TW202008161A - 嵌入式單元及包含其之監控系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種嵌入式單元及包含其之監控系統。該嵌入式單元用於監測一標的物之運作狀態，包含：一感測器，用於測量該標的物之運作狀態，並產生一感測訊號；一運算模組，接收來自該感測器之感測訊號，並根據預先設定之一參數，處理該感測訊號以產生一分析結果；以及一傳輸模組，用以將該分析結果向外傳輸。該監控系統更包含一路由器連接該嵌入式單元與一伺服器，使資訊可在該嵌入式單元與該雲端伺服器之間傳遞。

Description

嵌入式單元及包含其之監控系統

本發明係關於嵌入式單元及包含其之監控系統，特別是用於監測機械設備的運作狀態及健康程度之嵌入式單元及監控系統。

工業環境中使用許多機械設備，如機械手臂、馬達、幫浦等，此等機械設備因長時間處於運轉狀態，其零部件經日積月累的耗損自然也會逐漸不堪使用。為了維持機械設備正常運作，使用者會想掌控設備的運作狀況、知悉設備中有哪些零件即將損壞，以便能及時更換該些耗損零件，以避免對於零件更換的疏忽而導致設備故障，進而得以降低維修成本，延長整體機械設備的使用壽命。

習知的技術是將有線的感測器裝設在待測設備上，經由線路連接至工業電腦，其中工業電腦上配備有訊號擷取卡，可接收來自感測器的感測訊號，並以工業電腦內所裝設之軟體加以處理並分析該訊號，最後再由工程師依據經驗評估分析結果，來判斷機械設備是否處於失效模式（ failure mode）和其對應的嚴重程度及出現頻率，安排後續的維修保養工作。

然，習知感測器受成本的限制，多採用相對低頻（約0.5千~1千赫茲）的感測器，感測器用於擷取振動訊號，訊號擷取卡用於導入該訊號，而工業電腦中的軟體僅能從訊號知道振動量的大小，概略計算其均方根值、最大值、最小值等，較進階者會提供頻譜分析結果，來供操作人員依其經驗進行判斷。然而，在進入工業電腦進行分析前，有線的類比訊號傳輸有被干擾的風險，且工業電腦處理後所顯示的資訊，仍不足以精確判斷機械設備處於何種失效模式，仍須仰賴人工進行最後的判斷，而即便是有經驗的工程師對頻譜分析所做的判斷，常常也僅是粗糙的猜測。

就建置成本及應用而言，相對低頻的感測器的解析能力不足以量測出各部件的振動狀態，高頻感測器的售價則太高；每個感測器以實體線路連接至訊號擷取卡及工業電腦，數十至一百公尺的拉線距離已是常態，除了拉線愈長成本愈高外，類比訊號在傳輸上有受干擾及衰減的風險；此外，受限於既有的訊號擷取卡的規格，至多只能接16個感測器，當感測器數量超過其上限，或者部分待測機器的距離實在過遠而所需線路過長（例如在不同的廠區），就需要設置多台工業電腦分組配置，以上均大幅增加了監控系統的設置成本。

再者，或有可能因每台工業電腦/訊號擷取卡能接受的感測器數量有限，監控系統的整體建置成本過高，故習知的操作習慣仍傾向於讓操作人員親自至每台工業電腦的現場進行設定及操作，其過程費時且效率差，且位於廠房內的期間也較容易產生工安疑慮。

有鑑於此，提供一種可解決前述問題的嵌入式單元及監控系統，在此產業中極具需求。

本發明之一目的在於提供一種嵌入式單元及監控系統包含該嵌入式單元，該嵌入式單元採用相對高頻之感測器，其解析能力較高，可藉由機械設備所測得的高頻振動訊號，得知機械設備之中各部件如馬達、主軸、皮帶、軸承、變速箱等零件之個別的振動及運作狀態，以及可能處於何種失效模式。

本發明之另一目的在於，改良習知受限於訊號擷取卡規格及配置線路繁瑣等問題。本發明之嵌入式單元設有一傳輸模組，於一較佳實施例中係以無線的方式直接將資訊經由路由器傳至伺服器，故不需在現場配置電腦及訊號擷取卡，亦當然無須配置各機械設備與電腦間實體連接線路，故測定機械設備之嵌入式單元的數量，可不受傳統訊號擷取卡只能連接16個感測器的限制。

本發明之又一目的在於，操作人員可從伺服器端依據待測設備本身的各項特性及參數，選定適合的控制指令，以有線或無線的網路透過路由器對各個嵌入式單元進行設定。可避免每次操作時，工程師需親臨現場之不便與工安風險。換言之，本發明之嵌入式單元只需於初期貼附於機械設備時需要於現場操作，之後便可透過網路遠端輸入或變更測定運算之參數，也可直接透過無線網路於遠端得知機械設備的運作狀況。

本發明之再一目的在於，本發明之嵌入式單元本身即具備分析能力。不同於習知技術中，感測器僅用於擷取振動訊號，訊號擷取卡僅用於導入該訊號，訊號的處理係在於工業電腦中的軟體進行，而後續的分析判讀則須仰賴操作人員經驗。本發明之嵌入式單元除了微型化及模組化設計外，本身即具備高頻振動訊號之擷取、傳輸、分析等功能，其中自動分析的功能是由運算模組中內建的韌體所完成，其傳輸至伺服器前已是完成分析的結果，不需要再重新計算，路由器及伺服器僅是在於分析結果的傳輸與彙整。而可以理解地，操作人員預先了解欲監測標的物中各損傷模式的振動頻帶組合後，可反向地透過伺服器、路由器而至嵌入式單元的路徑，以控制指令設定各嵌入式單元中韌體分析時所需的參數。

為達上述目的，本發明係揭露一種嵌入式單元，用於監測一標的物之運作狀態，該嵌入式單元包含一感測器、一運算模組以及一傳輸模組。該感測器用於測量該標的物之運作狀態，並產生一感測訊號。該運算模組接收來自該感測器之感測訊號，並根據預先設定之一參數，處理該感測訊號以產生一分析結果。該傳輸模組用以將該分析結果向外傳輸。

本發明更揭露一種監控系統，包含前述之嵌入式單元、一伺服器及一路由器。所述嵌入式單元係貼附於該標的物上。該路由器連接該嵌入式單元與該伺服器，以將該分析結果由該嵌入式單元傳輸至該伺服器。

其中，該傳輸模組可經由該路由器接受一控制指令，該運算模組根據該控制指令修改該參數。該參數係選自該標的物之規格參數、環境參數、失效參數或其組合；該感測器為一振動感測器、一溫度感測器、一音頻感測器、一電壓感測器、一電流感測器、一磁場感測器、或其組合；該傳輸模組為一無線傳輸模組、一有線傳輸模組、或其組合。

於一實施例中，該分析結果包含相關於該標的物之一失效模式（failure mode）。

於一較佳實施例中，該感測器為一振動感測器，可感測一頻寬，其至少涵蓋部分實質小於10千赫茲（KHZ）的高頻振動頻率。

於一實施例中，該運算模組為一微控制器（Micro Control Unit，MCU），其可依據該控制指令進行韌體更新。

於另一實施例中，所述嵌入式單元更包含一顯示模組，用以呈現該分析結果。

於另一實施例中，所述嵌入式單元更包含一類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC），連接於該感測器及該運算模組之間。

於另一實施例中，所述嵌入式單元更包含一主板，該感測器、該運算模組、該傳輸模組及該類比數位轉換器係以電性連接的方式設置於該主板上。

於另一實施例中，所述嵌入式單元更包含一主板，該感測器、該運算模組及該傳輸模組係以電性連接的方式設置於該主板上。

此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。惟需注意的是，本案之圖式均為簡化之示意圖，圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更，且元件佈局狀態可更為複雜。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

本發明之第一實施例請參閱圖1及圖2，所示為本發明之嵌入式單元1，以及為了監測一待測之標的物200之運作狀態而將嵌入式單元1貼附於該標的物200上之示意圖。

本發明之嵌入式單元1至少包含一感測器11、一運算模組15及一傳輸模組17。其中，該感測器11用於測量該標的物200之運作狀態，並產生一感測訊號；該運算模組15接收來自該感測器11之感測訊號，並根據預先設定之一參數，處理該感測訊號以產生一分析結果；該傳輸模組17則用以將該運算模組15所得之分析結果向外傳輸。

其中，運算模組15較佳為一微控制器（Micro Control Unit，MCU），其內建有韌體，根據預先設定之參數而具有自動分析的功能，其中，該分析結果包含相關於該標的物之一失效模式（failure mode）。更進一步而言，該傳輸模組17可反向地接受來自外部之一控制指令，使該運算模組15根據該控制指令修改該參數。因應該標的物200之不同，操作人員可調整之該參數例如該標的物200之規格參數、環境參數、失效參數或其組合。換言之，該參數可以是指向單一條件的參數值、或者是指向多個條件之參數值的一組參數組合，在此不作限制。

此外，因應不同待測標的物200、內部元件之特性、環境條件等因素，本發明之感測器11可依據實際需求來選擇，例如可以是振動感測器、溫度感測器、音頻感測器、電壓感測器、電流感測器、磁場感測器、或其組合的多功能感測器。當標的物200內部的元件是動態的運轉，本實施例之感測器11較佳係選用振動感測器，其感測之頻寬至少涵蓋部分實質小於10千赫茲（KHZ）的高頻振動頻率，而隨著製程及規格的進步，可以選用感測之頻寬範圍更高更廣的振動感測器，以具備足夠的解析能力，能辨識出標的物200內部的元件的振動頻率，供後續運算模組15得以完成自動分析。

此外，該傳輸模組17可以是一無線傳輸模組、一有線傳輸模組、或其組合。於本實施例中，該傳輸模組17較佳為一無線傳輸模組，以無線訊號輸出該分析結果及接受該控制指令，來省卻實體線路的配置。

請再次參閱圖1，嵌入式單元1較佳係包含一類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC）13，連接於該感測器11及該運算模組15之間，用於將感測器11所產生之類比訊號轉換為數位訊號，供該運算模組15計算及分析；於其他實施例中，該類比數位轉換器13也可內建於該運算模組15中，即該運算模組15本身整合有類比數位轉換器之功能。此領域具有通常知識者可依據運算模組15的規格，選擇以內建或外接的方式配置用以執行類比數位訊號轉換的元件，在此不作限制。

更佳地，嵌入式單元1還可具有一顯示模組19，用以呈現該分析結果。舉例來說，以顯示螢幕呈現分析結果，或者僅以燈號簡單顯示標的物200是否處於正常運作狀態，其應用情境係當廠房內有多個標的物200及嵌入式單元1時，操作人員可以依據燈號輕易辨識出待處理標的物200的位置，除了節省操作人員之時間、增加效率之外，也可縮短操作人員待在廠房的時間而降低工安風險。

如圖1所示，嵌入式單元1更包含一主板10，前述之該感測器11、該類比數位轉換器13、該運算模組15、該傳輸模組17及顯示模組19均係以電性連接的方式設置於該主板10上。

須說明的是，嵌入式單元1上可再設置一電源（圖未示），供主板10上所有需要電力的元件使用。因電源供應電子元件運作所需之電力為此領域中具有通常知識者均能理解之技術，在此不另贅述。

以下將以標的物200為一馬達作為例子進行說明。馬達的轉速範圍通常是已知的規格數值，而在不同的轉速條件下，當發生主軸偏心、對心不良、軸承/齒輪/避震腳座損傷等等失效模式等情況，其所對應的振動頻率與轉速之間的關聯性都可以先預先評估。操作人員可依據預先訂定的轉速規格及頻率解讀方式，由遠端設定並傳輸控制指令至嵌入式單元1，以調整其韌體之參數。

舉例而言，操作人員輸入標的物200之轉速範圍為1000~1500rpm及其對應的各個振動頻率的解讀方式後，在實際運作時，假設嵌入式單元1依據測量的振動頻率計算出目前標的物200的轉速為1280rpm，並推算出主軸偏心之發生頻率約20赫茲、對心不良之發生頻率約為40赫茲、皮帶老化之發生頻率約為15赫茲，當嵌入式單元1偵測到前述頻率時，即可自行分析判斷出是否有主軸偏心、對心不良、軸承/齒輪/避震腳座損傷、或其它失效模式等狀況，並將該分析結果傳送出去及/或直接以顯示模組19警示。

而當標的物200的運轉過程中，可能下一秒轉速變動1300rpm，嵌入式單元1也會即時調整主軸偏心、對心不良、軸承/齒輪/避震腳座損傷、或其它失效模式的判斷基準，故可以一直保持準確的監控，不會因設備轉速變動而造成誤判。

本發明之第二實施例請參圖3及圖4，其係將多個前述第一實施例之嵌入式單元1，分別貼附於多個標的物200，以形成一監控系統100。

詳言之，本實施例之監控系統100除了包含多個嵌入式單元1外，更包含一路由器2及一伺服器3，其中，該路由器2係連接該嵌入式單元1與該伺服器3，使各嵌入式單元1本身即能獨立完成之該分析結果，能由該嵌入式單元1傳輸至路由器2彙整，再傳輸至該伺服器3。較佳地，因應該嵌入式單元1具有無線之傳輸模組17，該路由器2為一無線路由器，再以有線或無線的方式與伺服器3之間傳遞資料，該伺服器3較佳為一雲端伺服器。

除了將分析結果由嵌入式單元1、路由器2、最終傳輸至伺服器3外，本實施例之監控系統100亦可反向地讓操作人員將控制指令從伺服器3、 經由路由器2而傳輸至嵌入式單元1，該控制指令係根據各個不同的標的物200，用以設定各嵌入式單元1中於韌體分析時所需的參數。而運算模組15內的韌體程式，也可被伺服器3的管理程式透過該控制指令經由網路更新升級，管理上更具便利性。

如圖4所示，操作人員可透過電腦71或可攜式行動裝置73，網路連線至伺服器3，以便從伺服器3讀取各嵌入式單元1運算後輸出之分析結果，更可以電腦71或可攜式行動裝置73由伺服器端遠端輸入控制指令，修改各嵌入式單元1中預先設定用於分析運算的參數。

綜上所述，本發明之嵌入式單元及監控系統，採用解析能力較高之高頻感測器來監測標的物內部各部件之運作狀態，各嵌入式單元採用微型化及模組化之設計，本身具備完成分析及預測其失效模式之能力，可預測標的物健康狀態之趨勢，早期發現標的物內部元件可能的初期損傷，避免無預警的損壞，以降低維修成本。且可將分析結果傳輸至伺服器供操作人員進一步運用，且操作人員可反向從伺服器對嵌入式單元變更其參數。本發明之嵌入式單元及監控系統可突破習知技術以有線傳輸、感測器數量受限、建置成本過高等缺點，操作人員可以在伺服器端長期且連續地針對各內部元件進行監控，大幅減少操作人員親至廠房的時間，明顯增加工作效率及減少工安風險，即便操作人員仍必須至現場處理，也能快速辨識出應處理之標的物。

上述的實施例僅用來例舉本發明的實施態樣，以及闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍，本發明的權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

100‧‧‧監控系統1‧‧‧嵌入式單元10‧‧‧主板11‧‧‧感測器13‧‧‧類比數位轉換器15‧‧‧運算模組17‧‧‧傳輸模組19‧‧‧顯示模組2‧‧‧路由器3‧‧‧伺服器71‧‧‧電腦73‧‧‧可攜式行動裝置200‧‧‧標的物

圖1為本發明嵌入式單元之示意圖。 圖2為本發明之一實施例中，嵌入式單元貼附於待測標的物之示意圖。 圖3為本發明之監控系統之示意圖。 圖4為本發明之監控系統與電腦設備連接關係之示意圖。

1‧‧‧嵌入式單元

10‧‧‧主板

11‧‧‧感測器

13‧‧‧類比數位轉換器

15‧‧‧運算模組

17‧‧‧傳輸模組

19‧‧‧顯示模組

200‧‧‧標的物

Claims (24)

1. 一種嵌入式單元，用於監測一標的物之運作狀態，該嵌入式單元包含： 一感測器，用於測量該標的物之運作狀態，並產生一感測訊號； 一運算模組，接收來自該感測器之感測訊號，並根據預先設定之一參數，處理該感測訊號以產生一分析結果；以及 一傳輸模組，用以將該分析結果向外傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之嵌入式單元，其中該傳輸模組可接受一控制指令，該運算模組根據該控制指令修改該參數。
3. 如申請專利範圍第2項所述之嵌入式單元，其中該參數係選自該標的物之規格參數、環境參數、失效參數或其組合。
4. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，其中，該感測器為一振動感測器、一溫度感測器、一音頻感測器、一電壓感測器、一電流感測器、一磁場感測器、或其組合。
5. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，其中，該分析結果包含相關於該標的物之一失效模式（failure mode）。
6. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，其中，該感測器為一振動感測器，可感測一頻寬，至少涵蓋部分實質小於10千赫茲（KHZ）的高頻振動頻率。
7. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，其中，該傳輸模組為一無線傳輸模組、一有線傳輸模組、或其組合。
8. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，其中該運算模組為一微控制器（Micro Control Unit，MCU），其可依據該控制指令進行韌體更新。
9. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，更包含一顯示模組，用以呈現該分析結果。
10. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，更包含一類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC），連接於該感測器及該運算模組之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之嵌入式單元，更包含一主板，該感測器、該運算模組、該傳輸模組及該類比數位轉換器係以電性連接的方式設置於該主板上。
12. 如申請專利範圍第3項所述之嵌入式單元，更包含一主板，該感測器、該運算模組及該傳輸模組係以電性連接的方式設置於該主板上。
13. 一種監控系統，用於監測一標的物之運作狀態，該監控系統包括： 至少一嵌入式單元，貼附於該標的物上，所述嵌入式單元包含： 一感測器，用於測量該標的物之運作狀態，並產生一感測訊號； 一運算模組，接收來自該感測器之感測訊號，並根據預先設定之一參數，處理該感測訊號以產生一分析結果；以及 一傳輸模組，用以將該分析結果向外傳輸； 一伺服器；以及 一路由器，連接所述嵌入式單元與該伺服器，使該分析結果由所述嵌入式單元傳輸至該伺服器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之監控系統，其中該伺服器將一控制指令經由該路由器傳送至該傳輸模組，該運算模組根據該控制指令修改該參數。
15. 如申請專利範圍第14項所述之監控系統，其中該參數係選自該標的物之規格參數、環境參數、失效參數或其組合。
16. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中，該感測器為一振動感測器、一溫度感測器、一音頻感測器、一電壓感測器、一電流感測器、一磁場感測器、或其組合。
17. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中，該分析結果包含相關於該標的物之一失效模式（failure mode）。
18. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中，該感測器為一振動感測器，可感測一頻寬，至少涵蓋部分實質小於10千赫茲（KHZ）的高頻振動頻率。
19. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中，該傳輸模組為一無線傳輸模組、一有線傳輸模組、或其組合。
20. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中該運算模組為一微控制器（Micro Control Unit，MCU），其可依據該控制指令進行韌體更新。
21. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中所述嵌入式單更包含一顯示模組，用以呈現該分析結果。
22. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中所述嵌入式單更包含一類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC），連接於該感測器及該運算模組之間。
23. 如申請專利範圍第22項所述之監控系統，其中所述嵌入式單元更包含一主板，該感測器、該運算模組、該傳輸模組及該類比數位轉換器係以電性連接的方式設置於該主板上。
24. 如申請專利範圍第15項所述之監控系統，其中所述嵌入式單元更包含一主板，該感測器、該運算模組及該傳輸模組係以電性連接的方式設置於該主板上。

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