ihnen erzeugt. Die Blöcke für die Berechnung des skalaren Gesamtmesswerts enthalten:

– einen RMS-Block 88, der den RMS-Block der Zeitsignalform bestimmt, wobei die RMS-Integrationszeit vorzugsweise auf 0,01 s, 0,1 s, 1 s oder 10 s eingestellt werden kann;
– einen Spitzenwertblock 90, der den Größeren des positiven oder des negativen Signalformspitzenwerts relativ zu dem Durchschnittswert der Signalform bestimmt, der vorzugsweise über eine Zeitdauer, die entweder durch die Drehzahlmesserzeitdauer oder durch eine programmierbare Zeitverzögerung bestimmt ist, gemessen wird;
– einen Spitze-Spitze-Block 92, der den Signalform-Spitze-Spitze-Wert über eine Zeitdauer, die entweder durch die Drehzahlmesserzeitdauer oder durch eine programmierbare Zeitverzögerung bestimmt ist, bestimmt;
– einen Block 94 für den absoluten ±-Spitzenwert, der den Wert der weitesten positiven Signalformauswanderung und den Wert der weitesten negativen Signalformauswanderung relativ zu dem Nullpunkt des Messbereichs bestimmt, der vorzugsweise über eine Zeitdauer gemessen wird, die entweder durch die Drehzahlmesserzeitdauer oder durch eine programmierbare Zeitverzögerung bestimmt ist;
– einen Gleichstromblock 96, der den Gleichstromwert der Zeitsignalform bestimmt, der einen Messbereich aufweist, der vorzugsweise auf 0,01 Hz, 0,1 Hz, 1 Hz oder 10 Hz eingestellt ist; und
– einen PeakVue^TM-Block 100, der den skalaren Wert bestimmt, der den Spitzenwert der gefilterten und vollwellengleichgerichteten PeakVue^TM-Signalform repräsentiert, wie sie in dem US-Patent Nr. 5,895,857 an Robinson u. a. (hier durch Literaturhinweis eingefügt) beschrieben ist, die vorzugsweise über eine Zeitdauer gemessen wird, die entweder durch die Drehzahlmesserzeitdauer oder durch eine programmierbare Zeitverzögerung bestimmt ist. Die Vollwellengleichrichtungs- und die Spitzenwerthaltefunktion werden in dem Funktionsblock 98 implementiert. Die PeakVue^TM-Signalform von dem Block 98 wird außerdem als eine wählbare Eingabe in die Vorhersagezeitsignalform- und Schutzzeitsignalformverarbeitung, die hier beschrieben ist, verfügbar gemacht.

Der Vorhersagezeitsignalform-Verarbeitungsabschnitt 116 des FPGA 36 stellt eine kontinuierliche gefilterte Zeitsignalform zur Verwendung durch irgendwelche Vorhersageüberwachungsfunktionen bereit. Es ist ein unabhängiges Tiefpassfilter/ein unabhängiger Dezimierer 104a vorgesehen, so dass die Vorhersagezeitsignalform eine andere Bandbreite als die Schutzzeitsignalform aufweisen kann. Ein Signalform-Aufwärtsabtastungsblock 106 stellt eine Datenratenmultiplikation für Analysetypen wie etwa zeitsynchrone Mittelung (TSA) und Ordnungsverfolgung bereit. Die Eingabe in den Vorhersagezeitsignalform-Verarbeitungsabschnitt 116 kann auf der Grundlage der Positionen des Schalters 102a aus dem normalen Datenstrom, aus dem einmal integrierten Datenstrom, aus dem doppelt integrierten Datenstrom, aus dem hochpassgefilterten (für Gleichstrom gesperrten) Datenstrom oder aus dem PeakVue^TM-Datenstrom ausgewählt werden.
Der Schutzzeitsignalformabschnitt 118 des FPGA 36 stellt eine kontinuierliche gefilterte Zeitsignalform zur Verwendung durch Schutzüberwachungsfunktionen bereit. Es ist ein unabhängiges Tiefpassfilter/ein unabhängiger Dezimierer 104b vorgesehen, so dass die Schutzzeitsignalform eine andere Bandbreite als die Vorhersagezeitformsignalform aufweisen kann. Die Eingabe in den Schutzzeitsignalform-Verarbeitungsabschnitt 118 kann auf der Grundlage der Positionen des Schalters 102b aus dem normalen Datenstrom, aus dem einmal integrierten Datenstrom, aus dem doppelt integrierten Datenstrom, aus dem hochpassgefilterten (für Gleichstrom gesperrten) Datenstrom oder aus dem PeakVue^TM-Datenstrom ausgewählt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen stellen eine Übergangsdatenerhebung bereit, wobei kontinuierliche, parallele Zeitsignalformen von jedem Signalverarbeitungskanal zur Übertragung an eine externe Datenablage erhoben werden können. Vorzugsweise weisen Übergangssignalformen eine feste Bandbreite auf und werden sie von dem Schutzzeitsignalform-Datenstrom erhoben.
Wie in 1 gezeigt ist, gehen die skalaren Gesamtwerte sowie die digital gefilterten Zeitsignalformen über die LGC-Schnittstelle 38 zu der LGC-Logikplatine 16 zur Weiterverarbeitung und zum Transport an den DCS-Controller 19 über die DCS-E/A-Rückwandplatine 18 oder über den Ethernet-Port 52 zu externen Softwareanwendungen, die auf dem MHM-Datenanalysecomputer 54 ausgeführt werden.
3 zeigt ein Beispiel einer Steuerlogikroutine (hier auch als ein Steuerblatt bezeichnet), die durch den DCS-Controller 19 ausgeführt wird. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein Steuerblatt zur Ausführung mit einer vorgegebenen Rate wie etwa 1 s, 0,1 s oder 0,01 s durch die in dem Controller 19 ausgeführte DCS-Software geplant. Während das Steuerblatt, das den Schwingungsprozess steuert, ausgeführt wird, werden skalare Gesamtschwingungswerte von dem DCS-E/A-Bus 18 abgetastet und werden mit der Ausführungsrate des Steuerblatts Ausgabewerte erzeugt.
Vorzugsweise enthalten die durch die Steuerblätter ausgeführten Logikfunktionen:

– eine Abstimmlogik wie etwa eine Logik, um zu bestimmen, dass eine Warnbedingung vorliegt, falls 2 von 2 Skalarwerten über dem Schwellenwert liegen oder falls 2 von 3 über dem Schwellenwert liegen.
– Kombinieren von Schwingungsdaten mit anderen DCS-Prozessparameterdaten (wie etwa Druck und Temperatur).
– Auslösevervielfachung, was eine temporäre Bedingung ist, die durch den aktuellen Maschinenzustand oder durch eine manuelle Eingabe, die einen Alarmpegel erhöht, bestimmt wird. Die Auslösevervielfachung wird üblicherweise während des Starts einer rotierenden Maschine wie etwa einer Turbine verwendet. Während die Turbine beschleunigt, geht sie normalerweise durch wenigstens eine mechanische Resonanzfrequenz. Da während dieser Resonanz höhere Schwingungsbedingungen als normal gemessen werden, wird die ”Auslösevervielfachung” verwendet, um einige oder alle der Alarmpegel vorübergehend anzuheben, um eine Fehlalarmauslösung zu vermeiden. Die Auslösevervielfachungseingabe kann mit einer Betreibereingabe manuell eingestellt werden oder kann auf der Grundlage der Drehzahl oder einer anderen ”Maschinenzustands”-Eingabe automatisch eingestellt werden.
– Auslöseüberbrückung, was üblicherweise eine manuelle Eingabe zum Unterdrücken des Betriebs der Ausgabelogik zum Sperren von Auslösefunktionen wie etwa während des Maschinenstarts ist. Die Auslöseüberbrückung ist eine Funktion, die entweder alle erzeugten Schwingungsalarme oder irgendwelche Ausgaben, die als eine Auslösesteuerung verwendet würden, oder beide unterdrückt. Die Auslöseüberbrückungseingabe kann mit einer Betreibereingabe manuell eingestellt werden oder kann auf der Grundlage einer ”Maschinenzustands”-Eingabe automatisch eingestellt werden.

Zeitverzögerung, die eine Verzögerung ist, die normalerweise programmiert wird, um sicherzustellen, dass Auslösebedingungen für eine spezifizierte Zeit überdauert haben, bevor zugelassen wird, dass eine Maschinenauslösung auftritt. Wie von API670 empfohlen wird, sind die Auslösezeitverzögerungen normalerweise auf zwischen 1 und 3 Sekunden eingestellt. Der Zweck dieser Verzögerung ist es, durch mechanische oder elektrische Spitzen oder Störungen verursachte Fehlalarme zurückzuweisen.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen für diese Erfindung ist zur Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken. Im Licht der obigen Lehren sind offensichtliche Änderungen oder Veränderungen möglich. Die Ausführungsformen sind im Bemühen gewählt und beschrieben worden, die besten Veranschaulichungen der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu bieten und dadurch zu ermöglichen, dass der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Änderungen, wie sie für die bestimmte betrachtete Verwendung geeignet sind, nutzt. Alle solchen Änderungen und Veränderungen liegen im Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist, wenn sie in Übereinstimmung mit der Breite interpretiert werden, zu der sie gesetzlich, recht und billig berechtigt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5895857 [0053]

Claims

Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10), das auf der Grundlage von Schwingungssignalen Maschinenschwingungsdaten verarbeitet und die Maschinenschwingungsdaten für ein verteiltes Steuersystem (11) bereitstellt, wobei das Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) umfasst: eine Signalaufbereitungsschaltungsanordnung mit einer Schnittstelle zum Empfangen mehrerer analoger Schwingungssignale von mehreren an einer Maschine angebrachten Sensoren (20), einer Verstärkungs- und Filterschaltungsanordnung zum Aufbereiten der mehreren analogen Schwingungssignale und einer Analog-Digital-Umsetzungsschaltungsanordnung zum Umsetzen der mehreren analogen Schwingungssignale in mehrere digitale Schwingungssignale; eine Verarbeitungsschaltungsanordnung in elektrischer Verbindung mit der Signalaufbereitungsschaltungsanordnung, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung mehrere parallele Digitalsignalverarbeitungskanäle umfasst, wobei jeder Kanal zur Verarbeitung eines Entsprechenden der mehreren digitalen Schwingungssignale zum Erzeugen mehrerer skalarer Schwingungswerte pro Kanal und wenigstens einer Schwingungszeitsignalform pro Kanal dient; und eine Logikgeneratorschaltungsanordnung in elektrischer Verbindung mit der Verarbeitungsschaltungsanordnung, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung zum Empfangen der mehreren skalaren Schwingungswerte und der wenigstens einen Schwingungszeitsignalform betreibbar ist und zum Formatieren wenigstens der mehreren skalaren Schwingungswerte in Übereinstimmung mit einem Eingabe/Ausgabe-Datenprotokoll, das für das verteilte Steuersystem nativ ist, betreibbar ist.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung eine Rückwandschnittstelle (44) enthält, die dafür konfiguriert ist, mit einem Eingabe/Ausgabe-Bus (18) des verteilten Steuersystems (11) elektrisch und mechanisch zu verbinden und von ihm zu trennen, und wobei die mehreren skalaren Schwingungswerte unter Verwendung des Eingabe/Ausgabe-Datenprotokolls, das für das verteilte Steuersystem (11) nativ ist, über die Rückwandschnittstelle und über den Eingabe/Ausgabe-Bus (18) des verteilten Steuersystems (11) übermittelt werden.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung wenigstens eine Netzkommunikationsschnittstelle enthält, die dafür betreibbar ist, die wenigstens eine Schwingungszeitsignalform über ein Kommunikationsnetz an einen Maschinenfunktionszustandsmanagement-Datenanalysecomputer (54) für die Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung zu übermitteln, wobei die wenigstens eine Netzkommunikationsschnittstelle von der Rückwandschnittstelle (44) unabhängig ist.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Netzkommunikationsschnittstelle einen Ethernet-Schnittstellen-Port (52b) umfasst.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung wenigstens eine Netzkommunikationsschnittstelle enthält, die dafür betreibbar ist, die wenigstens eine Schwingungszeitsignalform über ein Kommunikationsnetz an einen Betreibercomputer (60) des verteilten Steuersystems für die Maschinenschutzverarbeitung zu übermitteln, wobei die wenigstens eine Netzkommunikationsschnittstelle von der Rückwandschnittstelle (44) unabhängig ist.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine Netzkommunikationsschnittstelle einen Ethernet-Schnittstellen-Port (52a) umfasst.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung enthält: eine erste Netzkommunikationsschnittstelle, die dafür betreibbar ist, die wenigstens eine Schwingungszeitsignalform über ein erstes Kommunikationsnetz an einen Maschinenfunktionszustandsmanagement-Datenanalysecomputer (54) für die Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung zu übermitteln; und eine zweite Netzkommunikationsschnittstelle, die dafür betreibbar ist, die wenigstens eine Schwingungszeitsignalform über ein zweites Kommunikationsnetz an einen Betreibercomputer (60) des verteilten Steuersystems für die Maschinenschutzverarbeitung zu übermitteln, wobei die erste und die zweite Netzkommunikationsschnittstelle von der Rückwandschnittstelle (44) unabhängig sind.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite Netzkommunikationsschnittstelle Ethernet-Schnittstellen-Ports (52a, 52b) umfassen.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 2, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung dafür betreibbar ist, die wenigstens eine Schwingungszeitsignalform unter Verwendung eines Blockdatenübertragungsprotokolls in Datenblöcken über die Rückwandschnittstelle (44) und über den Eingabe/Ausgabe-Bus des verteilten Steuersystems (11) zu übermitteln.
Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die mehreren parallelen digitalen Verarbeitungskanäle der Verarbeitungsschaltungsanordnung enthalten: einen ersten Kanal zur Verarbeitung einer Schwingungszeitsignalform zur Verwendung bei der Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung; und einen zweiten Kanal zur Verarbeitung einer Schwingungszeitsignalform zur Verwendung bei der Maschinenschutzverarbeitung, wobei die in dem zweiten Kanal ausgeführte Verarbeitung von der in dem ersten Kanal ausgeführten Verarbeitung unabhängig ist.
Verteiltes Steuersystem (11), das umfasst: einen Eingabe/Ausgabe-Bus (18), über den Daten in Übereinstimmung mit einem Datenkommunikationsprotokoll, das für das verteilte Steuersystem nativ ist, übertragen werden; eines oder mehrere Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodule (10) in elektrischer Verbindung mit dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18), wobei jedes der einen oder mehreren Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodule (10) umfasst: eine Signalaufbereitungsschaltungsanordnung mit einer Schnittstelle zum Empfangen mehrerer analoger Schwingungssignale von mehreren an einer Maschine angebrachten Sensoren (20), einer Verstärkungs- und Filterschaltungsanordnung zum Aufbereiten der mehreren analogen Schwingungssignale und einer Analog-Digital-Umsetzungsschaltungsanordnung zum Umsetzen der mehreren analogen Schwingungssignale in mehrere digitale Schwingungssignale; eine Verarbeitungsschaltungsanordnung in elektrischer Verbindung mit der Signalaufbereitungsschaltungsanordnung, wobei die Verarbeitungsschaltungsanordnung mehrere parallele Digitalsignalverarbeitungskanäle umfasst, wobei jeder Kanal zur Verarbeitung eines Entsprechenden der mehreren digitalen Schwingungssignale zum Erzeugen mehrerer skalarer Schwingungswerte pro Kanal und wenigstens einer Schwingungszeitsignalform pro Kanal dient; und eine Logikgeneratorschaltungsanordnung in elektrischer Verbindung mit der Verarbeitungsschaltungsanordnung, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung dafür betreibbar ist, die mehreren skalaren Schwingungswerte und die wenigstens eine Schwingungszeitsignalform zu empfangen, und dafür betreibbar ist, wenigstens die mehreren skalaren Schwingungswerte in Übereinstimmung mit einem Eingabe/Ausgabe-Kommunikationsprotokoll, das für das verteilte Steuersystem (11) nativ ist, zu formatieren, wobei die Logikgeneratorschaltungsanordnung eine Rückwandschnittstelle (44) enthält, die dafür konfiguriert ist, mit dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18) elektrisch und mechanisch zu verbinden und von ihm zu trennen, wobei die mehreren skalaren Schwingungswerte über die Rückwandschnittstelle (44) und über den Eingabe/Ausgabe-Bus (18) in Übereinstimmung mit einem Eingabe/Ausgabe-Kommunikationsprotokoll, das für das verteilte Steuersystem (11) nativ ist, übermittelt werden; eines oder mehrere Eingabemodule (21) des verteilten Steuersystems in elektrischer Verbindung mit dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18), wobei jedes der einen oder mehreren Eingabemodule des verteilten Steuersystems dafür betreibbar ist, Sensorsignale von an einer Maschine angebrachten Prozesssensoren zu empfangen, auf der Grundlage der Sensorsignale von den Prozesssensoren skalare Prozesswerte zu erzeugen und die skalaren Prozesswerte für den Eingabe/Ausgabe-Bus (18) bereitzustellen, wobei die Prozesssensoren andere Sensoren als Schwingungssensoren enthalten; einen Controller (19) des verteilten Steuersystems, wobei der Controller umfasst: eine Schnittstellenschaltungsanordnung, die den Eingabe/Ausgabe-Bus (18) mit einer vorgegebenen Rate abtastet, um die skalaren Schwingungswerte und die skalaren Prozesswerte davon zu empfangen; und eine Logikschaltungsanordnung zum Ausführen von Steuerlogikroutinen, die auf der Grundlage einer Logikverarbeitung eines oder mehrerer der skalaren Schwingungswerte, eines oder mehrerer der skalaren Prozesswerte oder einer Kombination eines oder mehrerer der skalaren Schwingungswerte und eines oder mehrerer der skalaren Schwingungswerte Steuersignale erzeugen; und ein oder mehrere Ausgabemodule (23) des verteilten Steuersystems in elektrischer Verbindung mit dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18), wobei jedes des einen oder der mehreren Ausgabemodule des verteilten Steuersystems dafür betreibbar ist, die Steuersignale von dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18) zu empfangen und auf der Grundlage der Steuersignale Maschinenbetriebsausgangssignale zu erzeugen.
Verteiltes Steuersystem (11) nach Anspruch 11, wobei die Logikschaltungsanordnung des Controllers (19) des verteilten Steuersystems die Steuerlogikroutinen ausführt und die Steuersignale mit derselben vorgegebenen Rate erzeugt, mit der die Schnittstellenschaltungsanordnung die skalaren Schwingungswerte und die skalaren Prozesswerte von dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18) abtastet.
Verteiltes Steuersystem (11) nach Anspruch 11, wobei das eine oder die mehreren Eingabemodule (21) des verteilten Steuersystems die skalaren Prozesswerte erzeugen, die skalare Temperaturwerte und/oder skalare Druckwerte und/oder skalare Durchflusswerte und/oder skalare Drehzahlwerte enthalten.
Verteiltes Steuersystem (11) nach Anspruch 11, wobei das eine oder die mehreren Maschinenfunktionszustands-Überwachungsmodule (10) die skalaren Schwingungswerte erzeugen, die einen RMS-Wert und/oder einen Spitzenwert und/oder einen Spitze-Spitze-Wert und/oder einen Gleichstromwert und/oder einen absoluten ±-Spitzenwert und/oder einen PeakVue-Wert enthalten.
Verteiltes Steuersystem (11) nach Anspruch 11, wobei die Logikschaltungsanordnung wahlweise Folgendes ausführt: erste Steuerlogikroutinen, die für den maximalen Maschinenschutz optimiert sind, die erste Auslöseschwellenpegel verwenden; oder zweite Logiksteuerroutinen, die für die maximale Maschinenverfügbarkeit optimiert sind, die zweite Auslöseschwellenpegel verwenden, die höher als die ersten Auslöseschwellenpegel sind.
Verfahren zum Verarbeiten von Daten in einem verteilten Steuersystem (11), wobei die Daten auf Sensorsignalen beruhen, die durch Sensoren (20) erzeugt werden, die an einer oder an mehreren Maschinen angebracht sind, die unter der Steuerung des verteilten Steuersystems (11) stehen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (h) das Empfangen mehrerer analoger Schwingungssignale von mehreren Sensoren (20), die an der einen oder an den mehreren Maschinen angebracht sind; (i) das Umsetzen der mehreren analogen Schwingungssignale in mehrere digitale Schwingungssignale; (j) das gleichzeitige Verarbeiten der mehreren digitalen Schwingungssignale in mehreren parallelen Digitalsignalverarbeitungskanälen, wobei das Verarbeiten umfasst: (c1) das Verarbeiten eines oder mehrerer der mehreren digitalen Schwingungssignale in einem oder in mehreren der mehreren parallelen Digitalsignalverarbeitungskanäle, die nur für die Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung vorgesehen sind; und (c2) das Verarbeiten eines oder mehrerer der mehreren digitalen Schwingungssignale in einem oder in mehreren der mehreren parallelen Digitalsignalverarbeitungskanäle, die nur für die Maschinenfunktionszustandsschutz-Verarbeitung vorgesehen sind, wobei der eine oder die mehreren parallelen Digitalsignalverarbeitungskanäle, die für die Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung vorgesehen sind, von dem einen oder von den mehreren parallelen Digitalsignalverarbeitungskanälen, die für die Maschinenfunktionszustandsschutz-Verarbeitung vorgesehen sind, getrennt und von ihnen unabhängig sind; (k) das Erzeugen von Maschinenbetriebsausgangssignalen auf der Grundlage der Maschinenfunktionszustandsschutz-Verarbeitung; (l) das Erzeugen von Maschinenleistungsfähigkeitssignalen auf der Grundlage der Maschinenfunktionszustandsvorhersage-Verarbeitung; (m) das Verwenden der Maschinenbetriebsausgangssignale in dem verteilten Steuersystem (11), um eine oder mehrere der Maschinen abzuschalten, um eine Beschädigung zu vermeiden; und (n) das Verwenden der Maschinenleistungsfähigkeitssignale zum Überwachen von Trends der Maschinenleistungsfähigkeit oder zum Vorhersagen, wie viel länger eine oder mehrere der Maschinen arbeiten können, bevor sie zur Wartung oder zum Ersatz außer Betrieb genommen werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verarbeitungsschritte (c1) und (c2) in getrennten und unabhängigen parallelen Kanälen eines Field Programmable Gate Array (FPGA) (36) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Verarbeitungsschritt (c1) den Verarbeitungsschritt (c2) nicht beeinflussen kann.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die dem Verarbeitungsschritt (c1) zugeordneten Daten an ersten Speicherplätzen gespeichert werden und wobei die dem Verarbeitungsschritt (c2) zugeordneten Daten an zweiten Speicherplätzen gespeichert werden, und wobei die zweiten Speicherplätze während des Verarbeitungsschritts (c1) gelesen werden können, während des Verarbeitungsschritts (c1) aber nicht beschrieben werden können.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Verarbeitungsschritt (c1) in einem Echtzeitbetriebssystem, das die Aufgabenpriorität in dem verteilten Steuersystem (11) steuert, eine niedrigere Priorität als der Verarbeitungsschritt (c2) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt (f) ferner das Bereitstellen der Maschinenausgangssignale für das verteilte Steuersystem (11) über einen Eingabe/Ausgabe-Bus (18) umfasst, und der Schritt (g) ferner das Bereitstellen der Maschinenleistungsfähigkeitssignale für einen Maschinenfunktionszustandsmanagement-Datenanalysecomputer (54) über eine Netzkommunikationsschnittstelle, die von dem Eingabe/Ausgabe-Bus (18) unabhängig ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das Erzeugen von Steuersignalen in dem verteilten Steuersystem (11), um die Netzkommunikationsschnittstelle wahlweise zu deaktivieren, umfasst.