DE102013220420A1

DE102013220420A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Zustands einer Maschine

Info

Publication number: DE102013220420A1
Application number: DE201310220420
Authority: DE
Inventors: Christoph Mair; Alexander Kuchler; Ralf Kochanowski
Original assignee: Lettershop Organisations GmbH
Current assignee: Lettershop Organisations GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Zustands einer rotierenden Maschine (10) mittels einer Datensammeleinheit (12, 112, 212) und einer Mehrzahl von räumlich getrennten Messeinheiten (14, 114, 214) mit jeweils mindestens einem Sensor (16) mit einem A/D-Wandler (18) zum Erfassen von Messdaten betreffend mindestens eine Zustandsgröße der Maschine oder einer Komponente der Maschine und einem Transceiver (20), um die erfassten Messdaten über ein drahtloses Datennetzwerk an mindestens eine der anderen Messeinheiten und/oder die Auswerteeinheit zu senden, wobei jede Messeinheit einen Digitalisierungsknoten des drahtlosen Datennetzwerks bildet und einen Taktgeber (36) für den bzw. die Synchronisierung des A/D-Wandler (18) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Zustands einer rotierenden Maschine mittels einer Datensammeleinheit und einer Mehrzahl von räumlich getrennten Messeinheiten mit jeweils mindestens einem Sensor mit einem A/D-Wandler zum Erfassen von Messdaten betreffend mindestens eine Zustandsgröße der Maschine oder einer Komponente der Maschine und einem Transceiver, um die erfassten Messdaten über ein drahtloses Datennetzwerk an mindestens eine der anderen Messeinheiten und/oder die Auswerteeinheit zu senden, wobei jede Messeinheit einen Digitalisierungsknoten des drahtlosen Datennetzwerks bildet und einen Taktgeber für den bzw. die Sensoren aufweist.
In der EP 1 729 104 A1 ist ein System zum Überprüfen einer Druckluftbremse mit mehreren als Telemetriemodule ausgebildeten Funksensoren beschrieben, die per Funk synchronisiert werden und zunächst eigenständig Messdaten sammeln und diese in einem in dem Funksensor vorhandenen Zwischenspeicher ablegen; nach vollständigem Abschluss der Messung werden die Messdaten per Funk übertragen.
In der US 2006/0146469 A1 ist ein Zustandsüberwachungssystem mit mehreren lokalen Messeinheiten beschrieben, welche die gewonnenen Daten drahtlos an eine Datenempfangseinheit übertragen. Es wird erwähnt, dass Messdaten mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung eines Frame-Synchronisierungspulses und einem Taktsynchrongeber gewonnen werden, wobei die Frame-Synchronisierung und die Takteinstellung im Radiofrequenzbereich erfolgen kann und wobei regelmäßig ein Synchronisierungspuls an alle Messeinheiten bzw. Sensoren des Netzwerks gesendet wird.
In der WO 2011/048269 A1 ist ein System zum Steuern und Synchronisieren von drahtlosen Sensoren beschrieben, wobei bei der Synchronisierung chaotische Synchronisierungssignale übermittelt werden.
Von der Firma Wölfel Messsysteme, Max-Planck-Straße 15, D-97204 Höchberg, ist ein Messsystem mit mehreren Funksensoren erhältlich, die eine Bandbreite von 5 kHz aufweisen und über standardmäßige WLAN-Sticks drahtlos verbunden sind.
In dem Artikel "Clock Synchronization in Wireless LANs without Hardware Support", von A. Mahmood et al., erhältlich unter http://www.iiss.oeaw.ac.at/files/pub/Mahmood2010.pdf, ist ein Verfahren zur Synchronisierung der Echtzeituhren (RTCs) verteilter Systeme beschrieben, wobei der Master nach dem Senden eines Zeitstempels aus einer hohen Schicht des Protokolls einen Zeitstempel aus einer tieferen Schicht des Protokolls extrahiert und an den Slave sendet, wobei der Slave einen Zeitstempel aus einer tieferen Schicht des Protokolls beim Eingang des Datenpakets mit dem Zeitstempel der höheren Schicht des Protokolls extrahiert und mit dem empfangenen Zeitstempel der tieferen Schicht vergleicht, um eine genauere Synchronisierung zu erzielen.
Grundsätzlich erfordert eine verteilte Messdatenerfassung eine zeitliche Synchronisierung der Sensoren. Im Bereich der Maschinendiagnose stellt sich diese Anforderung insbesondere wenn Informationen zur Phasenlage der Schwingungssignalanteile in Bezug zur drehenden Welle mit Hilfe eines Drehgebers abgeleitet werden sollen, wobei dann die Digitalisierung der Schwingungsdaten und die Digitalisierung des Drehgebers hinreichend genau zeitlich synchronisiert werden muss. Auch muss die Digitalisierung von an unterschiedlichen Stellen der Maschine gewonnenen Schwingungssignalen präzise zeitlich synchronisiert werden. Insbesondere sollte die Synchronisierung für die gesamte Dauer der Messung Bestand haben. Der sich aus dem Synchronisierungsfehler ergebende Zeitstempelfehler sollte die Größenordnung der Auflösung der Messgeräte nicht übersteigen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass typische Abtastraten bei Schwingungsmessungen bei der Maschinendiagnose in der Größenordnung von mehreren 100 kHz liegen können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System zur Zustandsüberwachung von Maschinen mittel drahtlos angebundenen Messeinheiten zu schaffen, welches eine hinreichend genaue Synchronisierung der Messeinheiten erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. ein System gemäß Anspruch 29.
Die erfindungsgemäße Lösung ist insofern vorteilhaft, als dadurch, dass für jede Messeinheit während der Messung in bestimmten zeitlichen Abständen die Abweichung des Taktgebers von einem in bestimmten zeitlichen Abständen gesendeten zeitlichen Synchronisierungssignal ermittelt wird und die ermittelte Abweichung zur Korrektur von Taktabweichungen verwendet wird, eine annähernd taktrichtige Auswertung der Messergebnisse zwecks guter Messgenauigkeit erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Abweichung des Taktgebers von der jeweiligen Messeinheit selbst ermittelt, wobei der Taktgeber regelbar ausgebildet ist und von der Messeinheit entsprechend der ermittelten aktuellen Abweichung des Taktgebers nachgeregelt wird, um die Abweichung möglichst gering zu halten.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die ermittelte Abweichung eines jeden Taktgebers mittels des Transceivers über das Datennetzwerk an die Datensammeleinheit gesendet, wobei die Messdaten bei der Auswertung bezüglich der ermittelten Abweichung des jeweiligen Taktgebers während der Messung korrigiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Synchronisierungssignale als FM (frequenzmodulierte) Signale übertragen, wobei es sich bei dem Synchronisierungssignal jeweils um eine Periode oder einen Teil einer Periode eines Sinussignals handeln kann und die Phasenlage des Sinus ausgewertet wird, um den Zeitpunkt des Synchronisierungssignals zu bestimmen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei den Synchronisierungssignalen um digitale Signale, welche Information betreffend die jeweilige Systemzeit des Masters des Datennetzwerks in codierter Form beinhalten, wobei die Systemzeit des Masters vorzugsweise durch Extraktion aus einer tieferen Schicht des Protokolls des Datennetzwerks gewonnen wird, um das Synchronisierungssignal auf einer höheren Schicht zu erzeugen und zu übertragen. Durch die Verwendung von Zeitstempeln aus tieferen Schichten des Protokolls kann eine wesentlich höhere Synchronisierungsgenauigkeit als bei der Verwendung von Zeitstempeln aus höheren Schichten des Protokolls erzielt werden.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform handelt es sich bei den Synchronisierungssignalen um GPS-Zeitsignale.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines erfindungsgemäßen Zustandsüberwachungssystems;
2 ein Beispiel eines Blockschaltbilds der Datensammeleinheit des Systems von 1;
3 ein Beispiel eines Blockschaltbilds einer der Messeinheiten des Systems von 1;
4 ein Beispiel für ein Synchronisierungssignal, wie es in dem System von 1 verwendet werden kann;
5 eine Ansicht wie 1, wobei eine alternative Ausführungsform gezeigt ist;
6 ein Beispiel eines Blockschaltbild eines der Messeinheiten des Systems von 5;
7 eine Ansicht wie 1, wobei eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt ist; und
8 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf von Taktgebersignalen in einer Auswerteeinheit und zwei Messeinheiten eines erfindungsgemäßen Systems, einschließlich eines Beispiels für ein Synchronisierungssignal.
In 1 ist ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems zum Überwachen des Zustands einer rotierenden Maschine 10 schematisch gezeigt, welches eine Auswerteeinheit 12 und mehrere räumlich getrennte Messeinheiten 14A, 14B, ...14N umfasst, welche jeweils mindestens einen Sensor 16 und einen A/D-Wandler 18 zum Erfassen von Messdaten betreffend mindestens eine Zustandsgröße der Maschine oder einer Komponenteder Maschine sowie einen Transceiver 20 aufweisen, um die erfassten Messdaten über eine drahtlose Verbindung 22 an mindestens eine der anderen Messeinheiten 14 und/oder die Datensammeleinheit 12 zu senden. Die Datensammeleinheit 12 weist ebenfalls einen Transceiver 20 zum Datenaustausch mit den Messeinheiten 14 auf, wobei jede Messeinheit 14 einen Digitalisierungsknoten eines drahtlosen Datennetzwerks bildet. Bei den Sensoren 16 kann es sich beispielsweise u.a. um Schwingungssensoren, Körperschallaufnehmer und Drehgeber handeln. Die von den Sensoren gewonnenen Messdaten werden von der Datensammeleinheit 12 gesammelt/zusammengeführt, wobei die Auswertung der Messdaten zwecks Maschinenzustandsdiagnose dann in der Datensammeleinheit 12 selbst oder in einer mit der Datensammeleinheit 12 in Datenverbindung stehenden Einheit (nicht gezeigt) erfolgen kann.
Grundsätzlich ist es für eine aussagekräftige Auswertung der Daten erforderlich, dass die von den einzelnen Messeinheiten 14 gewonnenen Daten mit einem möglichst verlässlichen Zeitstempel versehen sind, so dass die Messdaten zweier Messeinheiten jeweils korrekt zueinander in zeitliche Relation gesetzt werden können. Dies erfordert eine zuverlässige Synchronisierung der einzelnen Messeinheiten 14.
Ein schematisches Beispiel für den Aufbau der Datensammeleinheit 12 ist in 2 gezeigt, während in 3 ein Beispiel für den Aufbau einer Messeinheit 14 gezeigt ist.
Im Beispiel von 1 bis 3 sind zur genauen Synchronisation der Datensammeleinheit 12 und der Messeinheiten 14 in der Auswerteeinheit 12 ein FM/UKW-Funkmodul 24 zum Senden eines FM-Synchronisierungssignals und in den Messeinheiten 14 ein FM/UKW-Funkmodul 26 zum Empfangen des FM-Synchronisierungssignals vorgesehen.
Die Datensammeleinheit 12 weist gemäß dem Beispiel von 2 einen Arbeitsspeicher 28, der zum Ablegen der von den Messeinheiten 14 übermittelten Messdaten verwendet wird, einen Controller 30 sowie eine Systemuhr ("RTC") 32 auf.
Die Transceiver 20 sind beispielsweise als WLAN-Funkmodule ausgebildet, können aber alternativ beispielsweise auch als Bluetooth-Module ausgebildet sein.
Die von der Systemuhr 32 gelieferte Systemzeit wird in regelmäßigen Abständen über den Transceiver 20 an die Messeinheiten 14 gesendet, wobei die Systemzeit der Systemuhr 32 auch an das FM-Funkmodul 24 geliefert wird, um das Aussenden eines entsprechenden Synchronisierungssignals über die FM-Funkstrecke 34 zu veranlassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist Datentnetzwerk in einer Master-Slave-Architektur organisiert, wobei die Datensammeleinheit 12 als Master und die Messeinheiten 14 jeweils als Slaves wirken.
Jede Messeinheit 14 weist einen Taktgenerator 36 zur Taktung des A/D-Wandlers 18, eine Uhr 38 sowie einen Controller 40 auf, wobei die Uhr 38 dazu dient, dem Controller 40 die Uhrzeit zur Verfügung zu stellen, die er dazu verwendet, die von dem A/D-Wandler 18 des Sensors 16 bereitgestellten Messdaten mit einem entsprechenden Zeitstempel zu versehen. Der Zeitstempel wird dabei in einer schematisch bei 42 angedeuteten Einheit erzeugt.
Vor Beginn einer Messung übermittelt die Datensammeleinheit 12 über den Transceiver 20 die von der Systemuhr 32 gelieferte Systemzeit an die Messeinheiten 14. Typischerweise lässt sich jedoch mit einer solchen Systemzeitübertragung keine hinreichende Genauigkeit bei der Synchronisation erzielen, da die Verknüpfung einer solchen auf einer höheren Schicht des Netzwerkprotokolls übertragenen Systemzeit mit der tatsächlichen Hardwaretaktung relativ großen Unsicherheiten bzw. Schwankungen unterworfen ist. Deshalb wird zusätzlich über die FM-Strecke 34 ein Synchronisierungssignal in bestimmten zeitlichen Abständen, typischerweise in regelmäßigen Intervallen, an die Messeinheiten 14 übermittelt.
Dabei wird bei Beginn der Messung ein gemeinsames Startsignal übermittelt, welches die Messeinheiten 14 dazu veranlasst, mit der Messung zu beginnen. Zwar sind nun die Messeinheiten 14 an dem Zeitpunkt, an welchem die Messung beginnt, präzise synchronisiert, jedoch ergibt sich im Verlauf der Messung aus den Ungenauigkeiten bei der Takterzeugung im Taktgenerator 36 der einzelnen Messeinheiten 14 ein mit zunehmender Messdauer anwachsender Synchronisierungsfehler. Um diesen Synchronisierungsfehler über die Messdauer möglichst gering zu halten, sendet die Datensammeleinheit 12 in regelmäßigen Abständen ein Synchronisierungssignal, anhand dessen jede Messeinheit 14 seine Synchronisierungsabweichung feststellen und korrigieren kann. Zu diesem Zweck ist der Taktgenerator 36 regelbar ausgebildet, um entsprechend der ermittelten aktuellen Synchronisierungsabweichung nachgeregelt zu werden. Die Abweichung des Taktgenerators 36 wird dabei von der jeweiligen Messeinheit 14 selbst ermittelt. Da die Anpassung der Synchronisierungsabweichung immer erst im Nachhinein erfolgen kann, ist ein Überschwingen der Regelung grundsätzlich vorteilhaft; entsprechend ist die Regelung vorzugsweise als PD- oder PID-Regelung ausgebildet. Während das Startsignal möglichst unmittelbar (innerhalb weniger Nanosekunden) abgearbeitet werden muss, um den anfänglichen Synchronisierungsfehler möglichst klein zu halten, ist für die Abarbeitung der Nachregelinformation, die in den regelmäßig übermittelten Synchronisierungssignalen implementiert ist, eine wesentlich längere Reaktionszeit (beispielsweise im Millisekundenbereich) zulässig, da sich die Synchronisierungsabweichungen erst im Verlauf der Messung (z.B. erst nach mehreren Sekunden) im kritischen Bereich (d.h. in der Größenordnung der Messgenauigkeit) bewegen. Somit kann die Nachregelung auch in höhere Softwareschichten verschoben werden und kollidiert dann nicht mit anderen zeit- und leistungskritischen Systemaufgaben.
Der Taktgenerator 36 kann beispielsweise als spannungsgesteuerter Quarz oder als Oszillatorschaltung mit Switch-Capacitor-Einheit ausgebildet sein.
Die Abweichung des Taktgenerators 36 kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass für den Zeitraum zwischen dem aktuellen Synchronisierungssignal und dem vorhergehenden Synchronisierungssignal ein Sollwert für die Zahl der in diesem Zeitraum aufzunehmenden Messwerte festgelegt wird und die Zahl der tatsächlich in diesem Zeitraum aufgenommenen Messwerte mit dem Sollwert verglichen wird. Je nach dem Vergleichsergebnis wird dann der Takt des Taktgenerators 36 entsprechend erhöht oder erniedrigt.
Ein Beispiel für das Synchronisierungssignal ist in 4 gezeigt, wo dem Träger, der beispielsweise im Frequenzbereich von 78 bis 108 MHz liegen kann, ein Sinussignal, beispielsweise mit einer Frequenz von 15 kHz, aufmoduliert wird. Der Taktgenerator 36 wird dann über die Flanken des 15 kHz-Signals synchronisiert, d.h. es wird die Phasenlage des Sinussignals ausgewertet, um den Zeitpunkt des Synchronisierungssignals zu bestimmen, so dass sich beispielsweise bei einem 15 kHz-Sinussignal eine Wiederholfrequenz des Synchronisierungssignals von 15 kHz bzw. ein zeitlicher Abstand zwei "Signalen" (d.h zwei Flanken) von etwa 67 µs ergibt. Das Startsignal für die Messung kann beispielsweise von einer Pause des 15 kHz-Signals gebildet werden.
Der verwendete Frequenzbereich des Trägers wird typischerweise anhand der am Einsatzort geltenden gesetzlichen Regulatorien ausgewählt werden. Vorzugsweise ist die Trägerfrequenz des Synchronisierungssignals variabel gestaltet, wobei dann vor der Messung vom Master, d.h. von der Datensammeleinheit 12, die Trägerfrequenz durch einen Frequenz-Scan hinsichtlich des Vorliegens von Störfrequenzen optimiert wird und wobei dann die so ermittelte optimale Trägerfrequenz über das Datennetzwerk, d.h. die Funkstrecken 22, an die Slaves, d.h. die Messeinheiten 14, übermittelt wird.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung können die Messeinheiten 14 so ausgebildet sein, dass sie das empfangene Synchronisierungs-FM-Signal weiterleiten können, um die Reichweite des FM-Synchronisierungssignals zu erhöhen. Allerdings wird es dabei in der Regel nicht möglich sein, das Signal auf Empfangs-Frequenz weiterzuleiten, da es aufgrund der Signallaufzeiten zu Interferenzen kommen kann. Deshalb wird es in der Regel erforderlich sein, dass das Synchronisierungssignal mit einer anderen Trägerfrequenz weitergeleitet wird, als es empfangen wurde. Zweckmäßigerweise sollte jede Messeinheit 14 auf der Frequenz empfangen, die es am besten "hört" und auf einer Frequenz senden, die aus der Sicht der jeweiligen Messeinheit 14 am wenigsten stark belegt ist.
Typischerweise ist jede Messeinheit 14 ausgelegt, um während einer Messung Messdaten mit einer Abtastrate zwischen 5 kHz und 250 kHz aufzunehmen.
Vorzugsweise liegt der zeitliche Abstand der Synchronisierungssignale zwischen 1 und 1000 ms.
Typischerweise liegt die Dauer einer Messung zwischen 1 Sekunde und 1 Stunde.
Als Alternative zu den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei welchen jeder Taktgeber regelbar ausgebildet ist und von der jeweiligen Messeinheit entsprechend der ermittelten aktuellen Abweichung des Taktgebers nachgeregelt wird, kann die ermittelte Abweichung eines jeden Taktgebers 136 mittels des Transceivers 20 über das Datennetzwerk 22 an die Datensammeleinheit 12 gesendet werden, wobei die Messdaten dann bei der Auswertung bezüglich der ermittelten Abweichung der einzelnen Taktgeber 36 während der Messung korrigiert werden können. In diesem Fall wird also eine nachträgliche Korrektur vorgenommen.
In 5 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei welcher das Synchronisierungssignal nicht von der Datensammeleinheit 112 über einen zusätzlich zum Datennetzwerk vorgesehenen FM-Kanal zur Verfügung gestellt wird, sondern das Synchronisierungssignal von dem Zeitsignal der GPS-(Global Positioning System)-Signale gebildet wird. In diesem Fall ist jede Messeinheit 114 statt mit einem FM-Funkmodul mit einem GPS-Empfänger 126 ausgestattet. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen handelsüblichen GPS-Empfänger, welcher an einem ersten Ausgang 127 einen Puls mit einer Rate von einem Puls pro Sekunde zur Verfügung stellt, welches als Startsignal für die Einheit 42 verwendet werden kann, sowie einen zweiten Ausgang 129 aufweist, welcher eine von dem Signal des Ausgangs 127 abgeleitetes Signal mit einer Frequenz von beispielsweise im Bereich von 0,25 Hz bis 1 kHz ausgibt. Das Signal des zweiten Ausgangs 129 kann als Basis für das wiederholte Synchronisierungssignal für den Taktgenerator 36 verwendet werden, indem beispielsweise die Flanken des Signals bzw. die Phasenlage ausgewertet werden. Der das GPS-Signal aussendende Satellit ist in 5 bei 150 angedeutet.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 wird die Datensammeleinheit 112 nicht für die Synchronisation der Messeinheiten 114 benötigt.
Eine weitere alternative Ausführungsform ist in 7 gezeigt, wobei das für den Aufbau des Datennetzwerks verwendete Netzwerkprotokoll so modifiziert wird, dass im Rahmen des Netzwerkprotokolls übertragenen Datenpakete als Synchronisierungssignale verwendet werden können, d.h. es handelt es sich in diesem Fall bei den Synchronisierungssignalen um Datenpakete, welche Information betreffend die Systemzeit des Masters (d.h. der Datensammeleinheit 12) beinhalten. Dabei wird die Systemzeit durch Extraktion aus einer tieferen, d.h. hardwarenahen, Schicht des Protokolls des Datennetzwerks gewonnen, um das Synchronisierungssignal auf einer höheren Schicht zu erzeugen und zu übertragen. Dabei kann das Synchronisierungssignal beispielsweise als Teil der Beacons übertragen werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Netzwerk um ein IEEE 802.11 WLAN.
Ein Beispiel dafür, wie ein modifiziertes Netzwerkprotokoll mittels Extraktion der Systemzeit aus tieferen Schichten zu einer Synchronisation der Netzwerkteilnehmer mit besserer Genauigkeit verwendet werden kann, ist in dem eingangs erwähnten Artikel von A. Mahmood beschrieben. Dabei wird zunächst ein Zeitstempel einer hohen Protokollschicht an den Slave verschickt, wobei der Slave den Zeitpunkt mit einem Zeitstempel markiert, zu welchem der empfangene Zeitstempel der hohen Schicht eine hardwarenahe Schicht erreicht. Ferner erstellt der Master einen Zeitstempel zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Zeitstempel der hohen Protokollschicht eine hardwarenahe Protokollschicht verlassen hat und sendet diesen hardwarenahen Zeitstempel an den Slave, welcher dann die beiden hardwarenahen Zeitstempel vergleicht und daraus die Verzögerung bei der Abarbeitung von Zeitstempeln der hohen Protokollebene ermitteln kann.
Auf diese Weise kann zunächst ein genauer Startzeitpunkt für die Synchronisierung ermittelt werden. Dieses Verfahren kann dann wiederholt angewendet werden, um für die wiederholten Synchronisierungssignale zu sorgen.
Die im Zusammenhang mit 7 beschriebene Ausführungsform mit Modifikation des Mehrzweckprotokolls ist nur für Netzwerkchips möglich, die eine solche Modifikation erlauben. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, dass, falls der Netzwerkchip der Datensammeleinheit 212 eine solche Modifikation nicht erlaubt, eine der Messeinheiten 214 die Rolle des Masters übernimmt – anstelle der Datensammeleinheit 212.
Gemäß einer weiteren Variante kann die Synchronisierung einzelner Sensoren, welche funktechnisch zu stark abgeschattet sind (z.B. durch elektrisch leitende Maschinenteile und/oder magnetische/magnetisierbare Maschinenteile), drahtgebunden erfolgen.
In 8 ist ein schematisches Beispiel für die Nachregelung der Taktgeneratoren 36 gezeigt, wobei bei A die Abtastung eines Referenzknotens (oben) sowie das von dem Referenzknoten ausgegebene Synchronisierungssignal (unten) dargestellt ist, bei B die Abtastung, d.h. die Taktung, eines zweiten Knotens dargestellt ist, und bei C die Abtastung eines dritten Knotens dargestellt ist. Dabei ist beispielhaft dargestellt, dass der erste Knoten im Zeitintervall zwischen den ersten beiden Synchronisierungssignalen zu schnell abtastet, während der zweite Knoten in etwa im Rahmen der Sollabtastrate liegt, wobei der erste Knoten dann im zweiten Intervall, d.h. im Intervall zwischen dem zweiten und dritten Synchronisierungssignal, seine Abtastrate verringert hat, während bei dem zweiten Knoten die Verzögerung gegenüber der Sollabtastrate zu groß geworden ist, so dass diese hochgeregelt wird, und wobei im dritten Intervall, d.h. zwischen dem dritten und vierten Synchronisierungssignal, sowohl der erste als auch der zweite Knoten in etwa wieder die Sollabtastung erreicht haben.
Des Weiteren ist das Verfahren durch folgende Punkte gekennzeichnet:

1. Verfahren zum Überwachen des Zustands einer rotierenden Maschine (10) mittels einer Datensammeleinheit (12, 112, 212) und einer Mehrzahl von räumlich getrennten Messeinheiten (14, 114, 214) mit jeweils mindestens einem Sensor (16) mit einem A/D-Wandler (18) zum Erfassen von Messdaten betreffend mindestens eine Zustandsgröße der Maschine oder einer Komponente der Maschine und einem Transceiver (20), wobei die Datensammeleinheit zum Sammeln der erfassten Messdaten vorgesehen ist, wobei jede Messeinheit einen Digitalisierungsknoten eines drahtlosen Datennetzwerkes bildet, und wobei jede Messeinheit einen Taktgeber (36) für den Sensor bzw. die Sensoren aufweist, wobei in dem Verfahren die Taktgeber vor einer Messung in einem Start-Synchronisierungsschritt mittels eines gemeinsamen Startsignals synchronisiert werden, die Sensoren während der Messung Messdaten mit einer Abtastrate im Bereich von 5 kHz bis 250 kHz aufnehmen, für jede Messeinheit während der Messung in bestimmten zeitlichen Abständen die Abweichung des Taktgebers von einem in bestimmten zeitlichen Abständen gesendeten gemeinsamen Synchronisierungssignal ermittelt wird, und während oder nach der Messung die erfassten Messdaten mittels des Transceivers über das Datennetzwerk an mindestens eine der anderen Messeinheiten und/oder die Datensammeleinheit gesendet werden, wobei die ermittelte Abweichung des Taktgebers jeder Messeinheit zur Korrektur von Taktabweichungen verwendet wird, um eine taktrichtige Auswertung der Messergebnisse zu erzielen.
2. Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Taktgebers (36) von der jeweiligen Messeinheit (14, 114, 214) selbst ermittelt wird.
3. Verfahren gemäß Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Taktgeber (36) regelbar ausgebildet ist und von der jeweiligen Messeinheit (14, 114, 214) entsprechend der ermittelten aktuellen Abweichung des Taktgebers nachgeregelt wird, um die Abweichung möglichst gering zu halten.
4. Verfahren gemäß Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Taktgebers (36) als PD oder PID-Regelung ausgebildet ist.
5. Verfahren gemäß Punkt 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Taktgeber (36) als spannungsgesteuerter Quarz oder als Oszillatorschaltung mit Switch-Capacitor-Einheit ausgebildet ist.
6. Verfahren gemäß einem der Punkt 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Taktgebers (36) dadurch ermittelt wird, dass für den Zeitraum zwischen einem Synchronisierungssignal und dem vorhergehenden Synchronisierungssignal ein Sollwert für die Zahl in diesem Zeitraum aufzunehmenden Messwerte festgelegt wird, und die Zahl der tatsächlich in diesem Zeitraum aufgenommenen Messwerte mit diesem Sollwert verglichen wird.
7. Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Abweichung eines jeden Taktgebers (36) mittels des Transceivers (20) über das Datennetzwerk an die Datensammeleinheit (12, 112, 212) gesendet wird, wobei die Messdaten bei der Auswertung bzgl. der ermittelten Abweichung der einzelnen Taktgeber während der Messung korrigiert werden.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand der Synchronisierungssignale konstant ist
9. Verfahren gemäß Punkt 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand der Synchronisierungssignale 1 bis 1000 ms beträgt.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung eine Dauer zwischen 1 s und 1 h hat.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Datennetzwerk mit einer Master-Slave-Architektur ausgebildet ist, wobei der Master das Startsignal und die Synchronisierungssignale vorgibt.
12. Verfahren gemäß Punkt 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datensammeleinheit (12, 112, 212) den Master des Datennetzwerks bildet.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungssignale als FM-Signal übertragen werden.
14. Verfahren gemäß Punkt 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei jedem Synchronisierungssignal jeweils um eine Flanke eines Sinussignals handelt, wobei die Phasenlage des Sinus ausgewertet wird, um den Zeitpunkt des Synchronisierungssignals zu bestimmen.
15. Verfahren gemäß Punkt 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Start-Signal um eine Pause des Sinussignals handelt.
16. Verfahren gemäß Punkt 11 und einem der Punkte 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenz variabel ist und vor der Messung vom Master durch einen Scan über das mögliche Frequenzband hinsichtlich dem Vorliegen von Störfrequenzen optimiert wird, wobei die durch den Scan ermittelte optimale Trägerfrequenz vom Master über das Datennetzwerk an die Slaves übermittelt wird.
17. Verfahren gemäß einem der Punkte 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheiten (14) ausgebildet sind, um jedes Synchronisierungs-FM-Signal weiterzuleiten, um die Reichweite des FM-Signals zu erhöhen.
18. Verfahren gemäß Punkt 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Synchronisierungs-Signal mit einer anderen Trägerfrequenz weitergeleitet wird als es empfangen wurde.
19. Verfahren gemäß einem der Punkte 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das FM-Signal eine Trägerfrequenz zwischen 70 und 110 MHz aufweist.
20. Verfahren gemäß Punkt 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungssignale Datenpakete sind, welche Information betreffend die jeweilige Systemzeit des Masters des Datennetzwerks beinhalten.
21. Verfahren gemäß Punkt 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemzeit des Masters durch Extraktion der Systemzeit aus einer tieferen Schicht des Protokolls des Datennetzwerkes gewonnen wird, um das Synchronisierungssignal auf einer höheren Schicht zu erzeugen und zu übertragen.
22. Verfahren gemäß Punkt 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungssignal als Teil der Beacons übertragen wird.
23. Verfahren gemäß einem der Punkte 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Datennetzwerk um ein IEEE 802.11 WLAN handelt.
24. Verfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemzeit über das Datennetzwerk übertragen wird.
25. Verfahren gemäß einem der Punkte 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Start-Signal und bei den Synchronisierungssignalen um GPS-Zeitsignale handelt.
26. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Datennetzwerk als WLAN oder als Bluetooth-Netzwerk ausgebildet ist.
27. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Sensoren (16) ein Drehgeber ist.
28. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Sensoren (16) ein Schwingungssensor oder Körperschallsensoe ist.
29. System zum Überwachen des Zustands einer rotierenden Maschine (10), mit einer Mehrzahl von räumlich getrennten Messeinheiten (14, 114, 214) mit jeweils mindestens einem Sensor (16) mit einem A/D-Wandler zum Erfassen von Messdaten betreffend mindestens eine Zustandsgröße der Maschine oder einer Komponente der Maschine und einem Transceiver (20), um die erfassten Messdaten über ein drahtloses Datennetzwerk an mindestens eine der anderen Messeinheiten und/oder eine Datensammeleinheit (12, 112, 212) zum Sammeln der erfassten Messdaten zu senden, wobei die Sensoren ausgebildet sind, um während der Messung Messdaten mit einer Abtastrate im Bereich von 5 kHz bis 250 kHz aufnehmen wobei jede Messeinheit ausgebildet ist, um einen Digitalisierungsknoten eines drahtlosen Datennetzwerkes zu bilden, und wobei jede Messeinheit einen Taktgeber für den Sensor bzw. die Sensoren aufweist, wobei jede Messeinheit ausgebildet ist, um den Taktgeber vor einer Messung mittels eines gemeinsamen Start-Synchronisierungssignals zu synchronisieren und während der Messung in bestimmten zeitlichen Abständen die Abweichung des Taktgebers von einem Synchronisierungssignal zu ermitteln, und wobei das System ausgebildet ist, um die ermittelte Abweichung des Taktgebers jeder Messeinheit zur Korrektur von Taktabweichungen zu verwenden, um eine taktrichtige Auswertung der Messergebnisse zu erzielen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1729104 A1 [0002]
US 2006/0146469 A1 [0003]
WO 2011/048269 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.iiss.oeaw.ac.at/files/pub/Mahmood2010.pdf [0006]
IEEE 802.11 WLAN [0048]
IEEE 802.11 WLAN [0054]

Claims

Verfahren zum Überwachen des Zustands einer rotierenden Maschine (10) mittels einer Datensammeleinheit (12, 112, 212) und einer Mehrzahl von räumlich getrennten Messeinheiten (14, 114, 214) mit jeweils mindestens einem Sensor (16) mit einem A/D-Wandler (18) zum Erfassen von Messdaten betreffend mindestens eine Zustandsgröße der Maschine oder einer Komponente der Maschine und einem Transceiver (20), wobei die Datensammeleinheit zum Sammeln der erfassten Messdaten vorgesehen ist, wobei jede Messeinheit einen Digitalisierungsknoten eines drahtlosen Datennetzwerkes bildet, und wobei jede Messeinheit einen Taktgeber (36) für den Sensor bzw. die Sensoren aufweist, wobei in dem Verfahren die Taktgeber vor einer Messung in einem Start-Synchronisierungsschritt mittels eines gemeinsamen Startsignals synchronisiert werden, die Sensoren während der Messung Messdaten mit einer Abtastrate im Bereich von 5 kHz bis 250 kHz aufnehmen, für jede Messeinheit während der Messung in bestimmten zeitlichen Abständen die Abweichung des Taktgebers von einem in bestimmten zeitlichen Abständen gesendeten gemeinsamen Synchronisierungssignal ermittelt wird, und während oder nach der Messung die erfassten Messdaten mittels des Transceivers über das Datennetzwerk an mindestens eine der anderen Messeinheiten und/oder die Datensammeleinheit gesendet werden, wobei die ermittelte Abweichung des Taktgebers jeder Messeinheit zur Korrektur von Taktabweichungen verwendet wird, um eine taktrichtige Auswertung der Messergebnisse zu erzielen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Taktgebers (36) von der jeweiligen Messeinheit (14, 114, 214) selbst ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Taktgeber (36) regelbar ausgebildet ist und von der jeweiligen Messeinheit (14, 114, 214) entsprechend der ermittelten aktuellen Abweichung des Taktgebers nachgeregelt wird, um die Abweichung möglichst gering zu halten.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Taktgebers (36) als PD oder PID-Regelung ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Taktgeber (36) als spannungsgesteuerter Quarz oder als Oszillatorschaltung mit Switch-Capacitor-Einheit ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Taktgebers (36) dadurch ermittelt wird, dass für den Zeitraum zwischen einem Synchronisierungssignal und dem vorhergehenden Synchronisierungssignal ein Sollwert für die Zahl in diesem Zeitraum aufzunehmenden Messwerte festgelegt wird, und die Zahl der tatsächlich in diesem Zeitraum aufgenommenen Messwerte mit diesem Sollwert verglichen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Abweichung eines jeden Taktgebers (36) mittels des Transceivers (20) über das Datennetzwerk an die Datensammeleinheit (12, 112, 212) gesendet wird, wobei die Messdaten bei der Auswertung bzgl. der ermittelten Abweichung der einzelnen Taktgeber während der Messung korrigiert werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand der Synchronisierungssignale konstant ist
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand der Synchronisierungssignale 1 bis 1000 ms beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung eine Dauer zwischen 1 s und 1 h hat.