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Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Datenerfassung für Maschinenbetriebsbereitschaftsmanagement und -steuerung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein System zum Bereitstellen von Leistung für Maschinendatenerfassungsvorrichtungen durch Datenkommunikationsnetze.
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Hintergrund
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Die Überwachung und Steuerung von komplexen industriellen Maschinen erfordert im Allgemeinen viele Sensoren verschiedener Typen (Erschütterung, Temperatur, Druck, etc.) und Steuervorrichtungen (d. h. für Schalter, Ventile und Aktuatoren), die an verschiedenen Orten auf oder in der Nähe der Maschine verteilt sind. Typischerweise sind solche Sensoren und Steuervorrichtungen mit Überwachungs- und Steuersystemen in einer industriellen Anlage über ein Kommunikationsnetz verbunden. Nachteile, die vorherigen Kommunikationsnetzen in solchen Anwendungen zugeordnet sind, umfassen:
- – der Datenübertragungsabstand ist begrenzt;
- – es sind viele Leistungsversorgungen erforderlich, um weit verteilte Sensoren und Steuervorrichtungen mit Leistung zu versorgen, was zu höheren Kosten beiträgt;
- – die Länge der Signalleitungen zwischen Sensoren und Sensormodulen neigt dazu, lang zu sein, was zu Rauschproblemen auf Signalen niedriger Amplitude beiträgt, und
- – weil die Umsetzung von analogen Signalen zu digitalen Signalen an dem Sensormodul stattfindet, erhöhen lange Signalleitungen zwischen Sensoren und Sensormodulen weiter die Wahrscheinlichkeit für Rauschen.
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Deshalb besteht ein Bedarf an einem Maschinenüberwachungs- und Maschinensteuernetz, das die Probleme, die Feldbus-Netzen zugeordnet sind, mildert.
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Zusammenfassung
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Die obigen und andere Bedürfnisse werden durch ein Maschinenbetriebsbereitschaftsmanagementsystem erfüllt, das Maschinenmesseinheiten einschließt, die über Power-over-Ethernet (PoE) mit einer zentralen Logikeinheit verbunden sind. Jede Messeinheit enthält ein oder mehrere Sensormodule, mit denen Sensoren verbunden sind, und/oder ein oder mehrere Ausgabemodule, mit denen Ausgabevorrichtungen verbunden sind. Beispiele von Sensoren umfassen Wirbelstromsensoren, piezoelektrische Sensoren, seismische Sondensensoren, Differentialtransformatorsensoren (LVDT-Sensoren) und Temperatursensoren. Beispiele von Ausgabevorrichtungen umfassen Relais, analoge Spannung und analogen Strom. Die Energie, die gebraucht wird, um die Messeinheiten mit Leistung zu versorgen, kommt durch das PoE-Netz.
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Sensorsignale, die durch die Sensoren erzeugt werden, werden digitalisiert und können in den Sensormodulen analysiert werden. Rohdaten und in einigen Fällen vorverarbeitete Daten werden über das Ethernet-Netz zu der zentralen Logikeinheit transportiert. An der zentralen Logikeinheit werden die Daten analysiert und/oder mit anderen Daten kombiniert, um eine Vorhersageanalyse durchzuführen, Entscheidungen zu erstellen und möglicherweise Schutzlösungen zu implementieren, die Leistungsfähigkeit der Maschine bzw. des Systems vorherzusagen oder die Maschine bzw. das System zu steuern.
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Beispiele von Schutzlösungen umfassen das Abschalten einer Maschine bzw. eines Systems auf der Grundlage von Alarmwerten, das Erzeugen von Warnungen für höhere Systeme und das Abstimmen zwischen unterschiedlichen Werten. Beispiele von Vorhersageanalyse umfassen das Analysieren der Rohdaten (PeakVue, FFT, Vergleiche mit gut, etc.) in dem Messmodul oder in der zentralen Logikeinheit und das Berichten der Betriebsbereitschaft der Maschine bzw. des Systems, um Wartungsdienstintervalle zu planen. Ein Beispiel einer Steuerlösung ist es, unterschiedliche Eingaben und Ausgaben zu kombinieren, um der Steuerabfolge zu folgen und Entscheidungen darüber zu treffen, ob ein System auf die programmierte Weise laufen soll.
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Die Verwendung von PoE in einem Steuernetz kann von einem standardmäßigen Büro-Ethernet getrennt sein, so dass deterministische Protokolle implementiert werden können. In verschiedenen Ausführungsformen können sowohl deterministische als auch standardmäßige Ethernet-Protokolle verwendet werden abhängig davon, ob die Anwendung für Vorhersage oder Schutz oder anderes ist.
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Wie nachstehend genauer beschrieben ist, sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung auf ein Maschinenmesssystem zur Datenerfassung gerichtet, das Betriebszustände von Maschinen in einem industriellen Rahmen angibt. Eine bevorzugte Ausführungsform des Systems enthält eine zentrale Logikeinheit, einen ersten Ethernet-Netz-Switch und ein oder mehrere erste Sensormodule. Die zentrale Logikeinheit, die in Kommunikation mit einem Ethernet-Netz steht, empfängt und verarbeitet die Maschinendaten, die Maschinenvorhersagedaten, Maschinenschutzdaten und Maschinensteuerdaten umfassen. Der erste Ethernet-Netz-Switch, der über das Ethernet-Netz in Kommunikation mit der zentralen Logikeinheit steht, enthält eine interne Leistungsversorgung und einen oder mehrere Power-over-Ethernet-Anschlüsse (PoE-Anschlüsse), die betrieben werden können, um an die verbundenen Vorrichtungen Daten zu kommunizieren und Leistung bereitzustellen. Jedes erste Sensormodul enthält eine Sensorschnittstelle zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung mit einem Sensor und einen PoE-Anschluss, der mit einem der PoE-Anschlüsse des ersten Ethernet-Netz-Switch verbunden ist. Der PoE-Anschluss von jedem ersten Sensormodul kommuniziert Daten an den ersten Ethernet-Netz-Switch und empfängt Leistung von ihm.
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In einigen Ausführungsformen sind der erste Ethernet-Netz-Switch und die ersten Sensormodule innerhalb eines Messeinheitsgehäuses angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Maschinenmesssystem ein oder mehrere erste Ausgabemodule. Jedes erste Ausgabemodul enthält eine Ausgabeschnittstelle zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung mit einer Ausgabevorrichtung und einen PoE-Anschluss, der mit einem der PoE-Anschlüsse des ersten Ethernet-Netz-Switch verbunden ist. Der PoE-Anschluss von jedem ersten Ausgabemodul kommuniziert Daten an den ersten Ethernet-Netz-Switch und empfängt Leistung von ihm.
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In einigen Ausführungsformen sind das eine oder die mehreren ersten Ausgabemodule innerhalb des Messeinheitsgehäuses angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Maschinenmesssystem einen zweiten Ethernet-Netz-Switch und ein oder mehrere zweite Sensormodule. Der zweite Ethernet-Netz-Switch, der keine interne Leistungsversorgung aufweist, enthält einen PoE-Anschluss, der mit einem der PoE-Anschlüsse des ersten Ethernet-Switch verbunden ist, um Daten an den ersten Ethernet-Netz-Switch zu kommunizieren und Leistung von ihm zu empfangen. Der zweite Ethernet-Netz-Switch kann auch einen oder mehrere PoE-Anschlüsse enthalten, die betrieben werden können, Daten an Vorrichtungen, die mit dem zweiten Ethernet-Netz-Switch verbunden sind, zu kommunizieren und ihnen Leistung bereitzustellen. Jedes der zweiten Sensormodule enthält eine Sensorschnittstelle, um eine elektrische Verbindung mit einem Sensor bereitzustellen, und einen PoE-Anschluss, der mit einem der PoE-Anschlüsse des zweiten Ethernet-Netz-Switch verbunden ist. Der PoE-Anschluss von jedem zweiten Sensormodul kommuniziert Daten an den zweiten Ethernet-Netz-Switch und empfängt Leistung von ihm.
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In einigen Ausführungsformen sind der zweite Ethernet-Netz-Switch und die zweiten Sensormodule innerhalb des Messeinheitsgehäuses angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen kann die Sensorschnittstelle von jedem der ersten Sensormodule betrieben werden, um eine elektrische Verbindung mit einem Wirbelstromsensor, einem piezoelektrischen Sensor, einem seismischen Sondensensor, einem Differentialtransformatorsensor (LVDT-Sensor), einem Spannungssensor, einem Stromsensor, einem Temperatursensor oder einem Drucksensor bereitzustellen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Ausgabeschnittstelle von jedem der ersten Ausgabemodule betrieben werden, um eine elektrische Verbindung mit einem Relais, einem Schalter, einem Aktuator, einem Ventil, einer digitalen Ausgabe, einer Spannungsausgabe, einer Stromausgabe, einer linearen Positionseinheit und einem Schrittmotor bereitzustellen.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Maschinenmesssystem einen dritten Ethernet-Netz-Schalter. Der dritte Ethernet-Netz-Switch enthält eine interne Leistungsversorgung, ein oder mehrere PoE-Anschlüsse, die Daten an verbundene Vorrichtungen kommunizieren und ihnen Leistung bereitstellen, ein drahtloses Modul, um Daten an und von dem dritten Ethernet-Netz-Switch zu kommunizieren, und ein oder mehrere dritte Sensormodule. Jedes der dritten Sensormodule enthält eine Sensorschnittstelle, die eine elektrische Verbindung mit einem Sensor bereitstellt, und einen PoE-Anschluss, der mit einem der PoE-Anschlüsse des dritten Ethernet-Netz-Schalters verbunden ist. Der PoE-Anschluss von jedem dritten Sensormodul kommuniziert Daten an den dritten Ethernet-Netz-Switch und empfängt Leistung von ihm.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Andere Ausführungsformen der Erfindung werden durch Bezug auf die genaue Beschreibung in Verbindung mit den Figuren ersichtlich werden, wobei Elemente nicht maßstäblich sind, um die Einzelheiten klarer zu zeigen, wobei gleiche Bezugszeichen durch die mehreren Ansichten gleiche Elemente angeben.
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1 stellt ein System dar, um verschiedene Komponenten eines Maschinenmess-/-steuersystems über Power-over-Ethernet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Leistung zu versorgen und mit ihnen zu kommunizieren.
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Genaue Beschreibung
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Wie in 1 gezeigt, enthält eine bevorzugte Ausführungsform eines Maschinenmess-/-steuersystems 10 eine zentrale Logikeinheit 12, die Daten empfängt und verarbeitet, die durch verschiedene Sensormodule oder Ausgabemodule, die einer Maschine 16 in einer industriellen Anlage zugeordnet sind, erfasst werden. Die zentrale Logikeinheit 12 steht über ein Kommunikationsnetz, das in einer bevorzugten Ausführungsform Ethernet-Kabel 14a und 14b enthält, in Kommunikation mit Netz-Switches 18 und 24. In der bevorzugten Ausführungsform enthält die zentrale Logikeinheit 12 eine Leistungsversorgung 13.
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Die Netz-Switches 18 und 24, die durch ihre eigenen Leistungsversorgungen 20 und 26 mit Leistung versorgt werden, stellen verbundenen Vorrichtungen Power-over-Ethernet (PoE) über ein PoE-Ethernet-Kabel 15 bereit. Der Netz-Switch 24 ist bevorzugt ein drahtgebundener Ethernet-Switch, wohingegen der Switch 18 drahtlose Kommunikation über ein drahtloses Modul 22 zusätzlich zu der drahtgebundenen Kommunikation unterstützt. Der Switch 24 stellt einem Erschütterungssensormodul 40 über einen PoE-Anschluss 24b und das PoE-Kabel 15a Datenkommunikation und Leistung bereit. Das Erschütterungssensormodul 40 erzeugt Erschütterungsdaten auf der Grundlage von Erschütterungssignalen, die von einem Erschütterungssensor 38, wie einem piezoelektrischen Sensor empfangen werden. Das Erschütterungssensormodul 40 enthält eine Sensorschnittstelle 39 für eine Verbindung mit dem Sensor 38 und einen PoE-Anschluss 41 für eine Verbindung mit dem PoE-Kabel 15a. Angeordnet innerhalb des Sensormoduls 40 zwischen der Sensorschnittstelle 39 und dem PoE-Anschluss 41 sind eine Signalaufbereitungsschaltungsanordnung und eine Analog-Digital-Umsetzungsschaltungsanordnung.
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Der Switch 24 stellt über das PoE-Kabel 15b auch Datenkommunikation mit einer ersten Messeinheit 28 bereit. Spezieller stellt das PoE-Kabel 15b Datenkommunikation mit einem Netz-Switch 30 bereit, der eine Komponente der ersten Messeinheit 28 ist. Der Switch 30, der seine eigene interne Leistungsversorgung 32 aufweist, stellt Sensormodulen und Ausgabemodulen 34a–34d, die Komponenten der Mess-/Steuereinheit 28 sind, Datenkommunikation und Leistung über PoE-Anschlüsse 30a–30d bereit. Jedes Sensor- und Ausgabemodul 34a–34d enthält einen PoE-Anschluss 33a–33d. Die Sensor- und Ausgabemodule enthalten ein Ventilsteueraktuatormodul 34a, das über eine Sensorschnittstelle 35 mit einem Ventilsteueraktuator 36a verbunden ist, zwei Erschütterungsüberwachungsmodule 34b und 34c, die über Sensorschnittstellen 35b und 35c mit Erschütterungssensoren 36b und 36c verbunden sind, und ein Spannungsmessmodul 34d, das über eine Sensorschnittstelle 35d mit einem Spannungssensor 36d verbunden ist. Der Switch 30 und die Module 34a–34d der ersten Messeinheit 28 sind bevorzugt in einem einzelnen Messeinheitsgehäuse untergebracht.
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Der Switch 18 stellt über die PoE-Verbindung 15e und den PoE-Anschluss 45 einem Strommessmodul 44 Datenkommunikation und Leistung bereit. Das Strommessmodul 44 erzeugt Stromdaten auf der Grundlage von Strommesssignalen, die über eine Schnittstelle 43 von einem Stromsensor 42 empfangen werden.
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Der Switch 18 stellt über den PoE-Anschluss 18b und das PoE-Kabel 15c auch einer zweiten Messeinheit 46 Datenkommunikation und Leistung bereit. Spezieller stellt das PoE-Kabel 15c einem PoE-Anschluss 48c eines Netz-Switch 48, der eine Komponente der zweiten Messeinheit 46 ist, Datenkommunikation und Leistung bereit. Der Switch 48, der nicht seine eigene interne Leistungsversorgung aufweist, stellt über PoE-Anschlüsse 48a und 48b PoE-Anschlüssen 49 und 53 von zwei Sensormodulen 50 und 54, die Komponenten der Mess-/Steuereinheit 46 sind, Datenkommunikation und Leistung bereit. Die Sensormodule 50 und 54 umfassen zwei Erschütterungsüberwachungsmodule, die Erschütterungsdaten auf der Grundlage von Erschütterungssignalen, die über Sensorschnittstellen 51 und 55 von Erschütterungssensoren 52 und 56, die piezoelektrische Sensoren sein können, empfangen werden, erzeugen. Der Switch 48 und die Erschütterungsüberwachungseinheiten 50 und 54 der zweiten Messeinheit 46 sind bevorzugt in einem Messeinheitsgehäuse untergebracht. Der Switch 48 kann über eine standardmäßige Ethernet-Verbindung 14c auch in Kommunikation mit dem Switch 30 stehen.
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In dieser beispielhaften Ausführungsform enthält das System einen drahtlosen Switch 58, der seine eigene interne Leistungsversorgung 60 aufweist. Der Switch 58 stellt über einen PoE-Anschluss 59 und ein PoE-Kabel 15d einem PoE-Anschluss 67 eines Drehzahlmessermoduls 66 Datenkommunikation und Leistung bereit. Das Drehzahlmessermodul 66 erzeugt Drehzahlmesserdaten auf der Grundlage von Drehzahlmesserimpulsen, die über eine Sensorschnittstelle 65 von einem Drehzahlmessersensor 64 empfangen werden.
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Es gibt mehrere Vorteile des Maschinenmess-/-steuersystems 10, das in 1 wiedergegeben ist, gegenüber herkömmlichen Systemen, wie industriellen Netzen, die Feldbus-Verdrahtung einsetzen. Die Vorteile umfassen Folgendes:
- – Daten können über größere Entfernungen übertragen werden;
- – weit verteilte Messungen können unter Verwendung von weniger Leistungsversorgungen vorgenommen werden;
- – die Entfernung zwischen Sensoren und Sensormodulen kann kürzer sein, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auffangens von Rauschen auf Signalen niedriger Amplitude verkleinert wird;
- – die Umsetzung von analogen Signalen in digitale Signale tritt näher bei den Sensoren auf, was die Wahrscheinlichkeit für Rauschen weiter reduziert, und
- – niedrigere Installationskosten.
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Ein weiterer Vorteil ist Skalierbarkeit. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine Gruppierung von zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Sensor- oder Ausgabemodulen zusammen in einem einzelnen Gehäuse gruppiert sein und als eine Einheit mit dem Kommunikationsnetz verbunden sein. In dem Gehäuse ist ein PoE-Netz-Switch, der das Maschinenmess-/-steuer-Ethernet-Netz mit dem PoE-Netz verbindet. Die Module, die in dem Gehäuse gruppiert sind, brauchen ein oder zwei Ethernet-Eingänge (Ringstruktur für Verfügbarkeit) und einen Leistungseingang. Intern an dem Gehäuse liefert der PoE-Switch Leistung an die individuellen Module des Sensor-over-Ethernet (SoE), Actor-over-Ethernet (AoE), Input-over-Ethernet (IoE), Vibration-over-Ethernet (VoE) oder Functional-Safety-over-Ethernet (FSoE). In diesem Kontext bezieht sich ”Actor” auf eine aktive Komponente in einem Prozess oder einer Steuereinheit, wie ein Ventil oder ein Relais. Externe Netzverbindungen können über drahtloses, optisches Ethernet oder andere standardmäßige Technologien erreicht werden.
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Die vorangegangene Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen für diese Erfindung ist zu Zwecken der Darstellung und Beschreibung präsentiert worden. Sie ist nicht dafür bestimmt, vollständig zu sein oder die Erfindung auf die konkrete offenbarte Form zu beschränken. Offensichtliche Abwandlungen und Variationen sind angesichts der obigen Lehren möglich. Die Ausführungsformen sind in dem Bestreben gewählt und beschrieben, die besten Darstellungen der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen und dadurch einem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Abwandlungen, wie es für die besondere angedachte Verwendung geeignet ist, zu nutzen. Alle derartigen Abwandlungen und Variationen sind innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist, wenn sie in Übereinstimmung mit der Breite interpretiert werden, für die sie fair, legal und gerecht berechtigt sind.
