JP7186776B2 - ベルト駆動監視システム - Google Patents

Description

本発明は、ベルト駆動監視システムに関し、特に、システムの運転状態を判断するために非接触センサおよびデータ信号の無線送信手段を備えたベルト駆動監視システムに関する。

ベルト駆動は、そのパフォーマンスとコストの優位性によって、問題ある非常に多くのローラチェーン駆動にとって替わっている。ローラチェーン駆動の代替としてベルト駆動をデザインするとき、従来の駆動システムの設計手続きは、必要とされるキャパシティーを越えた駆動システムを作り出してしまう。実際の運転時の負荷は不明であるため、適切な設計荷重を決定するのに、１）利用可能になった駆動システムで測定される実際の負荷を用いること、２）測定値とともに負荷を推定すること、３）現存するローラチェーン駆動の出力定格を用いるという３つのアプローチが採用され、駆動設計荷重を計算する。オーバーサイズのベルト駆動を避けるため、設計は、実際の駆動システムの運転荷重、キャパシティーを抑える推定技術に基づいて行う必要がある。

ベルト駆動系は、しばしアクセスするのが困難である。ベルトおよび駆動部の監視は不便であり、コストがかかる。また、ガード部分を外さなければならず、機械の運転停止時間が生じ、検査はベルトを掛けた状態での視覚的な手掛かりに限られる。さらに、これらベルト駆動系は、検査が妨げられる遠隔地にある。ベルトおよびベルト駆動系の性能特性を調べる便利な手段があれば、顕著な不具合を知らせ、運転サービス期間を決定し、メンテナンスのスケジュールを作成するのに役立つであろう。

代表的な先行技術は、米国特許明細書第８，６６２，２９０号であり、そこでは、センサを用いて、継手部分、リップパネル、補強用コードのいずれかあるいは複数のダメージを示す磁場の乱れ（magnetic disruptions）（発生）を搬送ベルトで測定する。システムは、複数のセンシングコンポーネントを備え、リップパネル、継手部分、標準化された補強コードの損傷をセンシングするためのコイルおよびホールセンサを含む。また、システムはＲＦＩＤベースのリップパネルを備え、ＲＦＩＤチップを使用して様々なベルト要素を特定する。ＰＬＣベースのコントロールシステムは、イーサネットリンクを通じて上述したベルト要素と通信する。コントロールシステムによって受け取られたデータは、ベルト耐久性および損傷傾向を図にするために使用され、また、信号レベルが定められた基準値を超える場合にユーザへ警告するのに使用される。システムは、ベルトの差し迫った不具合が予想されると、ベルト運転を停止することもできる。ＰＣＬベースのコントロールシステムは、拡張性があり、既存の搬送コントロールシステムと機能拡大した監視システムへ容易に統合することができる。

システムの運転状態を判断するために非接触センサおよびデータ信号の無線送信手段を備えたベルト駆動監視システムが求められる。本発明は、この要求を満たす。

本発明の一面は、システムの運転状態を判断するために非接触センサおよびデータ信号の無線送信手段を備えたベルト駆動監視システムを提供することになる。

本発明の他の側面は、以下の発明の記載および添付図面によって示され、あるいは明らかにされる。

本発明は、ベルト駆動監視システムを備え、駆動プーリと、被駆動プーリとを備え、駆動プーリと被駆動プーリがエンドレス部材によって接続され、駆動プーリに取り付けられた、磁場を有する第１の磁気部材と、被駆動プーリに取り付けられた、磁場を有する第２の磁気部材と、第１の磁気部材の通過によって生じる磁場変化を検出するために配置される第１のセンサと、第２の磁気部材の通過によって生じる磁場変化を検出するために配置される第２のセンサと、第１のセンサからの第１のデータ信号をレシーバへ無線送信可能な第１の送信機と、第２のセンサからの第２のデータ信号をレシーバへ無線送信可能な第２の送信機とを備え、レシーバは、第１のデータ信号と第２のデータ信号とを加工し、システムパラメータを計算してユーザへ提供するように構成されている。

添付図面は、明細書の一部を形成するように組み込まれており、本発明の好ましい実施形態を例示し、明細書とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
本実施形態であるシステムの概略的配置図である。 センサノードの詳細図である。 デュアル速度センサに関するフローチャートである。 サーバで実行されるフローチャートである。

本発明は、ベルト駆動に対する非接触、無線による回転速度性能の監視システムを備える。システムは、駆動プーリ１００と、被駆動プーリ２００とを備える。エンドレスベルト５００は、駆動プーリと被駆動プーリとの間に掛けられている。

複数のマグネット１０１が、駆動プーリ１００の周縁付近に配置されている。各マグネットは、隣り合うマグネットと所定間隔で設置されている。マグネットは、回転軸から径Ｒ１の位置にある。

複数のマグネット２０１が、被駆動プーリ２００の周縁付近に配置されている。各マグネット２０１は、隣り合うマグネットと所定間隔で設置されている。マグネットは、回転軸から径Ｒ２の位置にある。

２つのホールセンサ３０１、３０２は、駆動プーリ１００上の各マグネット１０１の通過を検出するように指向されている。２つのホールセンサ３０３、３０４は、被駆動プーリ２００上の各マグネット２０１の通過を検出するように指向されている。

ホールセンサ３０１、３０２、３０３、３０４は、保護規格ＩＰ６５に準拠する近接センサである。

図２は、センサ回路筐体の概略図である。センサ回路筐体４０１ａと４０１ｂは、同じものであり、回路４１２へ電源供給するバッテリ４１０および／または１２０Ｖ電源４１１を含む。回路４１２は、ＲＦ無線モジュール４１３に接続され、低電力、低コストアプリケーションに適したベース基地（インテルチップ）を備える。ＸＢｅｅ^R規格のＲＦ無線モジュール４１３およびインテルチップの使用は一例であって、本発明の権利範囲を制限する意図はない。各ホールセンサ３０１、３０２、３０３、３０４は、各センサ回路筐体４０１内のチップセット４１２に接続されている。各回路４１２は、接続されるセンサ３０１、３０２、３０３、３０４ととともにセンサノードとして参照される。

運転時、各マグネット１０１、１０２からの磁界が各ホールセンサ３０１、３０２、３０３、３０４を所定のシーケンスで通過するとき、電圧信号がＨｉｇｈ（Ｎ極）、またはＬｏｗ（Ｓ極）になり、これは、電圧パルスをマイクロコントローラへデジタル入力させる引き金となる。通常のベルト駆動運転の間、パルスシーケンスは、矩形状の波形を描く。各センサノード４０１ａ、４０１ｂに取り付けられたホールセンサは、マイクロコントローラへ入力される２つの相違する波形に起因する回転速度サンプリングエラーを減じるため、同期化された並列的なサンプリング機能を持つ。このサンプリング手法は、あるホールセンサから他のホールセンサまでの波形データの完全性（integrity）が、時間およびサンプリング期間の同じ特定事例を対象とすることを確実にする。

各パルスの時間間隔は、ファームウェアレジスタに記録されて回転平均に用いられ、駆動系の各シャフト１００、２００の回転速度が計算される。

同様に、バッテリ４１０からの電圧信号は、マイクロコントローラのアナログ入力部に通信接続し、これによって、ユーザは、充電またはバッテリ交換が必要となる前に電池残量を推測することができる。

センサノードおよびファームウェアコードは、センサースリープ機能を含み、バッテリを充電あるいは交換する前により長い運転期間電力消費を節約する。もしユーザが永久的で信頼性のある電源を必要とする場合、１２０Ｖの電源が利用可能である。

各ホールセンサからのデジタル信号サンプリングおよびＲＡＷデータのバッファへの保存の後、システムの回転速度およびバッテリ計算が実行される。そしてマイクロコントローラは、送信者のＭＡＣアドレス位置情報およびＩＤ情報とともにデータをパッケージ化する。メッセージは、チェックサムベースのシリアルメッセージとして、ＰＡＮ無線モジュール４１３を介して無線送信され、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）を経由してベース基地レシーバモジュール４１５へ送られる。

各ＲＦ無線モジュール４１３からの無線メッセージがベース基地４１５によって受信されると、ベース基地４１５は、文字列分割ループ（parsing loop）によって非同期に読み出し可能なＲＡＷデータバッファ領域内に、そのメッセージデータを格納する。ベース基地のプロセッサが動作していない場合、ＲＡＷデータバッファ領域に格納されたメッセージが構文解析され、メッセージサイズに対するセキュリティーチェックサムおよびデータビットに誤りがないか確認する。データ確認後、ベース基地は、データ受信時にタイムスタンプを置き、シリアルメッセージを使用可能な情報へ分離し、そして確認されたデータを、セーブデータ（）およびセンドデータ（）ファンクションに送る。

セーブデータ（）ファンクションは、受信したデータを、ベース基地４１５にある内部データベースファイルに保存する。このデータベースは、ＰＡＮを通じてベースステーションに接続される各センサに対してセンサデータを数か月保存可能にする長期データ保存場所として使用可能である。

分離されたデータベーステーブルは、各センサノードＩＤと、固有のセンサノードＩＤに対応するユーザ設定ページとを格納する。他の保存された静的ユーザ入力データとしては、ユーザによって定められたベルト及び駆動システムの名前、駆動システムの構成、ベルト装着日付、ベルト製造番号、センサ中断警告時間、ユーザ設定の駆動効率警告（warning）リミット、そしてユーザ設定の駆動効率警報（alarm）リミットを含むことができる。他のデータもユーザによって必要に応じて加えることが可能である。

設定データベーステーブルに保存された静的なユーザ入力データから、様々なタイプの警報のための計算が出来る。これらの計算は、速度差（速度遅延）、滑り率（slip percentage）、駆動効率、長時間運転でのベルト使用、最後のメッセージを受けてからのセンサ中断警告、バッテリレベル警告および警報、そして駆動効率の警告および警報の計算を含む。速度差は、シャフト１００、２００間の回転速度の差である。滑り率は、同じベルトで接続されたシャフト間の回転速度の差を使って計算することができる。駆動効率は、駆動比に関して入力速度（speed in）、出力速度(speed out)を使って計算することができる。

単一のＲＰＭセンサ使用では、ベース基地に入ってくる測定されたセンサデータは、駆動プーリの速度及び速度比に対するユーザの入力値と比較され、システムの滑りが計算され、そして、ユーザ入力の警報および警告リミットと比較される。デュアルＲＰＭセンサの使用では、各センサノードからのデータが互いに比較され、スリップ値と駆動効率を提供する。

警報の設置ポイントの選択は、ユーザが個々のニーズを満たすようにＰＲＭシステムを修正することを可能にする。またそれは、駆動効率が予想以下である、またはバッテリ残量が低い場合、ユーザに対して視覚的に警告することを可能にする。ウェブページユーザインターフェース（ＵＩ）警報ディスプレイは、赤あるいは黄色の光を閃光させて、駆動システムが警報あるいは警告モードにあることを知らせることができる。

セーブデータ（）ファンクションが、ベース基地サーバのフロントエンドに対するシリアルデータを使用可能な情報に変換、保存した後、データはセンドデータ（）ファンクションに使用され、そこでは、データは２つの異なる、特定のタイプのメッセージに再パッケージ化され、１つはベース基地のローカルウェブサーバメッセージであり、もう１つは、クラウド使用可能であればクラウドに送信されるスタンダードデータプロトコル（ＪＳＯＮ）メッセージである。

ローカルホストとなるウェブサーバ上でのウェブページは、ユーザがセンサノードデータにアクセスし、特定の駆動データを入力し、警報および警告閾値を設定可能なユーザインターフェースである。ウェブページには、ネットワーク／インターネットＴＣＰ／ＩＰプロトコルを使ってアクセスする。ベース基地４１２がユーザのコンピュータあるいはスマートフォンが繋がるネットワークに接続されている限り、ユーザは、監視システムにアクセスする権利をもつ。警報および警告ページは、常にアクティブであり、何らかの事態が監視中システムに生じた場合、警報が黄色の列、警告が赤色の列として現れる。

図３は、デュアル速度センサのフローチャートである。Ｓｔｅｐ６０１では、時間、ＰＡＮ、バッテリ監視およびスリープモードをコンフィギュレーションする。ソフトウェアは、受信するデータの種類、データフォーマット（１６進数）、データを送信するＲＦ無線のＩＤナンバーを特定するため、無線受信モジュール４１３に対するコンフィグのセッティングを提供する。

Ｓｔｅｐ６０２では、シリアルポートをセットアップし、ステップＳｔｅｐ６０３では、データインプットピンをリセット／コンフィギュレーションする。実行命令は、シリアルポートから残りのデータ／不正確な出力信号を出力することを避けるため、シリアルポートの使用および任意のデータをクリアするためにリセットすることを可能にする。アルドゥイーノ（Arduino）基板上のピンは、データをハードウェアの１ピースから他へ転送することが必要とされるとき、入力あるいは出力としてセットアップされる。

Ｓｔｅｐ６０４では、速度をゼロに設定、あるいはリセットする。このステップは、駆動プーリおよび被駆動プーリの速度計算用プログラムにおける誤った計算を防ぐため、すべての速度変数をゼロに設定する。これは、システムのゼロ化あるいは風袋重量化（taring）と等価である。

Ｓｔｅｐ６０５では、ＰＡＮをＯＮにする。これは、ＲＦ無線モジュール４１３を起動させ、ハードウェアのすべてのピンをＯＮにすることを含む。

Ｓｔｅｐ６０６では、駆動プーリ、被駆動プーリ、バッテリのアナログデータをサンプリングし、文字列をシリアルおよびＰＡＮへ出力する。チップ４１２は、センサからの電圧を読み出すことによって、サンプルデータを固定する。

Ｓｔｅｐ６０７では、読み取り可能なデジタルデータに変換してそのデータをＲＦ無線ＰＡＮおよびシリアルポートへ送る。回転速度（ＲＰＭ）の計算は、時間経過と検出された駆動回転数に従って実行される。これは、駆動プーリおよび被駆動プーリ両方に対して行われる。バッテリ、駆動プーリ、被駆動プーリのデータは、ＲＦ無線モジュール４１３を通じてサーバへ送られる。このメッセージは、Ｓｔｅｐ６０１で実行されたコンフィギュレーションによってフォーマット化されている。

Ｓｔｅｐ６０８では、作業が完了したか否かが判断される。ＲＦ無線内のソフトウェアライブラリがデータに誤りがないことを確認すると、システムは、ＲＦ無線モジュールおよびすべての入出力ピンをＯＦＦにすることによって、Ｓｔｅｐ６０９のスリープモードへ移行する。データが認証されない、あるいは誤りがある場合、サンプリングおよび変換処理が繰り返される。所定時間間隔が経過すると（Ｓｔｅｐ６１０）、システムはＳｔｅｐ６０４に戻ってＳｔｅｐ６０４～Ｓｔｅｐ６０９を繰り返す。

図４は、サーバにおいて実行されるフローチャートである。Ｓｔｅｐ７０１は、ハードウェア、シリアルポート、ＰＡＮおよびＲＡＦ無線モジュールのコンフィギュレーションを含む。実行コマンドによって、シリアルポートの使用およびデバッグ目的で出力データに対するシリアルポートを適切にコンフィギュレーションすることを可能にする。実行コマンドはまた、ＲＦ無線モジュール４１３の使用を可能にし、同様に、データを確証して読み込み可能データに変換するデータのパーサ（Parser）を可能にする。パーサは、ＲＦ無線モジュールから利用可能である。

Ｓｔｅｐ７０２、７０３、７０４では、ＳＱＬｉｔｅデータベーステーブルを作成し、クラウドを伴う初期ＩｏＴセットアップを行い、そしてシリアルポートデータをオープンにする。新しいＳＱＬｉｔｅデータベースを作成し、ホールセンサ用のテーブルを作成し、ＳＱＬｉｔｅにリンクするＪａｖａスクリプトに特化したコマンドを使ってセンサセッティングを行う。変数は、クラウドプラットフォームと共に使用するものとして表される。センサシステムとクラウドとの間の接続性が、インテルベース基地４１２とクラウド間でサンプルメッセージを送信、受信する（pinging）ことによってテストされる（Ｓｔｅｐ７０５）。シリアルポートコミュニケーションをオープンにし、不適切なデータを回避あるいは古いデータを除去するためにシリアルポートをフラッシュし、そして、ＲＦ無線モジュールからのデータが適切なフォーマットであるか確認する（Ｓｔｅｐ７０６）。

Ｓｔｅｐ７０７では、駆動プーリおよび被駆動プーリデータをＰＡＮおよびＲＦ無線モジュールへ出力する。

Ｓｔｅｐ７０８では、データベースセッティングをコンフィギュレーションし、保存する。システムおよびホールセンサからは、ＲＦ無線モジュールがベースステーションハードウェアへ読み込み可能データにして送るデータであって、日付、時間、システムのどの部分が所定のパケットデータを終えるか、どの種類のデータが送信されるか、駆動プーリ速度および被駆動プーリ速度を含むデータを、１６進法メッセージに分割して送信する。ＳＱＬｉｔｅデータベースは、データ送信するために変数およびハードウェア用経路を形成することによってデータを受信するのに備えてセットアップされる。

Ｓｔｅｐ７０９では、駆動効率およびバッテリデータを読み出す。ＲＦ無線モジュールメッセージから残りのデータ部分を分割し、駆動効率とバッテリの残量データを計算する。

Ｓｔｅｐ７１０では、サーバをセットアップする。シリアルポートは、ＳＱＬｉｔｅデータベースを開放し、サーバはデータを受け入れる準備を開始する。

Ｓｔｅｐ７１１では、サーバが入力受け入れ状態になる。Ｓｔｅｐ７０２～Ｓｔｅｐ７０９で収集されたすべての情報は、Ｓｔｅｐ７０２でセットアップされたＳＱＬｉｔｅテーブルに取り入れられる。

そしてサーバは、Ｓｔｅｐ７１２において、速度、センサ送信主アドレスそしてバッテリ残量レベルを含むデジタルデータを受信する。適切な警告および警報が必要に応じて発信される。出力グラフおよび予想解析情報は、ユーザインターフェースへ送信される。センサデータおよびユーザ設定内容は、ＳＱＬｉｔｅデータベースから読み出され、書き込まれる。これは、視覚的に確認され、Ｓｔｅｐ７０８の連続的実行の結果である。発信されるいずれの警告および警報は、論理記述に基づきメッセージで表示される。例えば、バッテリ残量が所定値を下回ると、現在のバッテリ残量を表示するような警告がシステムに出力され、これによって、バッテリ残量が提示されていたウェブサイトインターフェイスを通じてユーザに警報を与えることができる。ＳＱＬｉｔｅデータベース内のテーブルから読み出されるデータを使用することでグラフを作成可能となり、視覚的経過と現在のシステムパフォーマンスの傾向を提供して、ユーザの解析を容易にする。

本発明およびその利点が詳細に記載されたが、附随したクレームによって定義される本発明の権利範囲から離れることなく、様々な変形、代用、交換が可能であることは当業者にとって明らかである。

Claims (8)

1. 駆動プーリと、
   被駆動プーリとを備え、
   前記駆動プーリと前記被駆動プーリがエンドレス部材によって接続され、
   前記駆動プーリに取り付けられた、それぞれ磁場を有する複数の第１の磁気部材であって、前記駆動プーリの周縁付近に沿って、隣り合う磁気部材と所定間隔で前記駆動プーリの周に渡って隣接配置される複数の第１の磁気部材と、
   前記被駆動プーリに取り付けられた、それぞれ磁場を有する複数の第２の磁気部材であって、前記被駆動プーリの周縁付近に沿って、隣り合う磁気部材と所定間隔で前記被駆動プーリの周に渡って隣接配置される複数の第２の磁気部材と、
   前記第１の磁気部材の通過によって生じる磁場変化を検出するために配置される第１のセンサと、
   前記第２の磁気部材の通過によって生じる磁場変化を検出するために配置される第２のセンサと、
   前記第１のセンサからの第１のデータ信号をレシーバへ無線送信可能な第１の送信機と、
   前記第２のセンサからの第２のデータ信号を前記レシーバへ無線送信可能な第２の送信機とを備え、
   前記レシーバは、第１のデータ信号と第２のデータ信号とを加工し、システムパラメータを計算してユーザへ提供するように構成されていることを特徴とするベルト駆動監視システム。
2. 前記エンドレス部材が、ベルトを備えることを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動監視システム。
3. 前記第１のセンサおよび前記第２のセンサ各々が、ホールセンサを備えていることを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動監視システム。
4. 前記第１の磁気部材の通過によって生じる磁場変化を検出するために配置される第３のセンサと、
   前記第２の磁気部材の通過によって生じる磁場変化を検出するために配置される第４のセンサと
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動監視システム。
5. 前記第３のセンサおよび前記第４のセンサ各々が、ホールセンサを備えていることを特徴とする請求項４に記載のベルト駆動監視システム。
6. 前記第１の送信機が、前記第４のセンサからの第４のデータ信号を前記レシーバへ無線送信可能であり、
   前記第２の送信機が、前記第３のセンサからの第３のデータ信号を前記レシーバへ無線送信可能であることを特徴とする請求項５に記載のベルト駆動監視システム。
7. 前記システムパラメータが、速度差、滑り率、駆動効率のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動監視システム。
8. 前記システムパラメータが、速度差、滑り率、駆動効率のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項６に記載のベルト駆動監視システム。
   

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