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GEBIET
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Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenfunktionszustands, des Maschinenschutzes und der Maschinenvorhersage. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die Ordnungsanalyse zum Detektieren der Maschinenbedingung.
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EINLEITUNG
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Die Ordnungsanalyse wird verwendet, um Informationen wie etwa Schall- und Schwingungssignale zu analysieren, die von einer Ausrüstung, die eine periodische Bewegung aufweist, erhoben werden. Diese enthält eine rotierende Maschine wie etwa Turbinen, Motoren, Pumpen, Kompressoren usw. Sie enthält ebenfalls Maschinen, die sich wiederholt in einer anderen periodisch wiederholenden Weise bewegen, die aber nicht rotierend ist, wie etwa eine Kästenfaltmaschine. Alle diese sind hier allgemein als Maschinen bezeichnet.
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Eine „Ordnung“, wie sie in dem Begriff „Ordnungsanalyse“ verwendet ist, ist die Frequenz, bei der die Maschine ihre periodisch wiederholte Bewegung wie etwa eine Rotation ausführt, wobei sie auf einen Wert eins normiert ist. Somit ist in einer Ausführungsform die erste Ordnung lediglich die periodische Bewegung und sind zusätzliche Ordnungen Vielfache der periodischen Bewegung. Somit sind die verschiedenen Ordnungen die Oberschwingungen der periodischen Bewegung. Obwohl erläutert worden ist, dass diese Konzepte auf mehr als nur rotierende Maschinen anwendbar sind, werden die verschiedenen hier gegebenen Beschreibungen hinsichtlich rotierender Maschinen gegeben, um die Sprache nicht übermäßig zu belasten.
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Allgemein gesagt ist dann die Ordnungsanalyse nützlich, um die Beziehungen zu bestimmen, die zwischen einer periodischen Bewegung und Maschineninformationen wie etwa Schall und Schwingung vorhanden sind. Unter Verwendung der Ordnungsanalyse können solche Schall- und Schwingungsmuster identifiziert und isoliert werden und kann dadurch ein Status einzelner Komponenten der Maschine bestimmt werden.
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Viele mechanische Charakteristiken von Maschinen ändern sich mit der periodischen Bewegung der Maschine. Üblicherweise können einige mechanische Bedingungen wie etwa die Resonanz nur beobachtet werden, während sich die periodische Bewegung der Resonanzgeschwindigkeit annähert oder sie passiert. Somit erfordern Maschinenschalltests und Maschinenschwingungstests üblicherweise einen Hochfahr- oder Herunterfahrtest. Ordnungsanalysetechniken ermöglichen, Schall- und Schwingungssignale nicht nur zu analysieren, wenn die Maschine in einer stationären periodischen Bewegung arbeitet, sondern auch, wenn sich die periodische Bewegung im Zeitverlauf ändert, indem die periodische Bewegung der Maschine ununterbrochen normiert wird.
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Die Ordnungsanalyse kann verwendet werden, um sowohl den Absolutwert als auch die Phase der Schall- und Schwingungsdaten, nicht nur für die Grundfrequenz, sondern auch für die Oberschwingungen oder höheren Ordnungen des Signals, zu bestimmen. Diese Informationen sind nützlich, um den Maschinenzustand zu bestimmen. Zum Beispiel gibt eine Zunahme des Absolutwerts der Frequenz der periodischen Bewegung eine Ungleichgewichtssituation an. Oberschwingungen der Frequenz der periodischen Bewegung geben andere Fehler wie etwa eine Dejustierung an.
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Somit besteht eine Notwendigkeit eines Systems, das hinsichtlich der oben beschriebenen Probleme wenigstens teilweise mehr Informationen bereitstellt.
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US 2009/0193900 A1 offenbart ein Ordnungsverfolgungssystem zum Verfolgen wenigstens einer Ordnung von mechanischen und/oder akustischen Schwingungen, die von einem periodischen Erregungsprozess eines physischen Systems erzeugt werden, wobei das Ordnungsverfolgungssystem Folgendes umfasst:
- - ein Mittel zum Erhalten mechanischer und/oder akustischer Schwingungsdaten eines physischen Systems,
- - ein Mittel zum Erhalten von Referenzdaten des Systems,
- - ein Mittel zum Kombinieren der mechanischen und/oder akustischen Schwingungsdaten mit den Referenzdaten des Systems, und
- - ein Mittel zum Anwenden eines digitalen FIR-Filters auf wenigstens die mechanischen und/oder akustischen Schwingungsdaten, um auf dieser Basis wenigstens eine Ordnung abzuleiten.
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US 6,351,714 B1 offenbart eine handhaltbare Datensammel- und Analyseeinheit zum Sammeln und Analysieren von Schwingungsdaten, welche durch eine Drehwelle induziert werden, mit einem Prozessor, der zuerst das analoge Schwingungssignal in korrespondierende digitale Schwingungsmuster umwandelt. Danach liefert der Prozessor in Reaktion auf die digitalen Schwingungsmuster korrespondierende Ausgabeschwingungsmuster, wobei Muster innerhalb eines jeden Satzes von Ausgabeschwingungsmustern zur Verfügung gestellt werden mit einer Rate, welche sich verändert als eine Funktion von Änderungen der Geschwindigkeit der Drehwelle. Ein digitaler Prozessor sammelt dann eine Zeitwellenform-Aufzeichnung in Reaktion auf eine Mehrzahl der Ausgabeschwingungsmuster, wobei die Muster-Rate für die Ausgabeschwingungsmuster, welche in der Zeitwellenformaufzeichnung gesammelt wurden, als eine Funktion von Änderungen der Geschwindigkeit der Drehwelle variiert.
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US 6,128,959 A offenbart ein Analysewerkzeug zum Messen und Analysieren der drehzahlbasierten Torsionsschwingungen einer rotierenden Komponente in einem Fahrzeugantriebsstrang. Eine elektronische Steuereinheit und ein Sensor wirken zusammen, um Geschwindigkeitsschwankungen zu messen, welche zwischen dem Vorbeibewegen von benachbarten Zähnen eines Drehgetriebes auftreten. Diese Zeitmessungen sind die Basis für Versatz-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Berechnungen, welche, kombiniert mit einer Antriebswellen-Dreh-Ordnungsinformation, verwendet werden können, um die Quelle von übermäßigen Antriebsstrang-Torsionsschwingungen zu bestimmen.
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Als eine besondere Form der diskreten Fourier-Transformation DFT ist der sogenannte Goertzel-Algorithmus bekannt, welcher es ermöglicht, nur einzelne diskrete Spektralanteile zu berechnen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die obigen und weitere Notwendigkeiten werden erfüllt durch ein Instrument zum Ausführen einer Ordnungsanalyse an einer Maschine. Ein Eingabemodul empfängt Daten periodischer Bewegung und Maschinencharakteristikdaten, die durch die Zeit den Daten periodischer Bewegung zugeordnet sind. Ein Prozessormodul empfängt Daten periodischer Bewegung und die Maschinencharakteristikdaten, wendet auf die Daten periodischer Bewegung und auf die Maschinencharakteristikdaten ein Goertzel-Modul an und erzeugt dadurch einen Ordnungsdatensatz, der den Absolutwert der Maschinencharakteristikdaten in Abhängigkeit von der Ordnung normierter Daten periodischer Bewegung umfasst.
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In verschiedenen Ausführungsformen enthalten die Maschinencharakteristikdaten Schwingungsdaten. In einigen Ausführungsformen enthalten die Maschinencharakteristikdaten Schalldaten. In einigen Ausführungsformen enthält der Ordnungsdatensatz ferner eine Phase der Maschinencharakteristikdaten. Einige Ausführungsformen enthalten eine Anzeige zum Darstellen einer Darstellung des Ordnungsdatensatzes. In einigen Ausführungsformen enthält die Darstellung des Ordnungsdatensatzes einen Graphen des Absolutwerts der Maschinencharakteristikdaten in Abhängigkeit von den normierten Daten periodischer Bewegung.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausführen einer Ordnungsanalyse an einer Maschine beschrieben. Es werden Daten periodischer Bewegung zusammen mit Maschinencharakteristikdaten empfangen, die durch die Zeit den Daten periodischer Bewegung zugeordnet sind. Auf die Daten periodischer Bewegung und auf die Maschinencharakteristikdaten wird ein Goertzel-Modul angewendet, wodurch ein Ordnungsdatensatz erzeugt wird, der den Absolutwert der Maschinencharakteristikdaten in Abhängigkeit von der Ordnung normierter Daten periodischer Bewegung umfasst.
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In Übereinstimmung mit einem abermals anderen Aspekt der Erfindung ist ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium beschrieben, das ein Programm enthält, um zu ermöglichen, dass ein Computer an einer rotierenden Maschine eine Ordnungsanalyse ausführt, indem veranlasst wird, dass ein Prozessor des Computers die folgenden Schritte ausführt. Es werden Daten periodischer Bewegung und Maschinencharakteristikdaten, die durch die Zeit den Daten periodischer Bewegung zugeordnet sind, empfangen. Auf die Daten periodischer Bewegung und auf die Maschinencharakteristikdaten wird ein Goertzel-Modul angewendet, wodurch ein Ordnungsdatensatz erzeugt wird, der den Absolutwert der Maschinencharakteristikdaten in Abhängigkeit von der Ordnung normierter Daten periodischer Bewegung umfasst.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen durch Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung hervor, wenn sie zusammen mit den Figuren betrachtet wird, die nicht maßstabsgerecht sind, um die Einzelheiten deutlicher zu zeigen, wobei gleiche Bezugszeichen überall in den mehreren Ansichten gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
- 1 ein Funktionsblockschaltplan eines Ordnungsanalysesystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 2 ein Funktionsblockschaltplan eines Goertzel-Moduls in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 3 ein Funktionsblockschaltplan eines Kammfiltermoduls in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 4 ein Graph einer frequenzselektiven Einstellung für das Kammfiltermodul in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 5 ein Graph einer Oberschwingungs-Bandbreiten-selektiven Einstellung für das Kammfiltermodul in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 6 ein Graph einer Zeitbereichsdarstellung und einer Frequenzbereichsdarstellung der Anwendung eines Hanning-Filtermoduls in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
- 7 ein Graph des Absolutwerts und der Phase einer Ordnung eines Datensatzes periodischer Bewegung mit Gebieten für Warnungs- und Gefahrabschnitte in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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BESCHREIBUNG
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Nun in 1 ist ein Funktionsblockschaltplan eines Ordnungsanalysesystems 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, das ein Geschwindigkeitsdetektionsmodul 102, ein Datenerfassungsmodul 104, einen Eingang 110, einen Speicher 112, ein Messmodul 106, ein Alarmmodul 108 und einen Prozessor 114 enthält.
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Wie der Begriff „Modul“ hier verwendet ist, enthält er sowohl Hardware- als auch Softwarekomponenten. In einigen Ausführungsformen ist das Modul ein kundenangepasstes Hardwareteil mit Software, die in Firmware verkörpert ist, die entweder nicht geändert werden kann oder nicht leicht geändert werden kann. In anderen Ausführungsformen ist das Modul vorrangig in Software implementiert, die auf Universalcomputersystemhardware ausgeführt wird. Einige Module, wie sie im Folgenden beschrieben sind, enthalten immer Spezialhardware wie etwa verschiedene Arten von Sensoren, die in Universalcomputersystemhardware üblicherweise nicht enthalten sind.
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Wie oben eingeführt wurde, ist das Ordnungsanalysesystem 100 in einigen Ausführungsformen in kundenangepasster Hardware implementiert. In alternativen Ausführungsformen ist das Ordnungsanalysesystem 100 hauptsächlich in Software implementiert, die auf einer Universalcomputerplattform, nach Bedarf mit Spezialausrüstung, um die Geschwindigkeits- und Datenerfassungsinformationen bereitzustellen, ausgeführt wird.
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Das Geschwindigkeitsdetektionsmodul 102 verwendet durch einen externen Eingang für die Geschwindigkeitsbewertung gegebene Geschwindigkeitsinformationen. Einige Ausführungsformen enthalten einen externen Auslöseeingang oder einen Direktsensoreingang wie etwa einen Geschwindigkeitsmesser. In einigen Ausführungsformen werden die Geschwindigkeitsinformationen als ein Digitalsignal empfangen und in anderen Ausführungsformen werden die Geschwindigkeitsinformationen als ein Analogsignal empfangen und wie etwa durch das Geschwindigkeitsdetektionsmodul 102 in ein Digitalsignal umgesetzt.
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Das Datenerfassungsmodul 104 tastet Daten von einem Sensor oder von Ausgangssignalquellen wie etwa für Schalldaten oder Schwingungsdaten ab. In einigen Ausführungsformen setzt es ein Analogsignal in ein Digitalsignal um, falls die Daten nicht bereits in dem Digitalbereich bereitgestellt werden. Die nachfolgende Verarbeitung der abgetasteten Daten wird daraufhin in dem Digitalbereich ausgeführt. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist, wird in einigen Ausführungsformen an dem Datensignal eine Art Vorverarbeitung ausgeführt.
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Die Geschwindigkeits- und Maschinendaten werden wie etwa über einen Eingang 110, der in verschiedenen Ausführungsformen die Form eines USB-Eingangs und/oder eines seriellen Eingangs und/oder eines parallelen Eingangs und/oder eines herstellerspezifischen Eingangs annimmt, empfangen. Die von dem Modul 102 für periodische Bewegung und von dem Maschinendatenmodul 104 empfangenen Daten werden wenigstens vorübergehend in einem Speicher 112 gespeichert. Zum Beispiel dann, wenn an den Daten eine Nachverarbeitung ausgeführt werden soll, könnte der Speicher 112 die Daten einige Zeit länger halten. Falls an den Daten eine Echtzeitanalyse ausgeführt werden soll, könnten sie allerdings in dem Speicher 112 nur gepuffert werden.
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Das Messmodul 106 empfängt die Daten 110 periodischer Bewegung von dem Speicher 112 oder in einigen Ausführungsformen direkt über den Eingang 110 von dem Geschwindigkeitsmodul 102 und von dem Maschinendatenmodul 104. Das Messmodul 106 verwendet die Informationen 110 der periodischen Bewegung (die eine Rotation sein könnte), um aus dem gemessenen Schwingungseingangssignal 112 eine selektive Frequenzextraktion auszuführen. Die verschiedenen Komponenten (Absolutwert und Phase) des Maschinendatensignals 112 können direkt überwacht oder auf verschiedene Arten kombiniert werden, um neue Informationen zu erzeugen.
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Das Überwachungs- und Alarmierungsmodul 108 überwacht die Ausgabe des Messmoduls 106 und vergleicht die Ausgabe mit verschiedenen Standards und Grenzwerten. Wenn irgendwelche der Standards oder der Grenzwerte verletzt sind, macht das Alarmmodul 108 einen Systembetreiber darauf aufmerksam oder gibt es auf andere Weise ein Signal mit einer Angabe der bestimmten Verletzung aus, so dass hinsichtlich der Verletzung eine Maßnahme ergriffen werden kann. In einigen Ausführungsformen wird die Maßnahme automatisch implementiert und in anderen Ausführungsformen wird die Maßnahme manuell implementiert.
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Allgemein steht das System 100 unter der Steuerung des Prozessors 114. Außerdem sind in einigen Ausführungsformen des Systems 100 eine Nutzerschnittstelle 116 und ein Kommunikationsmodul 118 wie etwa eine Netzkommunikationsschnittstelle zur Kommunikation zwischen dem System 100 und anderen Computersystemen vorhanden.
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Nun anhand von 2 ist eine detailliertere Ausführungsform des Messmoduls 106 gezeigt, das zur Beschreibung der Signalverarbeitung verwendet wird, die in einer Ausführungsform verwendet wird, um die Amplituden und Phasen der Frequenzen der periodischen Bewegung und ihrer Oberschwingungen und Subharmonischen zu detektieren.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform implementiert ein Goertzel-Modul. Das spezifische in 2 gezeigte Modul ist ein gleitendes oder modifiziertes Goertzel-Modul. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Parametereinstellungen des Goertzel-Moduls 106 ununterbrochen aktualisiert, um an neue Frequenzen der periodischen Bewegung anzupassen, was während des Maschinenhochfahrens und Maschinenherunterfahrens besonders vorteilhaft ist.
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Das wie in 2 gezeigte Goertzel-Modul 106 enthält ein Kammfilter 202, mehrere Resonatorblöcke 204 und ein Zeitbereichs-Fensterbildungsmodul 206. In einigen Ausführungsformen ist das Kammfilter 202 wie in 3 gezeigt implementiert. Das Kammfilter 202 wird in dem Zeitbereich angewendet. Daraufhin setzen die Resonatorblöcke 204 das Zeitsignal in den Frequenzbereich um und wird die Fensterbildung 206 in dem Frequenzbereich ausgeführt, anstatt die Fensterbildungsfilterung in dem Zeitbereich vorzunehmen.
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In einigen Ausführungsformen weist das Filter
202 eine folgende Übertragungsfunktion auf:
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In einigen Ausführungsformen ist das Filter 202 nicht vorhanden, während es in anderen Ausführungsformen, wie in 4 gezeigt ist, dafür eingestellt ist, sehr frequenzselektiv zu sein. Wie in 5 gezeigt ist, ist das Filter 202 in anderen Ausführungsformen dafür eingestellt, eine spezifische Bandbreite um die zu detektierenden Oberschwingungen bereitzustellen. Verschiedene Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwenden in Übereinstimmung mit den Notwendigkeiten der Messung verschiedene Typen des Kammfilters 202. Für eine hochselektive Frequenzextraktion ist das Kammfilter 202 in einigen Ausführungsformen auf die wie in 4 gezeigte Kerbcharakteristik eingestellt. Für eine bandbegrenzte Extraktion mit einer größeren Anzahl von Fensterbildungsfiltern für Seitenbänder ist das Kammfilter 202 in einigen Ausführungsformen wie in 5 gezeigt für die Bandbegrenzung eingestellt.
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Wie in 2 gezeigt ist, extrahiert jeder Resonatorblock 204 aus einem von dem Kammfilter 202, falls vorhanden, kommenden Eingangssignal eine einzelne Frequenzklasse. Die Resonatorblöcke 204 stellen die Funktionalität einer periodischen Bewegungsfrequenz bereit, die der Ausgangspunkt einer Ordnungsanalyse ist. Die Anzahl der Resonatorblöcke 204, die für die Detektion einer einzelnen Oberschwingung notwendig sind, hängt in einigen Ausführungsformen von der Anzahl auszuführender Mittelungen im Frequenzbereich ab. In der wie in 2 gezeigten Ausführungsform sind fünf Resonatorblöcke 204 gezeigt, während in anderen Ausführungsformen eine andere Anzahl von Resonatorblöcken 204 implementiert werden könnte. Nach jeder Messung (wobei die Anzahl der Messabtastpunkte in einigen Ausführungsformen konfigurierbar ist), werden neue Koeffizienten für die Resonatorblöcke 204 berechnet. Zu jedem Zeitpunkt, zu dem neue Daten verfügbar sind, wird die Bewertungsausgabe mit den Messzyklen synchronisiert.
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In einigen Ausführungsformen wird die Fensterbildungsfunktionalität 206 in dem Frequenzbereich durch Kosinusfilter wie etwa durch das in 6 gezeigte Hanning-Filter ausgeführt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden die Fensterbildungsfunktion 206, um die Ausgabe von einer Anzahl von Resonatorblöcken 204 zu gewichten. Diese enthält Seitenbandklassen in dem Ergebnis der Ordnungsanalyse. Für schnelle Gradienten hilft diese Architektur sicherstellen, dass die Eingangsdaten in dem Beobachterbereich des Goertzel-Moduls 106 sind.
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Verschiedene Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwenden für jede Teilextraktion einer Geschwindigkeitsgrundfrequenz oder Geschwindigkeitsoberschwingungsfrequenz ein einzelnes Goertzel-Modul 106. In solchen Ausführungsformen kann jedes Goertzel-Modul 106 unabhängig konfiguriert oder als Gruppe konfiguriert werden.
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Somit nutzen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in dem Frequenzbereich für die Ordnungsanalyse wie etwa in einem Schutz- und Vorhersagesystem für rotierende Maschinen ein Goertzel-Modul 106. Unter Verwendung des Goertzel-Moduls 106 können Parameter des Resonators 204, des Kammfilters 202 und des Fensters 206 ununterbrochen aktualisiert werden, um schnelle und genaue Absolutwert- und Phaseninformationen zu unterstützen. Ferner verwenden schnelle Fourier-Transformationen eine Blockverarbeitung, während ein Goertzel-Modul 106 nur eine flexible Verzögerungsleitung benötigt, falls ein Kammfilter 202 verwendet ist.
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Nun in 7 ist ein Graph des Absolutwerts und der Phase einer Ordnung eines Datensatzes einer periodischen Bewegung mit Gebieten für Warn- und Gefahrenabschnitte in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsformen für diese Erfindung ist zur Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form einschränken. Im Licht der obigen Lehren sind andere Änderungen oder Varianten möglich. Die Ausführungsformen sind im Bemühen gewählt und beschrieben worden, Veranschaulichungen der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu geben 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 Varianten liegen in dem 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 berechtigen.
