DE102017113807A1

DE102017113807A1 - System und verfahren zur fernabfrage von maschinenüberwachungssensoren

Info

Publication number: DE102017113807A1
Application number: DE102017113807.2A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lysen; Markus Abeltshauser
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20180372584A1; US10809151B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Fernabfrage von Sensoreinheiten zur Maschinenüberwachung, mit einem Messgerät (30) und Mehrzahl von Sensoreinheiten (10), die zueinander parallel geschaltet sind und über eine gemeinsame Leitung (20) mit dem Messgerät verbunden sind, um Sensor-Messsignale als analoges Signal von der Sensoreinheit zum Messgerät zu übertragen und um von dem Messgerät ein digitales Frage-Signal zu empfangen, wobei jede Sensoreinheit mindestens einen Schwingungssensor (40), eine Steuereinheit (50) und einen Schalter (60) aufweist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um den Schalter in Abhängigkeit von dem digitalen Frage-Signal zu betätigen, um das analoge Messsignal auf die Leitung zu schalten, wobei zu jedem Zeitpunkt nur maximal eine der Sensoreinheiten ihr analoges Messsignal auf die Leitung schalten kann, und wobei das analoge Messsignal als Stromsignal und das digitale Frage-Signal als Spannungssignal ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Fernabfrage einer Mehrzahl von Sensoreinheiten zur Maschinenüberwachung über ein gemeinsames Messgerät.
Typischerweise ist es bei der Maschinenüberwachung, insbesondere mittels Schwingungsmessung, zweckmäßig, mittels eines gemeinsamen Messgeräts mehrere räumlich von dem Messgerät entfernte Sensoren abzufragen und die gewonnenen Messdaten in dem Messgerät auszuwerten.
In der DE 43 28 932 C1 ist ein System zur Fernabfrage von mehreren Messstellen beschrieben, wobei eine Mehrzahl von Schwingungssensoren in Gruppen unterteilt ist, die jeweils mehrere der Schwingungssensoren umfassen, wobei für jede Gruppe eine eigene Multiplexereinheit vorgesehen ist, um jeden Sensor der Gruppe sequentiell einzeln mit einem gemeinsamen Messgerät zu verbinden. Die einzelnen Multiplexer sind dabei in Serie geschaltet, wobei zwischen dem am nächsten zum Messgerät liegenden Multiplexer sowie zwischen zwei benachbarten Multiplexern jeweils nur eine einzelne analoge Leitung vorgesehen ist, die zur Übertragung des entsprechenden Schwingungssensorsignals als Stromsignal dient. Die Multiplexer sind dabei jeweils als Zähler ausgebildet, die durch eine von dem Messgerät bewirkte Änderung der Spannung auf der analogen Leitung weiter geschaltet werden. Die Spannungsquelle des Messgeräts dient dabei nicht nur zum Ansteuern der Zähler, sondern auch zum Erzeugen des Stromsignals der einzelnen Sensoren. Jeder Sensor ist dabei über eine eigene Leitung mit dem Multiplexer seiner Gruppe verbunden.
Ferner ist es bekannt, ein gemeinsames Messgerät über eine gemeinsame analoge 4-20 mA-Verkabelung mit externen Feldgeräten, z.B. Sensoren, zu verbinden, wobei ein als HART (Highway Addressable Remote Transducer) bezeichnetes Industrieprotokoll zum Einsatz kommt. Die gemeinsame analoge Leitung bildet dabei den Analogkanal für die Hauptprozessvariable, die als Stromsignal übertragen wird, während zugleich durch eine Modulation des Stromsignals mittels FSK (Frequency Shift Keying) ein digitaler Kanal implementiert wird, wobei eine „1“ mittels einer Frequenzfolge von 1200 Hz und eine „0“ mit einer Frequenzfolge von 2200 Hz kodiert wird. Dieses Kommunikationsprotokoll kann als Punkt-zu-Punkt-Topologie mit einem einzelnen Feldgerät oder als Multidrop-Topologie mit bis zu 64 Feldgeräten verwendet werden, die mittels einer gemeinsamen Leitung mit dem Messgerät verbunden und jeweils einzeln adressiert werden, wobei im Falle einer Multidrop-Topologie keine analoge Signalübertragung über die gemeinsame Leitung mehr möglich ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Fernabfrage von Sensoreinheiten zur Maschinenüberwachung mittels Schwingungsmessung zu schaffen, bei welchem der Mess- und Verdrahtungsaufwand möglichst gering ist. Es ist eine weitere Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein System gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 15.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, dass dadurch, dass jede Sensoreinheit ihren eigenen Schalter und ihre eigene Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, um den Schalter in Abhängigkeit von dem von dem Messgerät erzeugten digitalen Frage-Signal zu betätigen, um das analoge Messsignal auf die Leitung zu schalten, kein zentraler Multiplexer für die Sensorsignale erforderlich ist, so dass das System möglichst dezentral und damit besonders einfach realisiert werden kann.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems zur Fernabfrage von Sensoreinheiten; und
2 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer der Sensoreinheiten des Systems von 1.

1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein System zur Fernabfrage einer Mehrzahl 10 von Sensoreinheiten 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, ..., 10-n, die zueinander parallel geschaltet sind und über eine gemeinsame Leitung 20 mit einem gemeinsamen Messgerät 30 verbunden sind. Jede der Sensoreinheiten 10 weist mindestens einen Schwingungssensor 40, eine Steuereinheit 50, einen Schalter 60, einen Speicher 70 für elektrische Energie zur Versorgung der Steuereinheit 50 sowie einen Datenspeicher 80 auf.
Die gemeinsame Leitung 20 dient einerseits dazu, Signale der Sensoren 40 der Sensoreinheiten 10 als Stromsignal, d.h. als Signal mit einem Strompegel proportional zum Sensormesswert, zum Messgerät 30 zu übertragen, und sie dient andererseits dazu, ein als Spannungssignal implementiertes digitales Signal von dem Messgerät 30 zu den Sensoreinheiten 10 zu übertragen (ein solches digitales Signal, das vom Messgerät 30 zu den Sensoreinheiten 10 geschickt wird, kann als Frage-Signal betrachtet werden). Ferner kann die gemeinsame Leitung 20 auch verwendet werden, um digitale Signale von den Sensoreinheiten 10 zum Messgerät 30 zu übertragen, wobei ein solches Signal dann als Strompuls implementiert werden kann (ein solches digitales Signal, das einer Sensoreinheit 10 zu dem Messgerät 20 geschickt wird, kann als Antwort-Signal betrachtet werden).
Jede Steuereinheit 50 ist ausgebildet, um den Schalter 60 in Abhängigkeit von dem von dem Messgerät 30 erzeugten digitalen Signal zu betätigen, um den Schwingungssensor bzw. einen der Schwingungssensoren 40 der entsprechenden Sensoreinheit 10 auf die gemeinsame Leitung 20 zu schalten, wobei zu jedem Zeitpunkt nur maximal eine der Sensoreinheiten einen ihrer Sensoren 40 (und damit das entsprechende analoge Messsignal) auf die Leitung 20 schalten kann.
Das Messgerät 30 weist eine Spannungsquelle 90 auf, um sowohl das digitale Spannungssignal zur Ansteuerung der Sensoreinheiten 10 als auch das Stromsignal zu erzeugen, wenn der entsprechende Sensor 40 von der gerade abgefragten Sensoreinheit 10 auf die Leitung 20 geschaltet ist. Ferner weist das Messgerät 30 eine Datenverarbeitungseinrichtung 100 auf, um aus dem Stromsignal auf der Leitung 20 digitale Messwerte zur weiteren Auswertung zu gewinnen.
Das digitale Spannungssignal kann beispielsweise als Pulsdauerkodierung oder als Pulsfrequenzkodierung implementiert sein; z.B. kann, wie in 2 angedeutet, „0“ durch eine Spannungslosigkeit der Leitung 20 (d.h. 0 Volt) für 10 µs und „1“ durch Spannungslosigkeit der Leitung 20 für 30 µs kodiert werden. Dabei kann ein Reset dadurch implementiert werden, dass die Leitung 20 für einen wesentlich längeren Zeitraum, z.B. mindestens 3 Sekunden, spannungslos ist, wobei ein Reset dazu führt, dass alle Sensoreinheiten 10 zu hören beginnen und sich dann einer bestimmten Zeit, z.B. nach einer Sekunde, abschalten, wenn sie keinen anderslautenden Befehl erhalten. Eine Taktung („Clock“) kann beispielsweise dadurch implementiert werden, dass die Leitung 20 für einen kürzeren Zeitraum, z.B. etwa 100 ms, vor jedem zu übertragenden Befehl spannungslos ist, wobei dann alle Sensoreinheiten zu hören beginnen und sich beispielsweise nach 100 ms wieder abschalten, wenn kein anderslautender Befehl erhalten wird. Ein Zählimpuls („Count“) kann beispielsweise dadurch implementiert werden, dass die Leitung für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise 10 ms, spannungslos ist, wobei dann jeder Zähler der Sensoreinheiten 10 um 1 weiterschaltet.
Der Energiespeicher 70 in jeder Sensoreinheit 10 wird von der Spannungsquelle 90 des Messgeräts 30 über die Leitung 20 gespeist und dient dazu, die Sensoreinheit während spannungsloser Zeiten der Leitung 20 mit elektrischer Energie zu versorgen. Vorzugsweise ist der Energiespeicher 70 als Supercap ausgebildet.
Die digitalen Komponenten der Sensoreinheiten 10 sollten grundsätzlich so ausgebildet sein, dass sie die analoge Stromsignalübertragung möglichst wenig stören, wobei besonders niedrige rauscharme Standby-Ströme, z.B. nicht mehr 1 µA, vorteilhaft sind.
Das Ansprechen der einzelnen Sensoreinheiten 10 durch das Messgerät 30 kann gemäß einer Ausführungsform in sequentieller Weise erfolgen, wobei jede Sensoreinheit 10 dann einen Zähler zum Zählen von Spannungsimpulsen auf der Leitung 20 aufweist, wobei jeder Sensoreinheit 10 eine bestimmte Zahl zugewiesen ist, und wobei die entsprechende Sensoreinheit 10 ihren Sensor 40 bzw. einen ihrer Sensoren auf die Leitung 20 schaltet, wenn die ihr zugewiesene Zahl im Zähler erreicht ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann jeder Sensoreinheit 10 eine eigene Adresse zugewiesen sein, über welche sie von dem Messgerät 20 mittels des digitalen Signals angesprochen werden kann. Beispielsweise kann die Adresse aus einem Teil der Stellen der Seriennummer der jeweiligen Sensoreinheit 10 bestehen. Dabei kann es sich beispielsweise um die letzten zwei Ziffern der Seriennummern handeln, die dann bei der Initialisierung des Systems von den Sensoreinheiten 10 als digitales Stromsignal über die Leitung 20 an das Messgerät 30 übermittelt werden. Die Übermittlung der letzten beiden Ziffern der Seriennummer kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass, wenn die beiden letzten Ziffern der Seriennummer die Zahl Y ergeben, die entsprechende Sensoreinheit 10 nach Y ms einen Strompuls von 1 mA 1 ms lang zusätzlich auf die Leitung 20 gibt, wobei die Sensoreinheiten 10 dann beispielsweise nach 100 ms abschalten. Es kann aber auch eine digitale Übermittlung der entsprechenden Ziffern der Seriennummer erfolgen.
Ein Messbefehl des Steuergeräts 30 kann beispielsweise die folgende Struktur haben: (Adresse der gewünschten Sensoreinheit; Messdauer; Messart bzw. gewünschter Sensor). Nachdem das Messgerät 30 einen solchen Messbefehl als digitales Spannungssignal auf die Leitung 20 gegeben hat, schaltet die angesprochene Sensoreinheit 10 für die gewünschte Messdauer den gewünschten Sensor auf die Leitung 20, während alle übrigen Sensoreinheiten abschalten.
Wie in 2 angedeutet, kann das Senden von digitalen Signalen von einer Sensoreinheit 10 zum Messgerät 30 dadurch erfolgen, dass ein bestimmter Strompegel, z.B. 1 mA, für „0“ steht und ein zweiter Strompegel, z.B. 2 mA, für „1“ steht. Dabei ist der Schalter 60 dann so ausgebildet, dass zum Senden von digitalen Signalen von der Sensoreinheit 10 aus ein digitaler Ausgang 52 der Steuereinheit 50 auf die Leitung 20 geschaltet wird.
Grundsätzlich kann die digitale Signalübertragung zwischen dem Messgerät 30 und den Sensoreinheiten 10 als sogenannter Eindraht-Bus implementiert sein.
Wie in 2 gezeigt, kann eine Sensoreinheit 10 mehrere Schwingungssensoren 40-1, 40-2, 40-3 bzw. einen Schwingungssensor mit unterschiedlichen Ausgängen aufweisen, wobei der Schalter 60 dann so ausgelegt ist, dass zu einem bestimmtem Zeitpunkt jeweils nur einer der Schwingungssensoren bzw. nur einer der Ausgänge auf die Leitung 20 geschaltet werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Schwingungssensor 40 um einen Sensor zur separaten Schwingungsmessung entlang dreier zueinander senkrechter Achsen handeln, wobei dann die Signale der einzelnen Achsen sequentiell auf die Leitung 20 geschaltet werden können, so dass das Messgerät 30 letztlich die einzelnen Raumachsen des Schwingungssensors sequentiell auslesen kann. Auf diese Weise kann in einer einzigen Sensoreinheit 10 eine Mehrzahl von Messarten implementiert werden, auf die das Messgerät 30 wahlweise zugreifen kann.
Wie in 2 gezeigt, kann eine Sensoreinheit 10 auch zusätzlich zu dem Schwingungssensor bzw. den Schwingungssensoren einen Temperatursensor 54 aufweisen, dessen Temperatursignal als digitales Signal, z.B. als digitales Stromsignal, über die Leitung 20 an das Messgerät 30 gesendet wird.
Vorzugsweise wird der Datenspeicher 80 dazu verwendet, Informationen zu speichern, die den Schwingungssensor bzw. die Schwingungssensoren der jeweiligen Sensoreinheit 10 und/oder die Messstelle des entsprechenden Sensors betreffen und bei der Auswertung der Sensorsignale zu berücksichtigen sind, wobei die entsprechenden Daten dann bei Bedarf als digitales Stromsignal über die Leitung 10 zum Messgerät 30 gesendet werden können. Dabei kann es sich beispielsweise um Sensordaten, Maschinendaten, Verknüpfungen, Lagerdaten, Zustandsdaten, Initialisierungsdaten, Trenddaten und/oder Bewertungsalgorithmen handeln. Es können auch vorgemessene Messwerte in dem Datenspeicher 80 abgespeichert werden. Die Bewertungskriterien können beispielsweise Filterarten, Filtereinstellungen, Messarten, Analysearten, Messzeiten, Grenzwerte, usw. umfassen. Auf diese Weise können Fernmessungen vorgenommen werden und die entsprechenden Fernmessstellen beurteilt werden, ohne dass das Messgerät 30 vorher mit messortspezifischen Mess- und Beurteilungskriterien aufgeladen werden muss; vielmehr liefern die entsprechenden Sensoreinheiten 10 selbst die benötigten Daten an das Messgerät 30.
Bei der Leitung 20 handelt es sich vorzugsweise um ein koaxiales Kabel.
Die Steuereinheiten 50 weisen vorzugsweise einen nicht-flüchtigen Ultra-Low-Power-Ferrit-RAM-Mikrocontroller auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4328932 C1 [0003]

Claims

System zur Fernabfrage von Sensoreinheiten zur Maschinenüberwachung, mit einem Messgerät (30) und Mehrzahl von Sensoreinheiten (10), die zueinander parallel geschaltet sind und über eine gemeinsame Leitung (20) mit dem Messgerät verbunden sind, um Sensor-Messsignale als analoges Signal von der Sensoreinheit zum Messgerät zu übertragen und um von dem Messgerät ein digitales Frage-Signal zu empfangen, wobei jede Sensoreinheit mindestens einen Schwingungssensor (40), eine Steuereinheit (50) und einen Schalter (60) aufweist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um den Schalter in Abhängigkeit von dem digitalen Frage-Signal zu betätigen, um das analoge Messsignal auf die Leitung zu schalten, wobei zu jedem Zeitpunkt nur maximal eine der Sensoreinheiten ihr analoges Messsignal auf die Leitung schalten kann, wobei das analoge Messsignal als Stromsignal und das digitale Frage-Signal als Spannungssignal ausgebildet ist.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (30) eine Spannungsquelle (90) aufweist, um sowohl das digitale Frage-Signal als auch um das Stromsignal zu erzeugen, wenn der entsprechende Sensor (40) auf die gemeinsame Leitung geschaltet ist.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sensoreinheit (10) einen Speicher (70) für elektrische Energie zur Versorgung der Sensoreinheit aufweist, der von der Spannungsquelle (90) des Messgeräts (10) über die gemeinsame Leitung (20) gespeist wird
System gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (70) als Supercap ausgebildet ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten (10) ausgebildet sind, um von dem Messgerät (30) sequentiell angesprochen werden, wobei jede Sensoreinheit einen Zähler (50) zum Zählen von Spannungsimpulsen auf der gemeinsamen Leitung (20) aufweist, wobei jeder Sensoreinheit eine Zahl zugewiesen ist, und wobei die entsprechende Sensoreinheit ihren Sensor (40) bzw. einen ihren Sensoren auf die gemeinsame Leitung schaltet, wenn die ihr zugewiesene Zahl im Zähler erreicht ist.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensoreinheit (10) eine eigene Adresse zugewiesen ist, über welche sie von dem Messgerät (30) mittels des digitalen Spannungssignals mit Befehlen angesprochen werden kann.
System gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Adresse aus einem Teil der Stellen der Seriennummer der Sensoreinheiten (10) besteht.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Spannungssignal eine Pulsdauer-Codierung oder eine Pulsfrequenz-Codierung verwendet.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten (10) ausgebildet sind, um digitale Antwort-Signale in Form von Stromsignalen über die gemeinsame Leitung (20) zum Messgerät (30) senden.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Signalübertragung zwischen dem Messgerät (20) und den Sensoreinheiten (10) als Eindraht-Bus implementiert ist.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sensoreinheiten (10) einen Speicher (80) zum Abspeichern von den Sensor und/oder die Messstelle des Sensors betreffende Informationen, die bei der Auswertung der Sensorsignale zu berücksichtigen sind, aufweist, wobei die Steuereinheit (50) der betreffenden Sensoreinheit ausgebildet ist, um diese Informationen als digitales Antwort-Signal über die gemeinsame Leitung (20) zu dem Messgerät (30) zu senden.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sensoreinheiten (10) einen Temperatursensor (54) aufweist und ausgebildet ist, um das Temperatursignal als digitales Signal über die gemeinsame Leitung (20) an das Messgerät (30) zu senden.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sensoreinheiten (10) mehrere Schwingungssensoren (40-1, 40-2, 40-3) oder einen Schwingungssensor (40) mit mehreren unterschiedlichen Ausgängen aufweist, wobei die Steuereinheit (50) und der Schalter (60) ausgebildet sind, um jeweils nur einen der Schwingungssensoren bzw. nur einen der Ausgänge auf die gemeinsame Leitung (20) zu schalten.
System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schwingungssensor (40) um einen Sensor zur separaten Schwingungsmessung entlang dreier zueinander senkrechter Achsen handelt, wobei die Steuereinheit (50) und der Schalter (60) ausgebildet sind, um das Signal der einzelnen Achsen sequentiell auf die Leitung zu schalten.
Verfahren zur Fernabfrage einer Mehrzahl von Sensoreinheiten (10) zur Maschinenüberwachung von einem Messgerät (30) aus, wobei die Sensoreinheiten zueinander parallel geschaltet sind und über eine gemeinsame Leitung (20) mit dem Messgerät verbunden sind, um Sensor-Messsignale als analoges Signal von der Sensoreinheit zum Messgerät zu übertragen und um von dem Messgerät ein digitales Frage-Signal zu empfangen, wobei jede Sensoreinheit mindestens einen Schwingungssensor (40), eine Steuereinheit (50) und einen Schalter (60) aufweist, wobei die Steuereinheit den Schalter in Abhängigkeit von dem digitalen Frage-Signal betätigt, um das analoge Messsignal auf die Leitung zu schalten, wobei zu jedem Zeitpunkt nur maximal eine der Sensoreinheiten ihr analoges Messsignal auf die Leitung schalten kann, und wobei das analoge Messsignal als Stromsignal und das digitale Frage-Signal als Spannungssignal ausgebildet ist.