内在安全的振动和条件监控系统及其部件

摘要

一种建立在真正的数字信号处理过程基础上的振动保护和条件监控系统，仅具有有限的以模拟处理为基础的一般信号调节和集成的专用传感器调节以及传感器功率供应选项。除了支持通用涡流探头系统(采用外部驱动器)之外，该设备还支持涡流探头直接连接到所述模块，因为存在内建驱动器和线性化功能。该系统是分布式系统，其中振动保护和至少一部分条件监控位于内在安全(IS)的分布式单元中，该单元位于旋转设备上或其附近，即使该设备处于危险区域。

说明书

技术领域

本发明涉及振动和条件监控系统，特别是在危险区域。

背景技术

涡流探头(ECP)传感器系统从二十世纪70年代开始在主要与轴颈(套 筒)轴承一起操作的旋转设备监控和保护中进行非接触式位移测量。ECP系 统通常也称为“接近式探头系统”。

在许多商业/工业领域，诸如油气工业，相对于易燃气体为设备指定了“危 险区”——并分成着火“区域”或类似区域等不同区域。在危险区域内安装 传感器和电子件需要满足许多要求。传统上，仅传感器，诸如涡流探头传感 器和适当的振荡器或者甚至驱动器置于需要监控的旋转设备上或该设备附 近。来自每个传感器的个别电缆铺设到安全区域，通常是控制室，振动和条 件监控系统设置在该控制室内。这样看起来不够灵活。因此，似乎存在改进 的空间。

发明内容

应用领域是对能源领域的关键涡轮设备进行振动监控的仪器系统，目的 是自动关断和设备的长期健康(条件)监控。

本发明的目标是限定一种能在危险区域有效进行振动和条件监控的单 元和方法。

本发明的前述目标通过将振动防护系统和条件监控系统结合在用于区 域1或同等环境中的内在安全模块的方法来实现。该模块包括保护功能和至 少两条连接到中央单元的通信线路。根据本发明，该方法包括赋予振动保护 系统部件绝对优先级的步骤。

该方法适当地进一步包括在同一时间仅激活一条通信线路进行传输的 步骤。优选，所述方法进一步包括对通信线路上传输的消息位编码为高优先 级的步骤。位编码指的是应该理解为在位的层面对消息进行编码，而非在字 节、双字的层面或更高的层面进行编码，以保持优先级消息尽可能短小。所 述方法还适当地进一步包括以多种完整配置对该模块进行预先配置的步骤， 以及由中央单元根据简短消息选择将要采用哪个预先配置的完整配置的步 骤。完整配置包括对模块进行完全设置，包括输入设置、警告设置、线性化 库选择等。

本发明的前述目标还借助振动保护和条件监控系统来实现，该系统布置 成借助来自至少一个涡流探头的测量值来监控至少一个旋转部件。该旋转部 件置于危险区域。根据本发明，该系统包括位于该至少一个旋转部件本地的 分布式单元。该分布式单元包括振动保护系统，布置成数字式处理所述测量 值，从而创建警告信号，并布置成借助至少一条双数字数据总线通信息线路 向设备关断控制器数字式地传输该警告信号。该分布式单元进一步包括该条 件监控系统的至少一部分。

在一些实施方式中，该分布式单元布置成位于区域1环境或同等环境本 地，且该至少一个旋转部件位于区域1环境或同等环境本地，且设备关断控 制器位于安全区域。优选，该分布式单元赋予振动保护系统部件绝对优先级。 这样能让保护部件在设定时间极限内做出反应，并仍然保持处理单元的时钟 较低，因此保持功耗较低，因此能实现内在安全(IS)的分布式单元。为了 对此做出进一步改进，在一些实施方式中，分布式单元在同一时间仅激活一 条通信线路用于传输。为了对此做出更进一步的改进，在一些系统中，该系 统将通信线路上传输的信息位编码为高优先级。为了保持通信尽可能少，因 为在危险区域内没有本地入口，所以在一些实施方式中，以多种库集合对分 布式单元进行预先配置，并且该系统通过简短消息选择将采用哪个预先配置 的库集合。上述任何特征都可以以任何希望的方式相结合。

本发明的前述目标进一步借助振动监控系统来实现，该系统布置成借助 来自至少一个涡流探头的测量值监控至少一个旋转部件。根据本发明，该系 统包括位于该至少一个旋转部件本地的分布式单元。该分布式单元布置成数 字式地处理该测量值，从而创建警告信号。该分布式单元进一步布置成借助 至少一条双数字数据总线通信线路向设备关断控制器数字式地传输该警告 信号。

在发生振动水平过大的情况下，本发明经由数字数据总线链路向外部分 布式控制系统(DCS)设备提供即时关断指令，以停止设备，或者经由直接 光耦隔离的数字式输出提供该指令。数字信号可以由DCS直接读取，或者 转化为安全区域内的继电器输出。振动水平值——每传感器——还将借助相 同的数据总线链路使用专用协议通过危险区域传递到DCS，然后转移到安全 区域内的公共协议。为了长期的健康监控，条件监控系统(CMS)分开：发 生在具有VMS的区域1或同等区域内的数据获取，然后数字化的数据通过 第二数据总线链路发送到安全区域，在此进行处理，然后发送到计算机软件 进行存储或显示。用于该链路的协议是专用协议。

测量类型。是位移、速度或加速度。

“检测”类型。每个测量值必须定义为(通常)峰峰值、峰值或RMS 值。

频率范围。每个测量值可以位于宽频带范围内，或位于具体频率。

输出类型。设备输出可以是静态或动态电压或电流，或者可以是数字协 议。

本发明还涉及以多个、预先定义的通道和警告配置机制对单一振动监控 模块硬件设备的固件进行预先加载。每个机制专用于特定场合，或者例如给 定制造商的设备型号。使用哪个机制将在工厂(利用软件经过通信线路)进 行设置，因此在安装时该设备已经准备好。

根据需要，利用相同的物理通信链路和专门软件专用通信协议或者写入 路径——利用标准通信协议——来选择另一个预先定义的配置，可以进行后 续现场改变——不需要改变硬件。

本发明借助真正以数字信号处理为基础的设计方案来实现，只具有非常 有限的以模拟处理为基础的一般信号调节和集成的专用传感器调节和传感 器功率供应选项。除了支持通用涡流探头系统(采用外部驱动器)之外，该 设备还支持涡流探头直接连接到所述模块，因为具有内建驱动器和线性化功 能。当存在可用的内在安全(区域1)的型号时，该设备不需要另外的隔离 或保护措施(例如，齐纳阻挡件或电流隔离器)。专用传感器信号调节因此 不依赖于硬件，而仅依赖于嵌入式软件(固件)。本发明能在IS环境中支持 全部传感器输入。不仅支持来自加速度计、速度传感器或涡流探头系统的通 用传感器输入，而且支持用于测量振动和/或速度的涡流探头的直接输入。根 据本发明，仅存在有限的硬件偏差。在相对于内在安全规定维持该产品方面， 单一硬件平台是主要优势。嵌入式软件(固件)主要负责模块功能这一事实 导致在IS要求的限度内具有较高的灵活性。本发明能使维护工作简化。对 于终端使用者和制造商来说，型号数目有限，所以产品维护更为容易。对于 不同的传感器系统类型和/或应用场合，节省部件、模块之间具有互换性以及 重新配置现有单元的可能性对于系统的终端使用者来说是一种优势。

在其他涡流探头测量系统操作概念方面，另一项主要的限制是在探头和 最终信号调整之间，即从安装在设备上的探头直接连接到居中设置的监控系 统，可能有数百米远，不易使用长距离的同轴电缆。目前的操作原理将该距 离限制到15米左右。因此，常见的做法是采用“孤立”的驱动器在可接受 的距离之内实施要求的调整。

其他系统据说存在某些缺陷。模拟涡流探头系统使用模拟“驱动器”来 在探头和监控器之间实施必要的步骤。参数诸如探头尺寸、电缆长度、电缆 参数等的变化通过标准模拟范围内“专门调谐”的派生物来调整。这样导致 了许多不同的部件，它们不太容易在不同的涡流驱动器系统之间进行互换。 对于这种“调谐”的商业冲击在于，一般来说，探头、电缆和驱动器都必须 来自同一个制造商。对于数字驱动器，存在已知技术来改善单一涡流探头系 统设计方案(相对于以固定参数为基础的模拟设计方案的部件变化)的灵活 性。为涡流探头系统建立线性化曲线之后，所述系统一般保持静态。接着， 用于建立该曲线的可用信号处理功率将留置不用，而部件成本保持不变。此 外，模数转换、数字信号处理，然后数模转换(以允许与以模拟输入为基础 的标准监控和保护系统衔接)，这样操作的成本将导致产品较之经过验证的 模拟设计方案没有市场竞争力。

本发明的其他优势将从详细说明中体现出来。

附图说明

参照附图，现在将更为详细地对本发明进行解释，但是并没有任何限制 的意思，其中：

图1示出了新颖的驱动器的方块图；

图2示出了安装在仪器室内的振动和条件监控系统；

图3示出了安装在设备上的振动和条件监控系统；

图4示出了本发明的数字驱动器的方块图；

图5示出了本发明的分布式振动和条件监控系统；

图6示出了以单独的并行硬件通道进行非优选警告信号处理的方块图；

图7示出了根据本发明以虚拟交叉混合通道进行警告信号处理的方块 图。

附图标记

图1示出了新颖的驱动器的方块图

102 探头

103 电缆

105 来自振荡器部件的高频输出信号

108 来自解调器/峰峰值检测器的幅值输出信号

141 驱动器的“振荡器”部件，包括探头和电缆，它们作为完整震荡 器的一部分

142 解调器和峰峰值检测器

152 本发明的驱动器

190 振荡器的激励部件

图2示出了安装在仪器室内的振动和条件监控系统；

220 区域1——高着火风险——设备区域

222 区域2——低着火风险——现场区域

224 安全区域——无着火风险——仪器室区域

230 多条铜导线对，模拟

232 安全障碍物

234 关断继电器

240 设备区域，位于其上或附近

242 位于仪器室的振动监控系统(VMS)

244 位于仪器室的条件监控系统(CMS)

246 位于仪器室的分布式控制系统(DCS)

250 第一位移探头，诸如涡流探头(ECP)

252 用于第一探头的第一模拟驱动器

254 第二位移探头，诸如ECP

256 用于第二探头的第二模拟驱动器

258 其他传感器/探头，诸如地震传感器

图3示出了安装在设备上的振动和条件监控系统；

320 区域1——高着火风险——设备区域

322 区域2——低着火风险——现场区域

324 安全区域——无着火风险——仪器室区域

330 多条铜导线对，模拟

332 安全障碍物

334 关断继电器

340 设备区域，位于其上或附近，包括探头和驱动器

343 位于现场(区域2)的振动监控系统(VMS)，部分包括条件监控 系统

345 位于仪器室的条件监控系统(CMS)

346 位于仪器室的分布式控制系统(DCS)

350 第一位移探头，诸如涡流探头(ECP)

352 用于第一探头的第一模拟驱动器

354 第二位移探头，诸如ECP

356 用于第二探头的第二模拟驱动器

358 其他传感器/探头，诸如地震传感器

图4示出了本发明的数字驱动器的方块图；

405 来自振荡器部件的高频输出信号

408 来自解调器/峰峰值检测器的幅值输出信号

441 驱动器的“振荡器”，包括探头和电缆，它们作为完整振荡器的一 部分

442 解调器和峰峰值检测器

492 模数转换器

494 数字信号处理

496 输入/输出接口

图5示出了本发明的分布式振动和条件监控系统；

520 区域1——高着火风险——设备区域

522 区域2——低着火风险——现场区域

524 安全区域——无着火风险——仪器室区域

533 安全障碍物

537 区域1中的分布式单元和安全区域之间的数字数据总线

545 位于仪器室的条件监控系统(CMS)

546 位于仪器室的分布式控制系统(DCS)

550 第一位移探头，诸如涡流探头(ECP)

553 用于第一探头的第一模拟驱动器，集成在分布式模块上

554 第二位移探头，诸如涡流探头(ECP)

557 用于第二探头的第二模拟驱动器，集成在分布式模块中

558 其他传感器/探头，诸如地震传感器

590 位于设备上或其附近的分布式单元，包括探头和驱动器、本地振 动监控系统、部分条件监控系统以及通往安全区域的数字通信装置

595 关断继电器，由分布式单元经由冗余数字数据总线远程控制

图6示出了以单独的并行硬件通道进行非优选警告信号处理的方块图；

660 第一通道

661 第二通道

663 信号处理——滤波、积分等

664 检测——RMS、峰值、峰峰值、比例RMS、1X、2X等

665 警告类型和警告等级定义——等级、窗口内、窗口外

666 测量值处理

667 警告处理

668 警告表决——AND、OR、多数表决、1选1、2选1、2选2，等 逻辑组合

669 继电器控制

671 测量通道设置

673 数据

675 警告处理

图7示出了根据本发明以虚拟相互混合通道进行警告信号处理的方块图

760 第一通道

761 第二通道

762 硬件设置——源

763 信号处理——滤波、积分等

764 检测——RMS、峰值、峰峰值、比例RMS、1X、2X等

765 警告类型和警告等级定义——等级、窗口内、窗口外

766 测量值处理

767 警告处理

768 警告表决——AND、OR、多数表决、1选1、2选1、2选2，等 逻辑组合

6769 继电器控制

771 测量通道设置

774 数据处理

775 警告通道设置和处理

具体实施方式

为了阐明本发明的方法和设备，现在将针对图1至7说明其若干使用示 例。

着眼于自动关断和长期设备健康、条件监控，用来监控关键机器上的振 动的检测系统需要安装在该机器上的振动传感器。大多数常用传感器为径向 位移探头，诸如涡流探头，它需要模拟振荡器/解调器单元，通常称为“驱动 器”或“位移监测器(proximitor)”。另一种探头是“地震”传感器，其测量 表面振动的加速度或位移，通常不需要驱动器。

驱动器包括用来激励所连接的涡流探头使其产生交变磁场的振荡器。该 磁场在处于接近钢制目标材料的范围时，将根据接近范围而在目标材料表面 感生出时变涡流。所述涡流又会产生与原先磁场相反的磁场并因此影响探头 末梢的合成阻抗。感生涡流的幅度取决于探头末梢和钢制目标材料之间的距 离。因此，探头阻抗变化表征了探头末梢和目标材料之间距离的直接测量值。 因此，这种非接触式方法可以用来测量距离/间隙(平均DC分量)和目标机 器轴线的振动(AC分量)。

振荡器输出的峰峰值电压水平认为是探头和目标之间距离的测量值，并 且低频幅值变化(包络)将作为距离随时间变化的测量值，因此表示目标振 动。解调器输出将消除高频分量并建立高精度的峰峰值检测器，该检测器将 用作根据本发明进行进一步数字处理的基本输入。

本发明还包括向数字领域进行变换，这种变换提供了所需的灵活性，以 允许根据本发明的自动补偿和线性化方案，消除任何的手工校准需求以及用 于补偿和线性化的固定硬件方案(正如目前全模拟设计方案中所用)中存在 的约束。这在以下进一步讨论。考虑到用于硬件控制和信号后期处理(非线 性探头阻抗响应的线性化)的数字设计核心，以下系统概念用于本发明的驱 动器系统。

每种探头的不同电缆长度会导致探头/电缆组件不同的最大阻抗响应，为 了适应这种情况，驱动器振荡器操作建立在使用最长电缆长度作为线性化处 理的基准并采用外部补偿电容和/或阻抗匹配网络的基础上，以允许使用较短 的电缆长度。补偿的主要目的在于，相对于无限间隙测量响应，获得实际电 缆长度相对于基准电缆长度的均等阻抗响应。为此，可以在适合多种探头和 电缆长度的单个阻抗范围内优化驱动器振荡器，因此利用最优的动态输入范 围。此外，对振荡器的设计进行优化，以允许独立控制幅值水平和阻抗测量 灵敏性两者。然后可以数字式地控制这些参数，并将其用于优选不同类型的 探头的设计优化。自然，振荡器电路受到反馈环路单位增益(1)和相对着 输出信号的反馈环路0°相位偏移的振荡边界条件限制。这种边界条件需要 适用于探头/电缆全部预期阻抗范围，以维持所需的激励振荡。

该新颖的振荡器是低电流电路设计，满足区域1的内在安全规定或同等 标准。对于具体危险区域类别诸如区域1的引述，指的是区域1或同等类别 诸如类别1分部1。不存在手工范围校准的需求，并且具有更高层次的模块 互换性——“单一模块支持全部探头”的概念。但是，可以由振荡器电路进 行调谐，以补偿探头/电缆谐振阻抗电路的电阻负载。

图1示出的驱动器152包括新颖的振荡器电路190。电路190形成完整 振荡器电路141的一部分，该完整振荡器包括探头102和电缆103。跟在振 荡器105输出端后面的是高速峰峰值检测器142，将动态高频输出信号转换 为DC电压输出信号108，该输出信号表示探头和目标之间的间隙并且叠加 有轴振动信号(最高10kHz的低频)。驱动器152一般包括解调器、低通滤 波器和峰峰值检测器142功能以及振荡器141。驱动器152包括振荡器电路 和解调器以及峰峰值检测器142，可以用在独立配置中，此时输出信号108 传送到中央处理位置，或者可以与下面所述的本发明分布式数字处理装置集 成。

如上所述的本发明驱动器可以实施在安装于仪器室的系统中。在高火险 环境中，需要监控关键设备的振动，诸如这些设备用在能源领域，例如油气 工业，目的是自动关断和长期的设备健康和条件监控。在高火险工业诸如油 气工业，相对于易燃气体为控制室指定了安全区。

图2示出了基于仪器室224的技术。多种类型的振动传感器250、254、 258安装在区域1范围内的设备240上。需要驱动器的探头，例如涡流探头 250、254，可以用在如上所述的本发明驱动器252、256中。驱动器也称为 接近式检测器。地震传感器258测量表面振动的加速度或位移，通常不需要 驱动器。

每个传感器250、254、258经由多条铜线230连接到位于安全区域224 内的振动监控系统(VMS)242。两者之间是安全障碍232(每个传感器有 一个)，从安全区域224将危险区域220、222隔离开。VMS为传感器提供 功率和信号调节，然后测量信号/振动水平。在发生振动水平过大的情况下， VMS(经由一个或多个继电器触点闭合件234)向外部分布式控制系统(DCS) 246设备提供即时关断指令，以停止设备。每个传感器上的振动水平值借助 数字数据总线链路利用公共协议并行传递到DCS。

对于长期系统监控来说，同样的传感器信号经由模拟总线再次传递到安 全区域224内单独的条件监控系统(CMS)244，从而获取数据、处理数据， 然后传递到计算机软件进行存储和显示。

如上所述的驱动器，或者传统模拟驱动器，可以实施在以设备为基础的 系统中，如图3所示。在许多商业/工业中，诸如油气工业中，设备340针对 易燃气体指定为“危险区域”——分成着火“区域”320、322或类似区域。

在这种系统中，每个传感器350、352、354、356、358经由多条铜线330 连接到位于设备附近的低危险区域2范围322内的振动监控系统(VMS)343。 两者之间是安全障碍322(每个传感器有一个)，从低危险区域322将高危险 区域320隔离。现场VMS为传感器提供功率和信号调节，然后测量信号/ 振动水平。在发生振动水平过大的情况下，VMS(经由一个或多个继电器 344触点闭合件)向外部分布式控制系统(DCS)设备346提供即时关断指 令，以停止设备。每个传感器上的振动水平值，借助数字数据总线链路336 利用公共协议并行传递到DCS。

对于长期健康监控来说，条件监控系统(CMS)345分成：在带有VMS 的区域2范围322内发生数据获取，然后数字化的数据经过数据总线链路发 送到安全区域324，在这里进行处理，然后发送到计算机软件进行存储和显 示。该链路的协议为公共协议或专用协议。

这种系统架构，如图2和3所示，主要是集中化的。当用来监控位于危 险环境中例如油气工业中的设备时，这种架构存在许多缺点。首先，需要有 保护设备，诸如齐纳阻挡件(zener barrier)，或者其他保护措施，诸如防爆 壳，这样会提高总体系统的成本以及系统的可靠性风险。其次，需要将个别 传感器从危险区域向位于电气安全区域内的监控仪器布线。存在许多端子和 连接件，在设备组件安装过程中，并且可能在以后的维护或检修过程中，需 要确认它们每一个。这样提高了系统的总体成本以及可靠性风险。其三，目 前的振动传感器技术需要使用低压，例如100毫伏的信号作为输出。在设备 与监控系统之间，模拟信号能够毫无信号退化地传输的距离受到限制。适用 的现场电缆电气属性将该最大距离限制到约500米。其四，用于旋转设备的 内在安全控制系统输入/输出(I/O)仪器逐渐得到应用，并可以置于设备本 地的危险区域中。该I/O是随着设备“分布”于工厂周围而“分布”在工厂 周围的。但是，这种I/O局限于常见“过程参数”的测量，诸如温度、压力 和流速。目前市售振动系统的电流本质排除了来自这些I/O的振动参数，妨 碍通用性并提高了系统的总体成本和可靠性风险。

位于危险区域内的任何电气设备必须设计成，在发生部件失效的情况 下，不可能出现火源(例如，火花)或者包容火源，并且火源不能到达易燃 气体。电气设计必须经过独立机构根据国际标准和习惯准则进行审查和认 证。

根据本发明，具有分布式特征的内在安全监控和保护系统的构思解决了 所有这些问题。为了实施本发明，如上所述本发明的涡流驱动器或者其他驱 动器设计方案与数字信号处理相集成，从而形成集成了振动监控和部分条件 监控的完整单元，经由本发明的数字信号线路与分布式控制系统和中央条件 监控部件通信。该单元可以包括多个驱动器和用于不需要驱动器的传感器的 输入。

模拟系统，如上所述，主要包括3个单独的部件以形成涡流系统——位 移探头、电缆和振荡器/解调器，通常称为驱动器或位移监测器。探头驱动器 实施探头激活/激励，并且在许多情况下，实施模拟信号线性化和一些信号调 整，从而准备好输入到外部监控和保护系统设备。如果驱动器包括用来对各 种涡流位移探头进行线性化和信号调整的模拟电路，则驱动器变得非常复 杂。

根据目标监控场合，涡流探头系统设计的系统需要适应许多参数变化。 这些变量包括但不限于位移探头尺寸、电缆长度、目标材料和要求的输出灵 敏性。在涡流探头测量的操作层面另一个主要的限制是不太容易在探头和最 终信号调整之间以同轴电缆实现较长的距离，即从安装在设备上的探头直接 连接到居中设置的监控系统，这可能有数百米远。目前的操作原理将该距离 限制为15米左右。因此，使用独立的驱动器在距离探头可接受的距离内实 施所需的调整。

相对于以固定参数为基础的模拟设计方案的部件多样性而言，数字驱动 器将改善单一涡流探头系统设计方案的灵活性。但是，数字驱动器作为单独 的产品，在为涡流探头系统建立线性化曲线之后，一般来说保持静态。接着， 用来建立该曲线的可用信号处理功率将不再使用，但是部件成本保持不变。 模数转换、数字信号处理，再进行数模转换以允许连接以模拟输入为基础的 标准监控防护系统，这样做的成本将使得产品较之已有的模拟设计而言，不 具有商业竞争性。

根据本发明，引入设备本身的分布式调整和防护监控器，使得最终信号 调整可以在涡流探头(ECP)系统的距离极限范围内进行，并且不再需要个 别传感器连线到远程监控和防护系统。建立在以分布式监控防护模块的数字 信号处理为主的基础之上，本发明因此将驱动信号调整硬件包括在产品中， 并以更为节省成本的方式为所需的线性化采用数字信号处理功率，因为数字 信号处理的主要功能是对所连接的传感器的连续监控和保护功能。将驱动器 硬件包括在产品的部件中所带来的额外效果是完全消除了任何数模转换需 求，以及驱动器和监控器之间的铜导线接口，因此优化了成本、效率以及总 体系统质量和可靠性。能增加可靠性的是，除了驱动器输出的常见DC输出 电平探头OK监控之外，该系统还监控RF探头激励信号的存在与否。因此， 除了以常规DC为基础的OK监控之外，本发明还为探头失效提供更大的诊 断覆盖性。配置软件允许对直接连接型位移探头和各种电缆长度(根据不同 场合定制)进行现场校准和线性化。

由于不需要单独的模拟驱动器系统，所以本发明的系统允许降低系统的 总体成本。通过用于分布式用途的硬件集成，优化了允许本发明定位——包 括集成涡流探头驱动信号处理——在设备基部的区域1危险区域中并在其中 操作的规定。利用单一驱动器设备支持灵活但是受限的位移探头电缆长度， 增加了可靠性并减少了维护问题。利用单一驱动器设备支持结构不同、类型 不同的位移探头，增加了可靠性并减少了维护问题。而且根据本发明，还存 在软件驱动的现场校准和线性化方案。

图4示出了本发明分布式振动和条件监控系统的分布式部件的主要部 分。分布式部件包括一个或多个涡流探头接口，从而构成振荡器441部件， 而该振荡器又传输高频输出405。接在振荡器441输出405之后的是高速峰 峰值检测器442，将动态高频输出信号转化为包括DC电压的输出信号408， 该DC电压信号代表探头和目标之间的间隙以及叠加的最高约10kHz的低频 信号，这种低频信号代表轴振动信号。解调并检测峰峰值的输出信号408接 着在AD转换器492内进行模数转换，然后数字信号送入数字信号处理部件 494。在根据本发明处理和数据还原之后，经由I/O接口496将数据传输到 分布式控制系统用于关断控制，数据处理和还原在以下解释。

一种对涡流探头系统进行探头功能监控的方法是监控DC间隙电压。但 是，这种检测方法不仅取决于探头/电缆，而且取决于大量电子电路诸如振荡 器、峰峰值检测器的正确操作。因此，这种方法不能100％排他地确认探头 和/或电缆接口的实际故障。此外，这种方法在推力监控场合特别失效，此时 DC间隙测量不但是测量参数，而且是探头控制措施。因此，所述系统不能 在简单的超范围和实际部件故障之间进行区分。本发明根据振荡频率进行正 确的功能检测提供了这种区分，并且如果与DC电压监控一起使用的话，允 许检测和确认超范围和故障两者。在这种情况下，可以监控振荡频率，并且 可以在较早的阶段确定超出探头(或振荡器)预期范围或者电路失效。因此， 高频信号405连接到数字信号处理部件494，用于测量频率，此后检查范围。 因此，这种方法对于更为可靠且冗余的探头功能监控方法具有积极贡献。

此外，在监控实际振荡频率时，可以将响应与预定具体探头系统数据进 行比较。不同类型的探头可以在不同振荡频率下操作。当频率偏离根据配置 预定的范围时，将表示在配置和所连接的探头类型之间出现了不匹配，并且 可以防止因人为错误而可能发生的关断，即使用了错误的探头类型或错误的 配置。同样，对于正确的配置，在频率和/或幅值响应背离标称操作值时，可 以发出警告，表示因系统物理变化而发生了阻抗变化，即探头线圈特性因环 境因素发生了改变。除了频率监控之外——在系统启动阶段——可以将无限 间隙响应与预期值相比较。在振荡频率符合预期，但是发现幅值响应存在显 著变化时，可以确认电缆具有不同的特性，因此需要新的校准信息，即以特 性不同于前述型号的电缆替代延伸电缆。

根据频率和幅值监控能力，先进的阻抗校正技术，类似于以下所述的本 发明的线性化技术，可以用来补偿与探头-目标距离无关的系统特性变化， 诸如电阻性探头电缆损耗。

由于探头位置响应的非线性属性，所以需要输出信号处理来获得线性响 应。探头/电缆阻抗与探头类型、探头线圈参数、探头位置、电缆参数、电缆 长度、振荡频率以及目标材料直接相关。根据经验，不需要将自动化方法适 应于响应不同的目标材料等。线性化建立在已知目标材料、探头类型和电缆 特性的基础之上，将适合电缆长度的实际范围。但是，在线性化之前，类似 于后面所述的线性化方法的补偿方法，可以用来补偿系统部件的小变化，诸 如探头和电缆参数，其中后者包括中央导体的变化，这严重影响输出谐振阻 抗值。这种方法允许消除对个别部件调整(探头电缆、延伸电缆和驱动器) 的需求，因此除了节省制造成本之外，还减少了现场校准并维持了产品间较 高的互换能力。在系统特性明显改变的情况下，系统允许根据厂方原始线性 化校准数据进行重新校准。不需要现场系统校准。主要的现场需求在于在安 装前获得所述探头的无限间隙响应。所述单元存储探头识别信息，以免在最 终系统安装之前进行这些工作。测量的无限间隙响应作为基础用来确定补偿 阻抗测量电压及其结果线性化所需的实际系数集合。但是，对于执行具体现 场校准，为具体涡流探头系统获得线性化系数则没有确定的限制，即目标材 料、探头类型和电缆长度。

回到系统层面，图5示出了本发明的分布式系统。多种类型的振动传感 器550、554、558安装在位于区域1范围520内的设备上，每一个直接连接 到仪器设备591，该仪器设备根据本发明安装在区域1范围520内的机器基 础上，如上所述。本发明的分布式单元为每个位移探头550、554包含数字 可编程驱动器或接近式检测器553、557，并且还连接到其他传感器558，诸 如地震传感器。本发明的分布式单元591为传感器提供功率和信号调节，然 后将信号/振动水平数字化并进行测量。在振动水平过大的情况下，本发明的 分布式单元经由数字光耦隔离553的数据总线链路537向外部分布式控制系 统(DCS)设备546提供即时关断指令，目的是停止机器。数字信号可以由 分布式控制系统直接读取，或者可以转化为安全区域524内的继电器595输 出。振动水平值——每个传感器——还借助相同的数据总线链路利用专用协 议通过危险区域520、522而传递到分布式控制系统，然后转移到安全区域 524内的公用协议。对于长期健康监控来说，条件监控系统(CMS)545分 成两部分。第一，数据获取发生在具有VMS591的区域1范围520内，然后 数字化的数据通过第二数据总线链路发送到安全区域，在这里进行处理545， 然后发送到计算机软件进行存储和显示。该链路的协议是专用协议。本发明 的要点在于，将振荡器/解调器、VMS和CMS的功能结合到一个设备591 中或等同设备中，该设备位于高风险区域1中也是安全的。监控硬件平台可 以根据每种机器或制造商的功能需求(监控、保护或两者的结合)利用嵌入 式软件(固件)进行定制，而不需要考虑外部影响。内建式数字驱动器技术 消除了用于位移探头的单独模拟振荡器/解调器，并提供单一、可编程的适合 各种探头电气需求设计的装置。这样减少了系统内的总体部件种类，提高了 可靠性且降低了成本。本发明为危险区域内将来研发出的应用场合提供了手 段，例如区域1环境中的设备旋转的现场平衡。使用本发明的数字式通信链 路将有关振动水平信息和关断指令以及振动数据发射到外部环境，用于条件 监控和分析，消除了在机器和仪器室之间现场安装和确认许多铜导线电缆的 需求。

内在安全(IS)环境中的设备存在许多限制。这些限制由本发明来解决， 从而能实施本发明的分布式系统。不允许存在本地物理继电器。虽然在IS 环境中允许存在光学输出，并在分布式单元中使用，但是这样将导致每个警 告通道利用适当的隔离器或障碍物来引线到安全区域，因此有损于完整的分 布式构思。因此，提供了大量高速、隔离、多站式串行RS485通信线路，以 允许安全和优先警告消息传递，从而进一步以数字方式处理关断数据，或将 其重新导向物理继电器。RS485物理层的当前应用是目前技术水平针对IS 验证过的基于导线的通信链路。由于通信处理的具体需求，所用协议将是合 适的。不允许存在本地缓存输出。没有本地缓存输入阻碍了使用具有周期性 条件监控能力的方法，即使用手持分析仪设备。为了允许某种程度的条件监 控，用于保护性监控目的的内部数据处理建立在FFT频谱分析基础之上。采 用比警告数据通信优先级更低的第二通信链路，可以使得远程中央条件监控 分析系统可以周期性地利用测量数据。与此相关的是，由于数字式驱动器整 合在分布式单元中，所以不再存在用于缓存输出的模拟动态驱动器输出信 号。本地的功率和温度制约仍然存在。由于存在功率制约，所以该设备需要 低功耗电子件。因此，也制约了DSP处理功率，因为更多的处理功率要求 更高的操作频率，因此导致电流消耗越大，且部件主体温度越高。因此，要 求优化的数据处理和通信程序，目的是以程度足够的条件监控能力来满足保 护性响应以及相关程度的状态通信，即FFT带宽值可以用作启动/停机条件 过程中的低水平瞬态能力、用于模块警告控制和状态的优先消息机制。这些 都属于与需要冗余通信系统相悖的进一步处理功率制约范围内。还存在本地 可达性制约。对于模块配置和重新配置来说，不存在直接和希望的装置以允 许本地通信入口。因此，系统通信链路可以用于模块配置。但是，为了保证 系统中其他活动模块的优化带宽可用性，存在一组本地——预先配置的—— 配置集合，例如每个模块20个配置，它们可以通过简单指令激活。这种方 法允许在远程处理控制系统安全控制的情况下对完全分布式系统进行配置， 并且不是必须专用的配置软件。I/O能量存在极限。所有的活动输入输出要 求程度足够的能量极限，并确保模块之间完全电流隔离。为此，在设计方案 中配置IS障碍物，并为功率输入和双路RS485串行通信接口提供完全隔离。

采取以下措施以满足IS需求，并且能在单一4通道设备中结合可靠的 保护功能与适当程度的条件监控需求。

所用的DSP的操作时钟速度以低于最大额定时钟速度的更低速度操作， 以保持在IS电流极限之内，并具有足够的净空高度，从而允许处理功率根 据固件改善效果而变化。由于较低的时钟速度以及直接相关的降低处理功率 的能力，已经实施了专用的算法在所谓的内环路中实施保护功能，该内环路 系统是独立设置的并且在全部4个通道上设置了良好保持在100msec的 AP1670保护系统需求之内的更新速度。全部相关条件监控功能，诸如FFT 计算，以及正常的通信事件将在外环路中执行，其更新速度相应地与所用设 置成比例，包括例如采样速度、FFT使能和数字滤波。因此，允许外环路仅 在内环路不运行的时候运行。

除了使通信电路电流消耗减至最少的硬件措施之外，在固件中根据本发 明提供了额外的措施，以保持通信电路的最大电流处于IS极限之内。根据 本发明，固件禁止并行数据传输，目的是防止需要限流来支持两条通信线路， 并因此降低总的电流预算。如果引入限流，则可能导致通信消息失败。因此， 同时只可操作一个数据传输通道。两条通信线路都对输入开放。根据本发明 的固件将到来的消息列队，并使消息响应交叉。该方法建立在以消息为基础 的Tx切换基础之上，此时将实施未来Tx字节切换来进一步优化通信响应时 间。

快速消息通信方法。这种选项提供了在单一短消息中传输选定数量的测 量值以及全局警告状态信息的途径，该短消息将由所述模块以较高优先级在 内环路处理中进行处理。由于处理功率受限，而且通信硬件能采用高达 1.5MB的较高通信速度，所以通信中断的开销(overhead)将吸收太多的DSP 处理资源。因此，快速消息通信方法允许较短和较高优先级的数据获取方式， 同时全局系统更新速度可以为采用串行通信链路的多个模块所接受。相对于 强烈依赖设置条件的外环路的响应时间来说，在内环路中进行处理将保证最 高70msec(通常为10-15msec)的响应时间。

本发明分步式系统的重要方面在于本发明的快速消息通信方法。它保证 了双向数据可以在安全区域内的控制器和安装在危险区域中的分布式单元/ 模块之间保证及时以与系统警告和控制要求相符的方式进行交换，所需控制 要求包括关断保护。该方法的主要特征为短发出消息(与指令和写入数据相 结合)，例如6个字节，和长返回消息，例如37个数据字节。控制系统向分 布式单元发出的消息可以包含6个数据字节(在一种实施方式中，目前最多 采用4个字节)。首先，是警告双字(word)(2字节)，具有用于警告复位、 警告乘法器激活、和5条(单独)警告旁路控制的位控制。此后，是另一个 输出双字(2字节)，在每个通道的基础上具有位控制，以启动校准程序、 DC间隙归零以及触发数据存储功能诸如“冻结”波形数据的全局控制设备。

较长的返回消息，37数据字节，包含位控制数据和5位警告状态代码和 比例整数值。两种措施的目的在于使字节数最少，因此使传输时间最少。双 字1，字节1-2(2字节)包括具体TX状态的位指示、任何进行中的校准过 程的指示、任何禁用的警告的指示、任何旁路的警告的指示、任何模块变形 的指示以及脱扣乘法器状态的指示。双字2，字节3-4(2字节)包括如上所 述的警告双字，这表示当前与全部警告有关的控制(复位、乘法器、旁路和 逻辑位)的设置。双字3-16，字节5-32(每个双字2个字节)包括14个使 用者可以配置的数据双字，每个双字表示模块得到的测量值。测量值类型 (rms、峰值、FFT频带rms、FFT频带频率、速度等)以及源通道的选择对 于使用者或系统配置器来说完全开放。当前总计有超过80种不同的测量值 可能性。字节33-37包括5个警告状态字节，它们代表适用的警告配置的警 告状态的位状态。

为了确保消息快速返回，模块将即将到来的指令确定为本发明的快速消 息，并以超过其他通信指令的更高优先级进行处理。原则上，简短消息长度 意味着，以115.2kbaud，可以在500ms的周期时间内查询多站式链路上的最 多32个模块。为了进一步优化警告数据查询过程，快速消息可以针对消息 数据长度进行编程。对于一般情况来说，可以将消息仅限于警告状态，因此 显著减少总体取值数据传输所需的数据量，因此允许系统状态更新速度小于 100ms周期时间，因此满足API670的响应要求。可以预见的是，也在单独 的网关设备(也是IS)中实施这种通信机制，该网关设备作为向所联系的模 块进行串行通信的主设备。

作为IS制约诸如能量极限和模块之间完全电流隔离的结果，在数据通 信的最大带宽上增加了制约因素。带宽需要花时间处理，而处理要消耗功率。 需要的是，警告数据需要根据给定的响应时间制约而与多个单元通信，用来 执行保护功能。用于多站式配置的正常通信协议建立在主设备/附属设备的协 议之上。中央远程系统从附属设备请求数据，并且适当的附属设备做出应答。 为了模块中的请求过程有效，创建所确认的快速消息，以较高的优先级来处 理这些较短的更新请求，而不会显著中断正常的数据获取和处理。动态通信 协议的概念是为个别模块提供手段，以根据个别模块的条件和两个可用通信 接口的功能用途在完全控制个别模块的情况下改变响应的类型(即，通信链 路因内部错误仅对单一模块失效，这种情况不会影响其他模块的冗余操作)。 但是，主设备需要针对受影响的模块的警告表决(alarm voting)适应通信状 态，并且解释这种返回数据的消息头部。

以下的示例指示了优选系统中的不同操作模式和能力。优选系统采用两 条物理双向链路，即数字数据线路，从而在模块和中央之间来回传输信息。 这样将具有一定量的冗余度，并根据以下所述的操作模式受到控制。

1)无警告

链路1：主链路连续查询模块状态条件(没有取值数据)。

链路2：双链路连续查询模块状态条件(没有取值数据)，与取值数据(带 有数据的模块状态)请求交叉，用于即时数据显示和趋势分析，以及按照安 排上载动态数据。

2)检测到警告

链路1：主链路对于通道中出现警告的模块连续查询具有模块取值数据 的模块状态信息(优化方法将消息长度仅限于处于警告中的通道)。

链路2：双链路对于通道中出现警告的模块连续查询具有模块取值数据 的模块状态信息，与取值数据请求交叉(具有用于全部通道的数据的模块状 态)用于实时数据显示和趋势分析，而且按照安排上载动态数据。在初始警 告条件下，用于报告警告状态的双路消息的优先级高于可能安排/请求的辅助 数据传输(直到警告信息被主机确认)。

远程警告处理：两条通信线路2选2表决。

注意：对于优化的状态报告，建议还为检测到的警告条件提供警告状态 条件，该操作仍然处于警告延迟时间期间内。

3)链路1错误

链路1：一旦被模块检测到，则连续进行重新连接过程，允许功能自动 恢复。在检测到丢失主通信链路时，将主链路模块应答切换到链路2。

链路2：一旦被模块检测到，则连续进行重新连接过程，允许功能自动 回复。对于通道中出现警告的模块连续查询具有模块取值数据的模块状态信 息。根据配置不进行趋势分析和动态数据上载。

远程警告处理：活动通信链路1选1表决。

在链路错误时，允许使用者可配置的选项，以允许进行数据趋势分析和 动态上载。选项取决于应用程序，因为可能并不总是要求在关键时刻进行关 断，或者不会比周期性的数据趋势分析更急迫。

4)链路2错误

链路1：链路1正常操作。根据配置，不进行交叉趋势分析或动态数据 上载。

链路2：一旦被模块检测到，则连续进行重新连接过程，允许功能自动 恢复。

远程警告处理：活动通信链路1选1表决。

在链路错误时，允许使用者可配置的选项，以允许进行数据趋势分析和 动态上载。选项取决于应用程序，因为可能并不总是要求在关键时刻进行关 断，或者不会比周期性的数据趋势分析更急迫。

所提出的用于灵活消息处理的机制利用快速消息双字中的数据双字来 标记请求：

0：状态

1：状态和全部通道值

2：其他数据上载请求

在模块不存在警告时，选项0仅应答状态，并为处于警告中的那些通道 提供通道值。应答消息头部应当确认应答类型。选项1将返回完整状态数据 (实时数据请求——每x秒一次，或者趋势分析——每x分钟/小时一次)。 选项2将确认当前模块状态并表示另外的数据请求选项，该请求选项可以由 指定的链路上的主设备所启动的适当指令来请求。如果不允许，则主设备将 不请求该数据(则数据服务器部分将处理这种受控错误)。

与上述相反，以下方法也被认为混合高优先级和低优先级数据。当前序 列多个长消息(8 x 260字节)将被要求来传输动态数据。一旦启动这种通信， 则改变数据链路优先级的过程就无法停止(直到完整的序列完成为止，或者 在260字节消息之后允许中断)。为了优化反应时间，还可以借助类似快速 消息的优先级消息来处理大数据请求。消息长度将缩短(即，40字节并因此 允许更快地从低优先级向高优先级切换)。

动态协议原理的进一步特征是使用内部模块警告状态条件。在单元没有 警告时，可以以最为有效的方法处理低优先级消息。但是，当检测到警告但 仍处于“警告延迟有效阶段”时，模块可以防止启动/接受数据传输，并确保 初始警告状态事件并行传输。此外，优先级控制还可以指定警告等级(提醒、 危险等)。注意，以上更多的是涉及利用冗余通信线路可以提供安全远程关 断，冗余通信线路更多的是功能要求，IS的使用仅是该功能要求的副作用。 采用冗余通信链路能使以上确定的动态协议示例可行。采用带有输出障碍物 的隔离功率供应件以及光耦隔离的通信链路将允许在IS环境中使用通信硬 件。

图6示出了一种用于保护和监控功能的警告数据处理非优选方法。每个 测量通道660、661的设置限定了许多参数。限定了硬件通道设置662(源)、 信号处理663(过滤、积分等)、检测方法662(RMS、峰值、峰峰值、比例 RMS、1X、2X等)、警告类型(等级、窗口内、窗口外)以及警告等级定 义665。

跟随信号处理673中的测量过程666，将相对于警告设置(警告处理667) 评估测量值，并导致True或False输入，该输入将用作适当警告表决机制668 (AND、OR、多数表决、1选1、2选1、2选2等逻辑组合)的输入，以 获得控制信号(True/False)，该控制信号可以赋予物理继电器输出669和/ 或通道警告状态通道，或者它们全部。全程通过表决，每个硬件入口是一个 通道。不存在协同操作。

本发明的分布式模块实施了不同的警告设置和处理机制，从而在警告设 置方面获得更大的灵活性。关键在于，警告定义并未束缚于测量设置，而是 在虚拟警告通道中独立限定。

为此，从图7中可以看出，检测774和警告等级定义775移出了测量设 置区段772并与警告处理区段776整合。另一个重要的差别在于，采用不同 的处理方法，可以并行使用相等的测量通道数据，因为分布式模块将为全部 所提供的适当处理选项(RMS、峰值、峰峰值、比例RMS、1X、2X等)提 供数据结果。例子：通道A，RMS检测值和等级警告3g与(AND表决)使 用峰值检测和警告5g的通道A相结合。

图7提供了根据本发明，采用虚拟警告通道770、771进行分布式模块 警告-处理构思的方块图。因此，警告处理的输入不再是True/False条件，而 是限定将使用哪个硬件通道测量值(处理)并应用于指定的警告和表决过程 的设置。输出结果仍为Ture/False条件，可以赋值给(虚拟)警告条件状态 和/或光耦继电器769。

为了优化固件设计来适应完全灵活的警告通道设置和处理，定义了逻辑 警告表结构来描述警告输入设置。主要的优势在于，固件仅需要分析警告逻 辑表来产生警告处理代码并因此自身不需要具备任何专门知识。采用这种方 法，固件是通用的，且指示仅借助警告通道配置数据来提供。每个虚拟警告 通道，从任何类型的测量值和测量通道中选出的最多16个不同参数的任意 逻辑组合(AND、OR)因此将由该逻辑表来描述。

这种机制目前适应最多16个参数的任意逻辑组合，它们可以利用积求 和或和求积在64行(掩码)表中描述、代表。改进方案将从代码中去除这 种条目，并从外部文件加载它们。然后可以定期以新的警告组合更新该文件， 而不用要求变化任何代码。

作为警告逻辑的一种例子，考虑了采用两个测量值的警告。每个测量值 与阈值比较，如果超过各阈值任一(或两个)，则设置警告。在配置器中， 该警告描述为：

共同警告(2中的任意1)。在信号大于阈值时的警告。

考了可能存在4种这种类型的类似警告：

防故障警告条件＝未施加功率的光耦输出状态，如果TX不是OK，则发 出警告；

非防故障警告条件＝施加功率的光耦将不会发出警告，除非TX为OK；

功率丢失警告条件＝未施加功率的光耦输出状态，TX为OK的状态未考 虑；

不处理警告条件＝施加功率的光耦输出状态，TX为OK的状态不考虑；

作为示例，考虑上述的防故障警告，其逻辑表看起来是这样的：

逻辑0＝1掩码0＝1         水平：AND函数

逻辑1＝2掩码1＝2         垂直：OR函数

逻辑2＝4掩码2＝4

逻辑3＝8掩码3＝8

全部测量值依次考虑(首先是阈值，然后是TX是否OK——对于窗口 警告来说，所用惯例是较低阈值、较高阈值、TX为OK)。掩码行表示所要 考虑的逻辑行的位(从而显著减少描述警告所需的不同行的数目)。采用足 够的行数以确保完全描述警告的希望属性。在模块操作中，任何等于True 的(被掩码的)逻辑行将导致设置警告。传输所用的行数，以避免不必要的 控制行处理。

为了进一步说明，考了类似于上述的警告，但是这一次是非防故障警告， 即没有警告，除非TX为OK。逻辑表看起来是这样的：

现在，该警告描述为：

逻辑0＝1掩码0＝3

逻辑1＝4掩码1＝12

32个位可以用来描述最多16个测量值(上表中仅示出了头7个位)。设 置单独的基准值(最多16ea)来描述每个测量值输入定义：

1.测量通道

2.检测类型

3.警告阈值

3.警告乘法器

注意，警告类型在逻辑表中定义。例如：采用低等级和高等级的窗口内 警告定义为信号低AND信号<高，转述为：(低＝True)AND(高＝False)。

本发明并不限于上述实施方式，而是可以在权利要求书的范围内变化。