TWI453389B - 旋轉機械裝置的監控方法以及監控系統 - Google Patents

Description

旋轉機械裝置的監控方法以及監控系統

本發明是有關於一種監控系統與監控方法，且特別是有關於一種適用於旋轉機械裝置的監控系統與監控方法。

隨著科技的日新月異，工業生產線的規模也越加龐大，且逐漸的以更為自動化的作業方式取代傳統的人力作業。若生產線的某構件出現問題時，通常整條生產線的生產動作皆會被迫停擺。現階段用於監控旋轉機械的構件狀況的線上監控系統，其不外乎是藉由監測旋轉機械的溫度或轉速等，並藉由預設的多種判斷條件，以判斷出現何種問題，然後立即對出現問題的構件作維修。然而，當偵測到構件出現問題時，通常為時已晚，此時若又正好處於大量供貨或正值裝置運作的高峰期時，其造成的損失更是難以估計。此外，在機台維修時又必須以備援機台來繼續進行生產的動作，不僅耗費成本又缺乏效率。

有鑑於此，本發明提出一種旋轉機械裝置的監控方法以及監控系統，有效偵測旋轉機械裝置的異常徵狀。

本發明提出一種監控系統，適用於旋轉機械裝置，所述之監控系統包括數據接收器以及處理器。數據接收器耦接旋轉機械裝置，接收旋轉機械裝置的轉速信號、聲學信號以及振動信號。處理器耦接數據接收器，接收並依據所述之轉速信號、所述之聲學信號以及所述之振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵，並針對所述之振動特徵以及所述之聲學特徵進行貝氏分類，藉以獲得旋轉機械裝置的運轉狀態資訊。

在本發明之一實施例中，所述之處理器藉由階次追蹤技術來針對聲學信號以及振動信號進行特徵參數萃取以分別產生聲學信號特徵參數以及振動信號特徵參數。所述之處理器並分別針對聲學信號特徵參數以及振動信號特徵參數配合轉速信號來產生振動特徵以及聲學特徵。

在本發明之一實施例中，所述之處理器更包括依據聲學信號特徵參數、振動信號特徵參數以及轉速信號來建立旋轉機械裝置的機台資訊。

在本發明之一實施例中，所述之數據接收器更包括接收旋轉機械裝置的電熱偶信號。所述之處理器依據轉速信號、聲學信號以及振動信號以及配合電熱偶信號來產生振動特徵以及聲學特徵。

在本發明之一實施例中，所述之數據接收器包括聲音接收器、振動信號偵測器以及轉速偵測器。聲音接收器耦接旋轉機械裝置，接收旋轉機械裝置上的聲音以產生聲學信號。振動信號偵測器耦接旋轉機械裝置以依據旋轉機械裝置的振動幅度來產生振動信號。轉速偵測器耦接旋轉機械裝置的旋轉機構，用以偵測旋轉機構的旋轉速度以產生轉速信號。

在本發明之一實施例中，所述之數據接收器更包括溫度偵測器，其耦接旋轉機械裝置，依據偵測旋轉機械裝置的溫度來產生電熱偶信號。

在本發明之一實施例中，所述之處理器更依據運轉狀態資訊來產生警示信號。

本發明另提出一種旋轉機械裝置的監控方法，所述之旋轉機械裝置的監控方法包括獲得旋轉機械裝置的轉速信號、聲學信號以及振動信號。依據所述之轉速信號、所述之聲學信號以及所述之振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵。針對所述之振動特徵以及所述之聲學特徵進行貝氏分類，並藉以獲得旋轉機械裝置的運轉狀態資訊。

在本發明之一實施例中，所述之依據轉速信號、聲學信號以及振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵的步驟包括藉由階次追蹤技術來針對聲學信號以及振動信號進行特徵參數萃取以分別產生聲學信號特徵參數以及振動信號特徵參數，並分別針對聲學信號特徵參數以及振動信號特徵參數配合轉速信號來產生振動特徵以及聲學特徵。

在本發明之一實施例中，所述之依據轉速信號、聲學信號以及振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵的步驟更包括依據聲學信號特徵參數、振動信號特徵參數以及轉速信號來建立旋轉機械裝置的機台資訊。

在本發明之一實施例中，所述之依據轉速信號、聲學信號以及振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵的步驟更包括接收旋轉機械裝置的電熱偶信號。依據轉速信號、聲學信號以及振動信號以及配合電熱偶信號來產生振動特徵以及聲學特徵。

在本發明之一實施例中，所述之旋轉機械裝置的監控方法，其中更包括依據運轉狀態資訊來產生警示信號。

基於上述，本發明提出之旋轉機械裝置的監控方法以及監控系統，藉由偵測旋轉機械裝置的轉速信號、聲學信號以及振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵，並針對振動特徵以及聲學特徵進行貝氏分類，藉以獲得旋轉機械裝置的運轉狀態資訊。藉此，有效地提前偵測出旋轉機械裝置的異常徵狀，並可精確的辨識出現異常徵狀的構件。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1為根據本發明之一實施例所繪示之監控系統示意圖。在本實施例中，監控系統100是用於對旋轉機械裝置110整體的狀態監控，例如監控旋轉機械裝置110中旋轉機構的轉速與其產生的聲音以及震動頻率資訊，藉以知悉旋轉機械裝置110是否有零件機構即將壞損或運作異常的跡象。其中，本實施例中的旋轉機械裝置110可以是具有馬達的加工機械，也可以是散熱風扇等具有可旋轉構件的機械裝置。

監控系統100包括數據接收器130、處理器150以及顯示介面170。數據接收器130耦接旋轉機械裝置110。數據接收器130用來接收旋轉機械裝置110的轉速信號SS、聲學信號SV以及振動信號SA。

舉例來說，請參照圖2，圖2為根據本發明之一範例實施例所繪示之數據接收器的示意圖。在本實施例中，數據接收器130包括轉速偵測器132、震動信號偵測器134以及聲音接收器136。

轉速偵測器132耦接旋轉機械裝置110的旋轉機構112。轉速偵測器132用以偵測旋轉機構112的旋轉速度VS以產生轉速信號SS。轉速偵測器132可以例如是光學式轉速計或機械式轉速計等，本發明不對轉速偵測器132的種類作限制。

震動信號偵測器134耦接旋轉機械裝置110。振動信號偵測器134可以偵測並依據旋轉機械裝置110的振動幅度VA來產生振動信號SA。振動信號偵測器134可以例如是震動/加速規感測器(Vibration/Accelerometer Sensor)等振動偵測裝置，本發明不對振動信號偵測器134的種類作限制。

聲音接收器136耦接旋轉機械裝置110。聲音接收器136用來接收旋轉機械裝置110上的聲音VV以產生聲學信號SV。在本實施例中，聲音接收器136為量測型壓電/晶體式麥克風(Measured Piezoelectric/crystal Microphone)，其可有效地被運用於產線上之聲音蒐集與分析。然在本發明之其他實施例中，聲音接收器136也可以是其他種類的收音裝置，本發明並不對其限制。

請再次參照圖1，數據接收器130會將其蒐集並產生的轉速信號SS、聲學信號SV以及振動信號SA傳送至處理器150，以便處理器150執行後續的信號特徵分析。

處理器150耦接數據接收器130。處理器150會接收並依據轉速信號SS、聲學信號SV以及振動信號SA來產生振動特徵CA以及聲學特徵CV，然後針對振動特徵CA以及聲學特徵CV進行參數識別分類(Sorting Out)，藉以獲得旋轉機械裝置110的運轉狀態資訊。在本實施例中，處理器150可以是中央處理器(Central Processing Unit,CPU)或控制器晶片所建構，本發明並不對處理器150作限制。

具體來說，處理器150會先針對聲學信號SV以及振動信號SA進行特徵參數萃取，以分別產生聲學信號特徵參數PCSV以及振動信號特徵參數PCSA。在本實施例中，處理器150是藉由階次追蹤技術(Order Tracking Technology)來進行所述之特徵參數萃取。在處理器150產生聲學信號特徵參數PCSV以及振動信號特徵參數PCSA之後，處理器150分別以聲學信號特徵參數PCSV以及振動信號特徵參數PCSA配合轉速信號SS做特徵分析，以產生對應的聲學特徵CV以及振動特徵CA。例如，於特定的旋轉頻率下，透過階次追蹤技術，處理器150可以解析聲學特徵CV以及振動特徵CA的階次能量大小，並據以在旋轉機械裝置110發生構件故障之前，判斷旋轉機械裝置110是否出現異常徵狀。

承上所述，處理器150會接續對聲學特徵CV以及振動特徵CA執行參數識別分類。例如，在本實施例中，處理器150是採用貝氏分類理論(Bayesian classification theory)來對聲學特徵CV以及振動特徵CA執行參數識別分類，以識別旋轉機械裝置110中出現異常徵狀的構件，例如藉由分類出的葉片通過頻率(Blade Pass Frequency,BPF)以及旋轉機械裝置110中各個機構部位的震動或晃動幅度，來識別異常徵狀是出現於承軸(如固定螺絲鬆脫)或傳輸帶(如傳輸盤鬆脫等)等構件。

值得注意的是，請參照圖3，圖3為根據本發明之一實施例所繪示之貝氏分類器(Bayesian classifier)的示意圖。在本實施例中，貝氏分類理論可以藉由一個或多個貝氏分類器352來體現。換言之，透過貝氏分類器352中預先定義的多個分類法則，處理器150可以精準的識別出被執行階次追蹤的聲學特徵CV以及振動特徵CA的特徵表示結果。舉例來說，以圖3為例，將輸入訊號x(t)(例如聲學特徵CV以及振動特徵CA)輸入至貝氏分類器352，此時輸入訊號x(t)會經過乘法器3521與3522分別與權重值m1(t)以及m2(t)作乘法運算，並由轉換器3523與3524分別與轉換函數G1(t)以及G2(t)作轉換運算以產生轉換結果x1(t)以及x2(t)。然後經由減法器3525將轉換結果x1(t)以及x2(t)作減法運算，以及取樣器3526在時間t=取樣時間點T時對其運算結果作取樣。之後再由減法器3527將取樣結果與常數c作減法運算以取得輸出信號y(t)，其中，輸出信號y(t)即為經過貝氏分類之後的聲學特徵CV以及振動特徵CA的特徵表示結果。據此，處理器150依據輸出信號y(t)可以輕易地判斷旋轉機械裝置110中的異常徵狀。

整體來看，在本實施例中，藉由轉速信號SS、聲學信號SV以及振動信號SA搭配所述之階次追蹤技術以及參數識別分類(例如貝氏分類理論)，處理器150可以分類出旋轉機械裝置110的聲學特徵CV以及振動特徵CA中相對於旋轉機械裝置110的旋轉機構(例如旋轉機構112)的轉速的特徵組成分量，並藉此識別出旋轉機械裝置110的異常部位，以獲得旋轉機械裝置110的運轉狀態資訊。

此外，在本發明之一實施例中，依據聲學信號特徵參數PCSV、振動信號特徵參數PCSA以及轉速信號SS，處理器150可以建立旋轉機械裝置110的機台資訊，例如旋轉機械裝置110中旋轉機構(例如旋轉機構112)的運作狀態或旋轉機械裝置110產生的噪音對應系統狀態的評估等即時狀態表徵。

顯示介面170提供使用者介面，其用以顯示處理器150分析產生的旋轉機械裝置110的運轉狀態資訊、機台資訊、異常狀態資訊或警示訊息。例如，在一般情況下，顯示介面170可以顯示監控系統100所監測到的旋轉機械裝置110運轉狀態資訊或機台資訊，以便利操作人員隨時掌握機台運轉狀態。特別是，在本發明之一實施例中，顯示介面170也可以與廠房中央監控系統結合，並透過匯流排(例如USB匯流排)來即時傳輸運轉狀態資訊或機台資訊，以達到即時且全方位的監控任務。而當監控系統100監測到旋轉機械裝置110中的某一部份或某些構件出現異常徵狀時，處理器150會控制顯示介面170顯示相應的異常狀態資訊，並發出警示訊息。

在本實施例中，發出警示訊息的方式可藉由警示裝置發出警示音或警示燈號的方式來實施。換言之，當監控系統100監測到旋轉機械裝置110中的某一部份或某些構件出現異常徵狀時，警示裝置可由蜂鳴器發出警示音，或者由監控螢幕或燈號裝置顯示警示燈號，以提醒操作人員即時檢查被偵測出異常的構件。

然而，本發明提出的數據接收器還可以接收旋轉機械裝置的電熱偶(Thermocouple)信號，以更精確的對異常部位作識別。請接續參照圖4，圖4為根據本發明之另一實施例所繪示之監控系統示意圖。監控系統400包括數據接收器430、處理器450以及顯示介面470。類似於圖1，監控系統400是用來監控旋轉機械裝置410的整體運轉狀態。在此需注意的是，在監控系統400中，顯示介面470類似於圖1的顯示介面170，故在此不再對其贅述。而數據接收器430包括轉速偵測器432、振動信號偵測器434、聲音接收器436以及溫度偵測器438，其中，轉速偵測器432、振動信號偵測器434以及聲音接收器436分別類似於圖2的轉速偵測器132、振動信號偵測器134以及聲音接收器136，故在此僅針對溫度偵測器438作說明。

溫度偵測器438耦接旋轉機械裝置410，用來依據偵測旋轉機械裝置410的溫度VT來產生電熱偶信號ST。在本實施例中，溫度偵測器438可以是電熱偶計(Thermocouple Thermometer)等溫度偵測裝置，且本發明不對其限制。

處理器450耦接數據接收器430(包括轉速偵測器432、振動信號偵測器434、聲音接收器436以及溫度偵測器438)。處理器450可以接收轉速信號SS、聲學信號SV、振動信號SA以及電熱偶信號ST。

在本實施例中，處理器450依據轉速信號SS、聲學信號SV與振動信號SA配合電熱偶信號ST來產生振動特徵CA以及聲學特徵CV，並針對振動特徵CA以及聲學特徵CV進行參數識別分類，藉以獲得旋轉機械裝置310的運轉狀態資訊。在本實施例中，處理器450可以是中央處理器或控制器晶片所建構，本發明並不對處理器150作限制。

具體來說，處理器450藉由階次追蹤技術以及貝氏分類理論來對轉速信號SS、聲學信號SV以及振動信號SA進行特徵參數萃取以及參數識別分類，藉以產生階次能量識別結果。然後處理器450將此階次能量識別結果與電熱偶信號ST作特徵比對，以更精確的確認出現異常徵狀的構件位置與出現異常的可能原因。

換言之，本實施例藉由旋轉機械裝置410本身的電熱偶之特性，以提前得知旋轉機械裝置410是否有異常的工作溫度，並依據轉速信號SS、聲學信號SV以及振動信號SA的階次分析結果，來進一步識別出現異常徵狀的構件位置、異常原因甚至損壞程度。

請參照圖5，圖5為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的監控方法的流程示意圖。

在步驟S510中，獲得旋轉機械裝置的轉速信號、聲學信號以及振動信號。在步驟S530中，依據轉速信號、聲學信號以及振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵。在步驟S550中，針對振動特徵以及聲學特徵進行貝氏分類，並藉以獲得旋轉機械裝置的運轉狀態資訊。

在此需注意的是，對於上述方法，由上述的實施例可獲得足夠的教示、建議與實施說明，在此不再贅述。

請參照圖6、圖7以及圖8，其中圖6為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的轉速與取樣時間的示意圖，圖7為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的功率與葉片通過頻率的示意圖，而圖8為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的震幅與取樣時間的示意圖。

如圖6所示，在取樣時間點T1，監控系統偵測到的旋轉機械裝置的轉速(即旋轉機構的轉速)開始上升，在取樣時間點T2，監控系統偵測到的旋轉機械裝置的轉速趨於穩定，而在取樣時間點T3，監控系統所偵測到的旋轉機械裝置的轉速則逐漸下降。而如圖7所示，在時間區間TR1、TR2以及TR3中，旋轉機械裝置產生的功率明顯的提高。而在圖8中，虛線代表旋轉機械裝置在正常情況下的振幅分佈曲線，而實線代表旋轉機械裝置在異常情況時的振幅分佈曲線。

以本發明的監控系統的角度來看，依據圖6(轉速信號)、圖7(聲學信號)以及圖8(振動信號)，監控系統可以分析並識別這些信號所分別具有的特徵(例如正常特徵或異常特徵)，並據以對旋轉機械裝置的運轉狀態作即時監控，以及在旋轉機械裝置的構件損壞前，提前警示操作人員以對出現異常徵狀的構件作排程檢修。

綜上所述，本發明實施例的旋轉機械裝置的監控方法以及監控系統，藉由偵測旋轉機械裝置的轉速信號、聲學信號以及振動信號來產生振動特徵以及聲學特徵，並針對振動特徵以及聲學特徵進行貝氏分類，藉以獲得旋轉機械裝置的運轉狀態資訊。藉此，有效地提前偵測出旋轉機械裝置的異常徵狀，並可精確的辨識出現異常徵狀的構件。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、400．．．監控系統

110、410．．．旋轉機械裝置

130、430．．．數據接收器

132、432．．．轉速偵測器

134、434．．．振動信號偵測器

136、436．．．聲音接收器

150、450．．．處理器

170、470．．．顯示介面

352．．．貝氏分類器

438．．．溫度偵測器

CA．．．振動特徵

CV．．．聲學特徵

PCSA．．．振動信號特徵參數

PCSV．．．聲學信號特徵參數

S510~S550．．．步驟

SA．．．振動信號

SS．．．轉速信號

SV．．．聲學信號

T1、T2、T3．．．取樣時間點

TR1、TR2、TR3．．．時間區間

VA．．．振動幅度

VS．．．旋轉速度

VV．．．聲音

圖1為根據本發明之一實施例所繪示之監控系統示意圖。

圖2為根據本發明之一範例實施例所繪示之數據接收器的示意圖。

圖3為根據本發明之一實施例所繪示之貝氏分類器的示意圖。

圖4為根據本發明之另一實施例所繪示之監控系統示意圖。

圖5為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的監控方法的流程示意圖。

圖6為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的轉速與取樣時間的示意圖。

圖7為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的功率與葉片通過頻率的示意圖。

圖8為根據本發明之一實施例所繪示之旋轉機械裝置的振幅與取樣時間的示意圖。

100．．．監控系統

110．．．旋轉機械裝置

130．．．數據接收器

150．．．處理器

170．．．顯示介面

SA．．．振動信號

SS．．．轉速信號

SV．．．聲學信號

Claims (10)

1. 一種監控系統，適用於一旋轉機械裝置，包括：一數據接收器，耦接該旋轉機械裝置，接收該旋轉機械裝置的一電熱偶信號、一轉速信號、一聲學信號以及一振動信號；以及一處理器，耦接該數據接收器，該處理器接收並依據該電熱偶信號、該轉速信號、該聲學信號以及該振動信號來產生一振動特徵以及一聲學特徵，該處理器並針對該振動特徵以及該聲學特徵進行一貝氏分類，並藉以獲得該旋轉機械裝置的一運轉狀態資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之監控系統，其中該處理器藉由一階次追蹤技術來針對該聲學信號以及該振動信號進行特徵參數萃取以分別產生一聲學信號特徵參數以及一振動信號特徵參數，該處理器並分別針對該聲學信號特徵參數以及該振動信號特徵參數配合該電熱偶信號與該轉速信號來產生該振動特徵以及該聲學特徵。
3. 如申請專利範圍第2項所述之監控系統，其中該處理器更包括依據該聲學信號特徵參數、該振動信號特徵參數、該電熱偶信號以及該轉速信號來建立該旋轉機械裝置的一機台資訊。
4. 如申請專利範圍第2項所述之監控系統，其中該數據接收器包括：一聲音接收器，耦接該旋轉機械裝置，接收該旋轉機械裝置上的聲音以產生該聲學信號； 一振動信號偵測器，耦接該旋轉機械裝置以依據該旋轉機械裝置的振動幅度來產生該振動信號；以及一轉速偵測器，耦接該旋轉機械裝置的一旋轉機構，用以偵測該旋轉機構的旋轉速度以產生該轉速信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之監控系統，其中該數據接收器更包括：一溫度偵測器，耦接該旋轉機械裝置，依據偵測該旋轉機械裝置的溫度來產生該電熱偶信號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之監控系統，其中該處理器更依據該運轉狀態資訊來產生一警示信號。
7. 一種旋轉機械裝置的監控方法，包括：獲得該旋轉機械裝置的一電熱偶信號、一轉速信號、一聲學信號以及一振動信號；依據該電熱偶信號、該轉速信號、該聲學信號以及該振動信號來產生一振動特徵以及一聲學特徵；以及針對該振動特徵以及該聲學特徵進行一貝氏分類，並藉以獲得該旋轉機械裝置的一運轉狀態資訊。
8. 如申請專利範圍第7項所述之旋轉機械裝置的監控方法，其中依據該電熱偶信號、該轉速信號、該聲學信號以及該振動信號來產生該振動特徵以及該聲學特徵的步驟包括：藉由一階次追蹤技術來針對該聲學信號以及該振動信號進行特徵參數萃取以分別產生一聲學信號特徵參數以及一振動信號特徵參數，並分別針對該聲學信號特徵參數以及該振動 信號特徵參數配合該電熱偶信號與該轉速信號來產生該振動特徵以及該聲學特徵。
9. 如申請專利範圍第8項所述之旋轉機械裝置的監控方法，其中依據該電熱偶信號、該轉速信號、該聲學信號以及該振動信號來產生該振動特徵以及該聲學特徵的步驟更包括：依據該聲學信號特徵參數、該振動信號特徵參數、該電熱偶信號以及該轉速信號來建立該旋轉機械裝置的一機台資訊。
10. 如申請專利範圍第7項所述之旋轉機械裝置的監控方法，其中更包括：依據該運轉狀態資訊來產生一警示信號。