CN1878038A - 无线模块化监视和保护系统拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于监视机器系统各点处的动态数据的系统。该监视系统包括与每个监视点处的传感器相关联的监视组。还可提供与监视模块通信的遥控和监视设备。这些监视模块是为在它们之间和之中进行的无线通信而配置的。这些模块还可与远程设备无线地通信。在可用的场合，某些组件可由常规布线连接，诸如电源。由此，可适应远距离的监视点、以及低成本或重要性较低的监视点，而无需因模块之间的网络布线而增加成本和复杂性。

Description

无线模块化监视和保护系统拓扑结构

相关申请的参照

本申请是以Bibelhausen等人的名义于2002年5月13日提交的美国专利申请第10/144,471号的接续专利申请。

技术领域

本发明一般涉及工业设置中使用的类型的监视和保护系统的领域。更具体地，本发明涉及缓解各机器位置之间以及机器位置与中央监视系统之间复杂和繁冗的布线需要的一种无线安排。

背景技术

监视和保护系统在整个工业设置范围中无处不在。例如，在许多机器应用中，监视设备的动态操作条件来确定适当的操作状态，来预报并避免问题和故障等等。此类系统还被用来控制过程，以及在故障或失灵的情况下保护机器。在大型机器设置中，可能在邻近机器系统中要检测和监视动态条件的点的位置处提供特定监视器。每个位置处的监视设备通常被连接到相关联的传感器或换能器，它们生成表示所关注的条件的信号。机壳内各个位置处的监视器经由底板相互通信，并可被配备成与该机器系统中的其它模块或与远程设备通信。

在机器的各个位置使用大量传感器或换能器的场合，布线可能会变得极度繁冗。特别是每个换能器或传感器一般要经由专用电线或电缆链接到本地监视器。在监视器被串联或是在机器系统周围聚成网络的场合，各个位置之间可能需要多束电线或是线束。此外，如在许多工业过程中常见的，在不同机器位置的监视器被链接到中央监视站的场合，在模块组与中央监视站之间必须提供其它单独的电缆布线或电缆线束。

上述类型的现有联网监视和保护拓扑结构有严重的缺点。例如，不同位置处的显示器之间使用单独的电线或电缆布线可能会显著增加系统的成本和复杂性。在安装时，并且在任何后续的维修或故障检修操作中，技术人员通常必须将单独的机壳内的大量电线终接，并确保所有的电缆布线都被正确地终接以提供所需的功能。类似地，在各个机壳与中央监视站之间，电缆布线可能非常复杂，并且电缆布线的定线和终接可能成本很高并且非常耗时。尽管已经尝试简化此类系统中的某些数据通信，但是仍然需要额外的进步，尤其是在在机器系统中各单独位置使用专用或模块化监视器的类型的动态条件监视系统中。

此外，已经发现监视复杂系统或设备中的某些点的成本可能超过了对此类监视的需要。即，在常规有线数据点的成本的假定下，只好不对本来需要或是用得着监视的许多点进行监视。在一些设备中，经特殊训练的人员可周期性地将传感器放在这些重要性略低的监视点处来收集数据。但是，这些解决方案不能以有用的时间间隔提供数据，并且随着时间推移也导致越来越高的监视成本。

因此，需要一种在监视和保护应用中使用的改良的系统拓扑结构。特别需要一种允许将专门的监视器放在复杂的或大型的机器系统中的所需点处或附近、并且与此同时便于在单独的监视器或监视器组之间、以及在这些监视器或监视器组与中央监视站之间路由数据的拓扑结构。

发明内容

本发明为监视和保护系统拓扑结构提供一种设计成响应此类需求的新颖方法。该系统可在很大范围的设置中使用，但特别适用于要监视特定动态条件、并在机器系统中的独立位置处提供保护的应用。如本文中所使用的，术语“动态条件监视”一般是指对机器系统的物理条件或参数的监视，诸如振动、旋转、速度、温度等等。在机器系统中的单独位置处提供了模块的场合，这些模块适应于各模块或模块组之间数据的无线交换。无线网络可仅允许原始数据的交换，或是如在某些优选实施例中那样，可允许警告、限制、经处理的数据等的交换。各个监视器还被配置成通过使用诸如开放式工业数据交换协议等与远程监视设备无线地通信。由此，消除或大大减少了整个系统中远程监视器之间的布线。

可使用相同的无线通信技术来将一个或多个监视模块或模块组与远程中央监视站链接。在系统内，同样是经由无线通信技术，能以各种拓扑结构来链接中央监视站。例如，可使用相同的无线协议和网络协议来将模块组链接到远程或中央监视站。此外，通过对开放式工业数据交换协议的使用，也大大方便了特定位置处或组内的模块之间、各模块组之间、以及模块或模块组与中央监视站之间的通信。所得的拓扑结构既是简单、高度自适应的，又是高度模块化的。

附图说明

阅读以下详细描述并参考附图后，本发明的前述及其它优点和特征将会变得明显，附图中：

图1是使用根据本技术的各方面的模块监视和保护系统的机器系统的图示概观；

图2是在图1中所示类型的机器系统中使用的模块和相关设备的示例性拓扑结构；

图3是组中一系列相关联模块的图示；

图4是机外壳内诸如处于所需机器位置等的模块的示例性物理配置；

图5是用于在经由本技术与相似接口和模块通信的标准接口上接受监视模块的示例性模块实现的立体图；

图6是用于执行监视和/或保护功能的模块的示例性功能组件的图示；

图7A是诸如振动数据等指示可实现和使用各种警告设置的方式的动态参数数据的图形表示；

图7B是用于诸如在所监视的系统启动或关闭期间倍乘或提高某些警告设置的技术的图形表示；

图8是根据本技术的各方面在诸如用于更加复杂的投票逻辑方案等一系列监视器和中继模块中的程序设置之间的相互作用的图示；以及

图9是示出根据本技术的各方面用于对模块内的配置设置进行编程或重新编程的示例性过程的流程图。

具体实施方式

现在转到附图，并首先参考图1，图示出应用于示例性机器系统12的无线监视和保护系统10的图示概观。监视和保护系统10特别适用于检测、监视和控制机器系统的大范围的动态操作参数。特别地，该系统很适合各种类型的旋转设备，尽管也可为本技术的某些方面设想其它的应用。如本文中所使用的，术语“动态操作条件”或是对动态条件的引用一般旨在传达机器系统的物理条件或参数，这与例如电条件相反。动态条件可包括诸如振动、旋转、速度、温度、压力等特征。

监视和保护系统10被设计成允许在沿机器系统的各个点处选择性地监视动态操作条件和参数。一般而言，这些点对应于可感测到此类参数的位置，并且可以是彼此分离的、独立的或相离很远的。在图1所示的实现中，例如，机械系统12一般表示发电系统，其中为信息、保护和控制目的，在连续的基础上对大范围的动态操作条件进行监视。由此，监视和保护系统10包括架设在靠近机器系统的各个点处或这些点上、用来检测所需的动态操作条件的一系列传感器、检测器或换能器14。通信线16从各个传感器和换能器延伸到监视组合件18。

监视组合件可被放在紧邻、邻近或是相对接近各个被监视的位置或点的地方，并且无需如某些迄今所知的系统中那样被分组。监视组合件中将在以下详细描述的某些组合件可经由主机20无线地链接。主机，或直接称为监视组合件，可被无线地链接到中央或远程监视站22和24，这些监视站可以都在一个车间或工厂内，或可远离该车间或工厂。通常，监视组合件18将被架设在非常邻近被监视的特定点或位置的地方，而主机(若有)将被安置在靠近监视器组或是邻近监视组合件的地方。通常在诸如控制室等所需的车间位置提供用于编程、监视、保护和控制功能的中央或远程监视站。

在图1所示的示例性机械系统12中，旋转轴26连接该系统的一系列功能部分，包括高压涡轮部分28、低压涡轮部分30、发电机32和励磁机34。如本领域的技术人员所理解的，轴及该系统的各个部件由一系列轴承36支撑。其它部件明显可被包括在该系统中，尽管图1的表示为解释目的而故意进行了简化。

贯穿本讨论，应当记住，图1的涡轮机械系统只不过是一种应用的示例。本技术可被应用于很大范围的工业设置，包括物料输送应用、生产设备、装配站和装配线等等。此外，该机械系统的各个部件无需由单个轴连接，而是可以是完全不同的，并且在整个系统设计中仅在功能上连接。但是，在涡轮系统的情形中，各个传感器、换能器、监视器及该系统的其它部件可构成涡轮监督仪表系统的一部分。

监视和保护系统10的各个传感器和换能器14可基于检测到的动态操作条件而产生很大范围的信号。每个传感器或换能器14生成经由通信线16施加于每个监视组合件18内的监视器的一个或多个信号。各个换能器可以是有源的或无源的，并可经由通信线接收操作所需的电力。作为示例，图1的被测量的涡轮系统的传感器和换能器可检测诸如阀位置和外罩膨胀(如图1中左上角所图示的)、离心率、X和Y方向的轴承绝对外罩振动、不均匀膨胀、旋转速度、旋转相位等的动态操作条件。本领域技术人员将会注意到，为这些目的可使用各种传感器和换能器，包括线性可变差动变压器、非接触式拾音器、旋转电位计、加速计等等。实际上，在本实现中，监视组合件内的监视器的特定配置包括被设计成耦合到转速计和加速计的特别改装的振动监视器。取决于应用，这些加速计可检测例如指示轴、外罩或导框的振动的信号。

监视组合件18一般用于接收、处理、报告传感器和换能器所供应的信号以及对其施加作用。例如，组合件内的特定监视器可处理输入信号以产生用于分析该机械系统的性能或操作条件的振动数据。在需要的场合，并如以下更加完整地讨论的，此类型的特定处理可经由每个或某些监视组合件的监视器来实现，并可为该设备提供闭环保护，诸如对该系统的数个或单个部件进行激励或去激励等。如本领域技术人员将会理解的，某些受监视的动态操作条件可能显著地指示异常和有害条件，诸如磨损、濒临故障、失衡、过载等等。同样如以下将更加完整地讨论的，监视组合件内的某些监视器可被设计成激励或去激励内部或外部继电器或是类似的开关，以允许快速控制和保护功能。应当注意，如本文中所使用的，术语“继电器”一般是指可由监视模块控制的各种开关设备，诸如常规的电磁设备、固态设备、以及其它开关系统。

除了每个监视组合件的监视器内的处理和分析以外，每个监视组合件一般还可为外部设备提供输出，如图1中参考标号38处所示。输出可包括能被施加于诸如发动机、警报器、灯、阀门等专用部件的电信号。这些输出是基于监视模块所执行的监视和分析功能，并根据各个模块的编程，用来自诸如其它监视组合件模块等远程设备或是中央或远程监视站的输入来生成的。

如在以下更加完整地描述的，系统10的各个部件之间和之中的许多通信是无线地执行的。即，为这些设备之间的通信信号使用无线通信技术。如以下所描述，对于输出38以及监视组之间、和监视组与远程监视或控制设备之间的通信是这样的。然而，在该系统的某些部分中仍可能使用常规系统中使用的某些布线。例如，在目前构想的实施例中，线16仍然是有线的，以便向各个传感器提供电力和数据。同样在本实施例中，监视组可被配置成有线传感器以系留方式从其发散的集线器。但是，可将每个监视分组配备成便于对从这些传感器收集的原始或经处理信号进行无线通信。

本文中所描述的无线通信可根据任何适合的无线技术来进行。例如，满足该系统需求的本无线标准可包括ZIGBE、IEEE 802.11、蓝牙等等。目前适用的、或是即将适用的其它技术包括蜂窝电话技术。对于远距离通信，这些技术可包括跳点(point hopping)技术，其中监视模块被调度为休眠和苏醒以在预定基础上发送和接收信号。此类技术将允许更远距离的无线通信，还将降低驱动监视设备和传感器所需的功率。

同样如在以下更加完整地描述的，本技术的监视器或监视模块利用开放式工业数据交换协议来进行每个监视组合件内各监视模块之间、以及不同监视组合件的模块之间的信息交换，并可使用同一协议来与诸如主机和中央或远程监视站等远程设备进行数据交换。如本文中所使用的，术语“开放式工业数据交换协议”一般是指用于在独立设备之间格式化和发送数据话务的基于非专有和不收费的方案。已开发了各种此类协议，并且它们目前可用，包括一般在工业领域指定的如DeviceNet、ControlNet、Profibus和Modbus等协议。某些此类协议可由工业协会或团体管理，以确保它们的开放特性，并便于符合诸如开放式DeviceNet厂商协会(OpenDeviceNet Vendors Association)等协议标准。已经发现，为模块之间、组合件之间、以及远程设备与模块和组合件之间部分或全部的通信使用标准开放式工业数据交换协议大大地提高了本发明在各种设置中的可交换性和适用性。此外，如将在以下更加完整地描述的，开放式工业数据交换协议的使用允许以完全模块化和独立的方式容易地对接各个监视模块而无需使用传统的底板体系结构。

由于使用了开放式工业数据交换协议，各监视组合件、以及组合件内的各个模块可经由无线通信相互链接，如图1中监视组合件18和主机20之间所示的参考标号40所指示的。还可在每个监视组合件内、以及在各组合件之间路由类似的无线通信。如在本系统中等可在某些位置提供数据和电力的场合，可使用诸如四导体电缆等常规网络介质。例如，可经由此类电缆布线与各个传感器交换数据或向其提供电力。在本实施例中，在使用该介质的场合，该介质可包括被部署在扁平的绝缘护套中的电力和数据导体，其中护套被设计成通过常规终接和通过绝缘位移连接器把这些导体与设备对接。此外，无线通信42起到将监视组合件或主机与远程监视设备链接的作用。

本领域技术人员将会认识到，本技术所提供的拓扑结构在监视器和监视分组之间和之中直接的无线通信方面提供了与众不同的优点。例如，常规的传感器或换能器布线可被路由到各个监视组合件，而各监视器之间的通信是无线的，并可通过使用开放式工业数据交换协议以及通过如下对接各个模块来简化常规布线。此外，由于该拓扑结构中监视模块和监视组合件的分散或分布特性，可将各个监视模块和组合件本地放置在机器系统中所关注的特定点处，而无需将复杂和大量的物理介质路由到中央站或中央库来与常规的基于底板的监视组合件对接。

各种集中或远程的监视站22和24可包括任何适合的设备，诸如通用或专用计算机44、监视器46、接口设备48以及输出设备50等。尽管图1中图示出简单的计算机系统，但是本领域技术人员将会认识到，集中或远程的监视站可包括高度复杂的分析设备、日志记录设备、操作员接口站、控制室、控制中心等等。如上文所提及的，尽管通常将在应用处或附近提供至少一个此类监视站，但是可在全然远离该应用的地方提供其它站，用于从全然远程的接入点监视工厂、生产线、生产设备、离岸设备等等。本无线监视技术允许对监视点进行此类不同的定位，以及监视否则将由于将布线路由到各位置的成本而无法监视的点。如上文所提及，本技术可利用跳点技术通过其它监视模块的中介来无线地传递来自远程监视模块的信号。

图2示出根据本技术的方面的监视和保护系统10的示例性拓扑结构。在图2的拓扑结构中，在组52、54、56、58和60中，各模块化监视器被相互关联。每个组可包含最少至单个监视器、最多达该机器系统所需关注点处所需的相关联的监视器。同样，在图2中由参考标号62统指的单独监视器被设计成相互之间无线地并根据开放式工业数据交换协议来传递数据，并且它们被单独架设和对接，而不使用常规的通信底板。监视模块组还可包括一个或多个网关，它们被配置成接收或监视来自监视模块的信号，并且无线地并根据相同或不同的数据交换协议向远程设备传达对应的信号。例如，网关64可根据不同的开放式工业数据交换协议来提供数据交换，从而允许在该系统内使用诸如两个或多个上文所提及的协议等多个此类协议。其它网关可提供简单对接的外部设备，包括可编程逻辑控制器或数字控制系统66。同样，这些组件之间的部分或所有通信是无线地执行的，从而减少了对电缆布线定线的需要。

由此，在总体拓扑结构中，某些监视设备或模块可能与诸如图2中由数据线68所示的PLC或DCS66等远程或中央监视和控制站直接通信。如数据线70处所示，还可向这些设备提供其它通信，诸如通过与监视组内适当的网关互连的分支线72等。类似地，网关64可提供根据诸如以太网或因特网协议等其它示例性协议的通信。在这些情形中，提供适当的通信线74，并且它们可与PLC或DCS 66、并与一个或多个主机20对接。在以太网或因特网协议的情形中，可提供远程线，以便提供与工厂内的设备和诸如经由因特网等与该工厂相距甚远的设备的数据交换。

如上文所提及，除了促进本系统真正的模块化特性而不依赖于常规的底板体系结构以外，使用开放式工业数据交换协议还便于监视组或组合件之间数据的交换。此类拓扑结构的好处将为本领域技术人员显见。例如，不用常规的底板可有效地降低整个系统的成本和大小，特别是在关注的特定位置使用少数监视模块的场合。此外，因为可容易地在沿机器系统的指定的关注位置处向系统添加一个或多个监视模块，所以整个系统拓扑结构本质上是可扩展和可收缩的，以适应特定的应用。此外，如上文所提及，在不同的和分离的监视组之间和之中使用无线通信而不是使用中央的托架式(rack-type)监视站大大地降低了整个系统、尤其是各个监视模块和其它组件之间的布线中互连的成本和复杂性。

如上文所提及的，在特定实现中，监视模块可执行所需的测量和处理功能，并可起到激励或去激励机器系统部件的作用。图3示出图1中所示的类型的监视组或组合件18内的数个监视模块。在所示的例子中，监视组合件18包括一系列监视模块76、78和80。所示实施例中的每个模块在线16接收输入信号，并包括对应的信号处理部分82以及继电器部分84。处理部分82包括用于接收、处理从各个传感器和换能器接收的信号并对其进行作用的电路。例如，在本实现中，处理包括诸如经由快速傅立叶变换来分析所接收的信号以确定振动数据。如将在以下更加完整地描述的，每个监视器可包括适用于这些功能的专门的处理器、以及用于存储处理例程中的配置参数的存储器电路。

基于此类处理，就能以上述方式产生并在输出88处提供用于控制诸如外部继电器、警报器、灯、发光二极管及其它设备的输出信号。本实施例中至少某些监视器还包括集成继电器84，它可以类似方式产生输出信号，用于诸如通过诸如发动机控制设备、起动机、阀门、指示灯、警报器等负载来完成或中断载流路径。已经发现，将继电器直接集成在能够大大靠近实际监视的关注点的监视模块中提供了极其快速的响应时间。特别地，已经发现，通过本监视系统设计和拓扑结构能很容易地符合诸如美国石油组织(API)标准670等保护设备的工业标准。

如上文所提及的，为避免对常规底板的需要，本系统的监视器和监视模块被设计成根据开放式工业数据交换协议来交换数据。实际上，称此协议提供系统的“主干”，这与常规系统的通信底板形成对比。由此，在监视模块之间提供由图3中的参考标号94统指的数据链路。可设想此类链路的各种物理配置。但是，根据本技术，此类链路是无线的。对于某些模块，还可经由常规的有线介质来进行通信，诸如通过使用如以下更加完整地描述的互连端基。由此，每个个别的模块适用于进行根据所采用的协议的数据交换。对于有线设备和监视模块，监视组合件18还可包括电源92、它通常提供恒定电压DC电力，通常在24伏左右。或者，当使用无线介质来进行通信时，每个监视模块可包括其自身的电源。可为此类电源使用任何适用的技术，诸如电池、太阳能或其它光转换元件，或甚至常规的有线电源。应当注意，在后一种情形中，各监视模块仍然无线地通信，尽管是经由常规布线向它们提供电力。然而此类情形中的无线通信减少了各模块之间和之中布线的需要。

为了允许将信号路由到外部设备，可在监视组合件内提供一个或多个通信电路96。例如，在前述安排中，通信电路96包括用来将数据经由模块之间使用的相同的开放式工业数据交换协议、或经由不同的协议而传送到远程位置的网关。应当注意，在该组合件中可提供大范围的其它设备。监视器本身可被专门改装为适用于某些功能，包括振动监视、速度监视、温度监视、压力监视等等。由此，其它设备可包括继电器模块，它们包括由监视器控制的一个或多个单独的继电器电路、以及诸如图3中参考标号100处所示的探测器驱动器。此类探测器驱动器通常为连接到各个监视器的探测器或传感器102提供电力。尽管在图3中被示为有线的，但是此类电路也可无线地通信。

如上文所提及，本监视系统设计和拓扑结构促进了机器系统到处的关注点处的独立和模块化的监视器的自由关联，以便监视和控制动态操作条件。图4示出在机器位置处系统的一个此类分组或组合件的典型安装。在本实施例中，各个监视器和相关联的设备被改装成便于架设在诸如常规的NEMA外壳等外壳104中。面板106起到诸如通过使用DIN轨108来机械地架设各个设备的作用。

在图4中所示的实施例中，组合件18的组件包括诸如振动监视器等监视模块110、一个或多个端基112、网关114、信号条件作用模块116和继电器模块118。电源92经由适当的电力导体耦合到继电器模块以及监视模块和网关。每个模块适当地调节和调整从电源接收的电力。可包括诸如监视模块和继电器模块等的各个基等多个端基的端基112起到接收终接导体的作用，用于路由往来诸如传感器、换能器和诸如继电器、灯、警报器等受控设备等各模块的信号。由此可通过沿单线或经由端基互连的组添加其它监视、继电器或其它模块，或由经由常规网络介质在该位置处与各模块互连的后续组来扩展或收缩机器系统中每个关注点处的组合件。由此，网关和信号调节电路包括无线通信电路，它起到将组合件或组的各个模块与不同组合件或组的其它模块互连，或直接与中央或远程监视站或主机互连的作用。

图5示出实际的监视模块76机器端基的简化立体图。在图5的示意中，端基120起到将模块机械地架设在诸如DIN轨等支持结构上的作用。提供终端122是用于终接诸如用来发送往来监视模块的信号的数据和电力导体。可在数层124中提供终端以便于大量终接的使用，在本实施例中为每个端基提供了52个此类终接。在端基提供用于接收监视模块110的接口126。接口126包括监视模块所需的各种电力和信号线的连接，而监视模块包括沿其底边处的类似的电接口。由此，监视模块接口128仅仅只要插入端基就能完成所有必需的连接。为将组或组合件的各个监视、继电器及其它模块对接，提供端基接口130。在图5的示例中，接口130是可从端基的侧表面扩展和缩回的，并且当被扩展时，插入类似端基的反面的相容插座。然后经由相应的端基在接口模块之间提供根据开放式工业数据交换协议的数据交换的必要连接。

如上文所提及的，单独的监视模块包括被设计成允许它们从传感器和换能器接收信号，以及根据预定例程处理这些信号并对它们进行作用的电路。图6示出根据本技术的监视模块内的功能电路的示例性配置。如图6中所示，监视模块处理电路82包括CPU 132，它被设计成实现数据管理功能、协调数据交换、以及控制某些处理功能。模数转换器134接收参考标号16所指示的输入信号，将输入信号转换为数字信号，并将这些信号应用于CPU 132或DPS 140。在本实施例中，24比特、每秒9.6万次采样的转换器为监视模块内进行的计算提供极高的分辨率，尽管也可使用其它采样速率。类似地，数模转换器136从CPU 132接收数字信号，并提供参考标号88所示的用于监视、分析或记录系统的输出信号。存储器电路138存储配置参数和编码，以及由CPU 132实现的例程。这些例程可包括对所接收的信号的分析，以便确定包括振动概况等如以下将更加完整地描述的振动数据。该例程还可包括用于分析和比较数据来预设警报限制或咨询限制的代码。此外，存储在存储器电路138内的处理代码可允许对各个信号或值电平、标志、警报或警告、以及单个监视器内的类似参数的比较、或是与从其它监视器或远程监视和控制设备接收到的信号的比较，以便定义用于激励或去激励该系统内的设备的选举逻辑。

应当注意，各种各样的配置参数可被存储在每个监视模块中。例如，传感器或换能器参数可包括换能器的类型、它的敏感度、测量单位、低和高故障设置、DC偏时参数等等。在振动监视模块中，参数设置可包括诸如通道名称(对应于所提供的多个通道中的每一个)、输出数据单位、高通滤波器设置、满标设置、采样模式设置(例如，同步或异步)等设置。还可为诸如RMS计算、峰值计算、峰-峰计算、总时间参数计算、阻尼因数计算以及各种频谱和时间波形参数等设置总的测量参数。后者可包括诸如最大频率、频谱测量中的线数或子信道(bin)数等值、波形的周期、波形测量中的采样数、以及窗口类型(例如，Hanning窗、矩形窗、Hamming窗、平顶窗和Kaiser Bessel窗)。还可设置频带测量参数，诸如RSS和峰值信号检测设置、频带中的最小和最大频率等等。类似地，可为速度或转速计设置提供各种设置，诸如平均、每转脉冲数、触发模等等。

除了前述电路以外，某些监视器可包括如图6中所示的专用数字信号处理器140。例如，在本实施例中，提供了用于实现某些分析功能的专用数字信号处理器，它在监视模块中所提供的信号处理中是CPU 132的补充。在本实施例中，从由监视模块接收的信号得出振动数据。模数转换器134接收条件信号，并将这些信号如在本实施例中那样直接地，或诸如经由CPU那样间接地施加于数字信号处理器140。可通过诸如应用分析例程等来对信号执行专用处理，这些分析例程可包括快速傅立叶变换，目的是建立所关注的范围的速度或频率上的振动概况。

在本实施例中，CPU 132为诸如监视模块和存储器电路的配置执行诸如通信控制等(包括总线上的数据话务、串行通信的控制)功能，控制存储器的使用，并处理来自数字信号处理器140的数据。CPU还可控制诸如设备加电或去电、控制继电器电路或其它内部或外部设备等功能。已经发现，在提供了数字信号处理器140的场合，它结合了CPU 132的处理能力就能在能够执行的计算、以及能够执行此类计算的速度方面大大地提高监视模块的性能。如本领域技术人员将会理解，处理能力中的这些增益能够大大增加模块在动态操作条件中对快速变化的响应度。

可在监视模块内提供的其它电路包括图6中示出的内部继电器142。尽管该电路也可由诸如上述的个体继电器模块等外部电路补足，但是提供内部继电器电路允许监视模块能执行非常迅速的、本地闭环的保护功能。存储在存储器电路138中并由CPU 132执行的代码可包括将诸如振动数据、速度数据、温度数据、压力数据等等经处理数据与预设或操作员可配置的限制或范围来进行本地比较。在达到这一限制的场合，可由集成的继电器电路提供极快的响应，而该电路的状态可由CPU132快速地改变。

CPU 132还可实现这样的代码，它响应于从诸如其它模块和中央处理电路等远程源接收的信号而引起继电器电路的状态的改变。由此，实际上，监视模块可在多级处实现保护或控制循环。首先，在本地级，CPU可因为所检测到的操作条件的改变，并通过将其与所需等级或范围比较，来极快地改变继电器电路的操作状态。在更广泛、更远程的控制循环中，通过从远程位置发送继电器电路操作的命令，并仅由CPU、或由CPU协同本地产生的分析数据来实现，至少可部分远程地处理和分析输入信号。

较佳的是，每个监视模块中包括诸如控制区域网络电路144等通信电路，以允许根据所需协议格式化、发送和接收数据。如上文所提及，较佳的是，本监视模块经由开放式工业数据交换协议与其它模块、并与外部电路通信。

如上文所提及的，本文中所讨论的技术和监视模块设计的本实现适应于振动数据的分析。该振动数据可以是机械系统监视、控制和保护中的关键组成部分。在本实现中，基于从加速计和转速计获得的多个通道的信号，可在专用振动监视器中生成振动概况。振动监视器内的电路执行任何适合的分析来生成可作为振动概况呈现的振动数据。可在该监视模块内，以及与其它监视模块和控制设备协作地建立警报或警告范围、限制、等级等等，并将它们与监视、保护和控制功能的振动数据结合。

图7A表示示例性振动概况，以及能以此方式使用的某些振动频带和警报等级。在图7A由参考标号146统指的图示中，在沿轴150的各个频率处，显示了由轴148指示的振动幅度。可通过参考设备的实际操作频率来将这些频率分成所需的频带，诸如参考标号152处所示。即，可为分析目的建立频带，它们在所关注的频率范围(包括交叠或分隔的频带)上的任何合适的点处被分割。实际的频率概况154扩展到越过频带152的范围，并通常会根据机器系统的特性和特征而显示出一定范围的幅度。如本领域技术人员将会理解的，例如，典型的旋转机器系统将显示导致到达峰值的提高的振动幅度的某些自然频率，如图7A中参考标号156处所统指的。

迄今所知的用于分析机器振动的设备通常提供非常有限的将振动数据与定义不可接收或不合需要的条件相比较的能力。在本技术中，可由用户通过存储在以上参考图6所描述的存储器电路138内的可配置参数来设置大量警报限制。图7A示出由参考标号158统指的若干此类警报限制。

图7A中所示的警报限制具有若干值得关注和特别有用的特征。第一，可为不同的频带设置不同的警报等级，还可设置不同频带的限制，以便允许基于各个系统典型或所需的频率响应，来向它们的监视和保护功能进行具体的定制。此外，可由操作员为每个频带和为多个频带设置多个警报等级。由此，可配置警报等级以定义诸如最小和最大振动等级等范围。这些配置还允许以各种方式来使用警报等级。作为示例，达到某些警报等级可能仅导致报告，而达到更高的警报等级可能导致发声或显示警报，或导致激励或去激励继电器电路以启动或停止一台机器。例如，以此方式对振动数据进行的快速分析可被用来启动或停止电动发动机、开关阀门、照明灯、可听警报、等等。

图7B示出警报的其它特征及其在本技术中的使用。特别地，可为一个或所有警报器使用倍乘器来避免在操作期间(诸如启动或关闭)其它错误反馈的假警报。例如，在图7B的示意中，沿着时间轴151，如轨迹154统指的振动轨迹随振动幅度而改变，如轴149所示。还沿纵轴153示出了该系统的实际操作速度。由此，除了振动轨迹154之外，还示出了操作速度轨迹155。因此，在图7B中所示的轴的时间内，所监视的机器系统，或该机器系统的旋转部分被提速。如本领域技术人员将会理解的，机器系统通常会显出振动速度显著提高的一个或多个操作速度。由此，在图7B的示意中，当该机器系统被提速时(或反过来，当其被关闭时)形成了一个大的峰值。

如上文所提及的，在本技术的振动监视器实现中可配置数个警报等级。图7B中示出两个这样的警报等级157。本技术的警报倍乘器允许这些等级在操作的某些时段，特别是在启动和关闭期间被提高以避免假警报。在图7B的示意中，在跨越从RPM1到RPM2的速度范围的从t1到t2的时段期间，实现了倍乘器以将警报等级提高到等级159。由此，在此速度范围内出现的峰值将不会触发警报。可在速度基础、或在时间基础上实现此类倍乘器来避免此类假警报，而在预设的时间之后或在系统提到该速度以上时回到监视器中所配置的稳定状态警报等级。当然，还可设想倍乘器实现的其它方案。因此，倍乘器的使用允许本系统符合诸如API 670第5.4.2.5段和附录I等工业标准规范。

如已提及的，在结合本技术的方面的振动监视器的本实现中可配置数个警报和警告。例如，在当前实现中，振动监视模块中有两个通道可用，而每个通道有8个警报设置可用。可设置每个警报的编号和命名，以及用于启用和禁用每个警报的参数。响应警报设置的条件可包括“大于”、“小于”、“在范围内”、“在范围外”、以及对其中某些的各种阈值设置。还可提供滞后设置来防止假警报或防止清除警报。类似地，可设置阈值倍乘器和启动期来防止在启动或过渡期期间通过某些共振频率而产生的假警报。

如上文所提及，可将所存储并在每个监视模块内执行的代码与其它模块的代码或与远程控制设备结合，以创建非常灵活并可配置的选举逻辑结构。图8统示出可根据此模块性和可配置性建立的示例性拓扑结构或分层结构。由此，可将标号160统指的逻辑方案分布在诸如监视器162和集成的或物理地分开的继电器电路164等设备之中。监视器、继电器电路及对该选举逻辑起作用的任何其它设备可通过如上所述的无线通信通道40或42来耦合。由此，可将每个监视模块内的配置代码实现为包括用户可编程的，以解决由个别模块所产生的经分析的数据、以及来自其它模块的数据或信号。

在本实现中，可在每个模块内将某些条件编程，如参考标号166处统指的。这些条件可包括，作为示例，实际的参数等级或值、诸如是否已经超过警报或警报限制等条件、设备、传感器、换能器的特殊状态、或是其它输入等等。单是这些条件就可能足以命令集成或外部继电器电路的状态改变。但是，可将这些条件与受其它模块监视的其它条件结合，以定义组合逻辑和选举逻辑结构，它们被存储在单独的模块内，或如图8中所示，被存储在继电器电路内。在图8的示例中，继电器逻辑168可在实现状态改变之前合并来自两个或多个监视模块的信号，以向诸如一个监视模块而没有其它监视模块请求来自一个以上监视模块的特定信号，或可合并诸如电涌警告等多种类型的信号。一般而言，可令此类组合逻辑基于各监视模块内或继电器电路内编程的布尔逻辑条件。由于本系统的高度模块性机器基于开放式工业数据交换协议的拓扑结构，所以在初始安装系统时及在改变(即，扩展或收缩)系统时都可简单地实现和配置该选举逻辑。

作为特例，在本实现中，被设计成允许控制继电器的每个监视模块可存储用于标识和控制该设备的各种配置参数。这些可包括继电器的名称和编号、启用和禁用选择、以及闭锁设置(即，当引起警报的信号已结束时，继电器是否停留在警报状态)。其它设置可包括“故障保护”操作设置和激活延迟设置。可将每个监视模块内的选举逻辑设置基于布尔类型的逻辑，诸如“警报A或警报B”、“警报A和警报B”、或是“仅警报A”。基于此类条件，就能有多个激活选择来定义引起继电器激活的条件，诸如“正常”、“警告”、“危险”、“警报解除”、“换能器故障”、“模块故障”、以及“转速计故障”。

如上文所提及的，包括操作参数、用户可配置参数和值、警报限制、警告限制等在内的配置代码可被存储在处理、监视、保护和控制功能的每个监视模块内。在本实施例中，此类代码也可被存储在其它设备中以允许在监视模块被破坏、修理、替换的情况下重新配置各个监视器。本技术通过在主模块中存储单独的模块的预设参数来允许自动设备替换和重新配置，而单独的模块充当从模块。应当理解，在当前上下文中，主模块和从模块的指定不一定反映各个部件之间所建立的控制分层结构所执行的控制功能。相反，为重新配置的目的，该指定仅指示主模块存储配置参数，而在必要时，可在从模块中恢复配置参数。

图9一般标识实现该自动设备替换和重新配置的逻辑的某些步骤。在服务中已替换了个别监视模块以后，由参考标号170统指的逻辑开始。各监视模块根据如上所述的开放式工业数据交换协议在彼此中间通信。其中一个模块，或另一设备被指派为组中的主模块，而其它设备被指派为从模块。在本实施例中，在监视组中存在网关的场合，通常将网关作为主模块使用，而监视模块本身在重新配置方案中担任从模块的角色。在不存在此类网关、或在合乎需要的场合，某些监视模块可担任此过程中的主模块的角色。

在图9的概观中，逻辑170在步骤172开始，在此配置文件被加载到主模块，或在步骤174开始，在此主模块接收来自从模块的配置文件。在任一情形中，配置参数都可包括预设的参数值以及用户可配置的值。取决于监视模块的特性、以及它在系统中要实现的功能，这些用户可配置的值可能大不相同。但是，一般而言，一旦配置文件已被发送到主模块，则它被存储在主模块的存储器电路中，如参考标号176所示。

在本实施例中，文件的配置参数可包括监视模块所执行的处理、保护、控制和报告功能所需的特定参数。作为示例，配置参数可包括换能器设置、处理器设置、警报、比较限制、范围等等。如图9中由参考标号178统指的整个文件随即以冗余方式被存储在从模块和主模块中。

一经如此配置，即可允许该系统以其正常方式操作。在该操作期间，主模块周期性地轮询从模块或是通过某种其它方式来确定从模块是操作的和响应的。本领域中存在许多用于如此监视操作状态的技术。一旦如图9的判断框180所示地确定了从模块无响应，即由主模块检测其地址，如参考标号182所示。在总体系统体系结构中，各个从模块和主模块可以是独立的，并且根据开放式工业数据交换协议来具体定址。在步骤182，所检测到的地址允许主模块将变为无响应的设备与存储在其存储器中的配置文件相关。在特定监视模块或从模块被替换的情况下，从模块将接收诸如由主模块分配的新地址等，它可以是一系列可用地址中的特定地址。当新的或替换模块上线时，则主模块将基于从模块所报告的地址来确定该新模块是否为新的从模块，如参考标号184处所示。

在替换、重置、重新加电的情况下，或在会引起从模块中配置数据丢失的任何其它情况下，主模块一旦在图9的步骤184检测到新的从模块即可替换配置文件。在本实施例中，替换是通过如步骤186所示地向从模块分配新地址或替换地址来取代默认地址，并如步骤188所示地将存储在主模块内的配置文件加载到替换地址中来执行的。

在实际实现中，当在系统中替换了新模块或替换模块，或是相同的模块进行维修时，替换模块在默认地址上线。主模块将替换模块的地址从默认地址改为丢失的从模块的地址，即，改为所检测到的对应于无响应(例如，被移除)的模块的地址。主模块随即将对应于此地址的配置下载到替换模块中。或者，可用丢失模块的地址来将替换模块预编程。在此情况下，当替换模块在丢失模块的地址上线时，配置参数被主模块类似地下载。由此，包括特定警报限制、选举逻辑功能等所有必需的配置参数被恢复到所关注的监视模块。

尽管本发明易由各种修改和替换形式改变，但在附图中已示出了特定实施例，并在本文中仅作为示例而进行了详细的描述。但是，应当理解，并不旨在将本发明局限于所揭示的特定形式。相反，本发明将覆盖落入本发明的精神和范围之内的所有修改、等效方案以及替换方案，如所附权利要求书所定义。

Claims (22)

1.一种用于监视机器系统的动态操作条件的无线分布式系统，包括：

第一无线监视组，它包括用于检测所述机器系统的第一监视点处的动态操作条件的第一传感器，以及被耦合到所述第一监视点本地的传感器、用于处理来自所述第一传感器的信号的第一条件监视器；

第二无线监视组，它包括用于检测所述机器系统中远离所述第一监视点的第二监视点处的动态操作条件的第二传感器，以及被耦合到所述第二监视点本地的第二传感器、用于处理来自所述第二传感器的信号的第二条件监视器；

其中，所述第一和第二监视组是为根据预定的网络协议在其间进行的无线数据交换而配置的。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二监视组中每一个都包括由所述条件监视器基于相应的经处理的信号来控制的至少一个继电器。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个继电器被集成到相应的条件监视器中。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个继电器被并入相应的条件监视器本地的继电器模块中。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括中央监视站，它被配置成与所述第一和第二监视组无线地通信。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述中央监视站是为根据预定网络协议与所述第一和第二监视组进行的数据交换而配置的。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括无线主机监视器，它被配置成经由无线通信与所述第一和第二监视组交换数据。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主机监视器是为根据预定网络协议与所述第一和第二监视组进行数据交换而配置的。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述监视组包括多个条件监视器，所述多个条件监视器是为与远离的监视组进行无线数据交换而配置的。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述监视组包括被配置成根据预定网络协议交换数据的多个条件监视器。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预定网络协议是开放式工业数据交换协议。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个监视组包括用于为所述条件监视器或传感器供电的电源。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述条件监视器被配置成处理来自所述传感器的振动数据以确定振动概况，并至少部分地基于所述振动概况来控制继电器。

14.一种用于监视机器系统的动态操作条件的无线分布式系统，包括：

第一无线监视组，它包括用于检测所述机器系统的第一监视点处的动态操作条件的第一传感器，以及被耦合到所述第一监视点本地的传感器、以处理来自所述第一传感器的信号的第一条件监视器；

第二无线监视组，它包括用于检测所述机器系统中远离所述第一监视点的第二监视点处的动态操作条件的第二传感器，以及被耦合到所述第二监视点本地的第二传感器、用于处理来自所述第二传感器的信号的第二条件监视器；

无线中央监视站；

其中，所述第一和第二监视组以及所述中央监视站是为根据预定的网络协议在其间进行的无线数据交换而配置的。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第一和第二监视组中每一个都包括由所述条件监视器基于相应的经处理的信号来控制的至少一个继电器。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述至少一个继电器被集成到相应的条件监视器中。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述至少一个继电器被并入相应的条件监视器本地的继电器模块中。

18.如权利要求14所述的系统，其特征在于，至少一个所述监视组包括多个条件监视器，所述多个条件监视器是为与远离的监视组进行无线数据交换而配置的。

19.如权利要求14所述的系统，其特征在于，每个所述监视组包括被配置成根据预定网络协议交换数据的多个条件监视器。

20.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述预定网络协议是开放式工业数据交换协议。

21.如权利要求14所述的系统，其特征在于，每个监视组包括用于为所述条件监视器或传感器供电的电源。

22.一种用于监视旋转机器系统的动态操作条件的无线分布式系统，包括：

部署在相对于所述机器系统的不同位置的多个无线监视组，每个监视组包括用于检测所述机器系统的相应监视点处的动态操作条件的传感器，以及被耦合到所述相应监视点本地的相应的传感器、用于处理来自所述传感器的信号的条件监视器；以及

无线中央监视站；

其中，所述第一和第二监视组以及所述中央监视站是为根据预定网络协议而在其间进行的无线数据交换而配置的。

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