PLC平台上用于设备状态监控、诊断以及时间-故障/服务预测的嵌置预报制造技术

本发明专利技术涉及一种嵌置在可编程逻辑控制器(PLC)软件平台中的预报分析软件模块。在PLC实时操作程序的循环期间，只在预报分析软件模块空闲时才从传感器读取数据并写到缓冲区中。然后，由PLC软件平台的系统功能块激活预报分析软件模块。在确定任何预报信息之前，使用从传感器数据中提取的特征，自动训练预报分析软件模块内的预测模型。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】嵌置在可编程逻辑控制器的软件平台中的预报分析方法相关申请的交叉引用本申请要求以2012年4月13日提交的、美国临时申请序号为61/623,647、名称为“EmbeddedPrognosticsonPLCPlatformsforEquipmentConditionMonitoring,DiagnosisandTime-to-Failure/ServicePrediction”的申请为优先权，该申请的全部内容在此以引用方式并入本文。
本专利技术一般涉及用于机器监控的技术。具体而言，本专利技术涉及可编程逻辑控制器平台中执行设备预报的嵌置预报(prognostics)分析软件。
技术介绍
意外停机仍是制造业中影响生产力和总体拥有成本的重要问题。对出现的故障和劣化趋势的早期检测可以避免停机，针对性维护工作提高生产力并节约成本。制造厂里基于状态的维护系统持续传送关于机器状态及性能的数据，但对于现场工程师和管理工作人员的挑战是有效利用巨量数据来准确地检测设备劣化。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种技术，给可编程逻辑控制(PLC)系统增加用于预报的本地数据处理能力。所提出的系统可以潜在地应用于广泛的应用。所提出的系统利用现代PLC平台的计算能力(例如，多核CPU)来提供设备预报信息作为增值功能。本系统适于不同运行状态/用途，并且，能以最小人为干预在正常运行期间识别并诊断设备故障。在重大故障出现之前，本系统使用PLC诊断消息或简单的物理指示诸如灯光告警用户需要进行维护。正常运行期间后台收集(同步方式或异步方式)多传感器数据，并且通过一套数据分析算法将数据转换成单位数健康指标。如果健康指标超过统计/预定门限，则触发诊断和预测功能，以便确定故障类型和/或潜在的剩余使用寿命或工作时间。本专利技术是一种用于确定有关由可编程逻辑控制器控制的设备的预报信息的方法。本方法利用嵌置在可编程逻辑控制器的软件平台中的预报分析程序。确定预报分析程序是否具有空闲状态。如果是，那么，在可编程逻辑控制器实时循环期间，由可编程逻辑控制器从数据采集装置中读取预定数量的数据样本，并将这些数据样本写到缓冲区中。然后，可编程逻辑控制器软件平台的系统功能块激活预报分析程序以具有活动状态。从缓冲区将数据样本读入预报分析程序。基于来自缓冲区的数据样本，识别设备的运行状态，以及，基于设备的运行状态，从来自缓冲区的数据样本中提取多个特征。确定与所识别出的运行状态相对应的模型是否已经过训练，以及，只有该模型已经过训练，才在基于特征来确定预报信息时使用该模型。在确定预报信息之后，设定预报分析程序状态为空闲。在本专利技术的另一方面，提供一种非暂时性计算机可用介质，具有存储于其上的计算机可读指令，用于由处理器执行，以便使用如上所述的嵌置在可编程逻辑控制器的软件平台中的预报分析程序，执行用于确定有关由可编程逻辑控制器控制的设备的预报信息的操作。在本专利技术的又一方面，提供一种可编程逻辑控制器，其具有如上所述的嵌置在该可编程逻辑控制器的软件平台中的预报分析程序。附图说明图1是示出根据本专利技术一种实施例的带有嵌置预报的PLC操作的示意图；图2是示出根据本专利技术实施例的带有嵌置预报的PLC的方块图；图3是示出根据本专利技术实施例的带有嵌置预报的PLC的特定结构的方块图；图4是示出根据本专利技术一种实施例的方法的流程图；图5是图示根据本专利技术实施例的数据处理概要的示意性方块图；图6是示出根据本专利技术一种实施例的用于对系统进行测试的试验台的方块图；图7a、图7b、图7c、图7d和图7e是根据本专利技术的一种实施例在测试一种系统的过程中所产生的原始振动数据的曲线；图8是示出有关使用图6试验台的几次测试运行所计算出的与基线的偏差的曲线；以及图9是根据本专利技术一种实施例的数据处理系统的示意性方块图。具体实施方式在将预报算法适配于使用中的众多类型的设备和应用而不要求明显的努力以实现各种情形时仍有许多挑战。进一步的挑战在于，使预报解决方案更靠近于设备以保证信息在正确的时间传送给正确的人。例如，现行方法可以使用执行实际计算的、远离PLC的状态监控服务器。大量的数据必须从PLC传输至用于信息处理的远程计算机。这种数据传输会招致网络信息流通量问题以及在存储并维持大量数据方面的扩大成本。此外，数据传输的滞后可能延迟信息处理，并导致维修决策的滞后。本文所描述的系统向设备用户传送简单、可靠的机器诊断和预报信息。本技术的关键要求在于，应当产生这种信息而不用自定义机器建模、自定义参数、或特殊机器测试循环—也就是，尽可能接近“即插即用”。嵌置式PLC平台上的预报解决方案的开发使分析功能更靠近于设备，以更低成本的控制器针对更广泛的应用。用图1中所示的系统100说明嵌置式PLC平台上预报解决方案的基本概念。外部传感器130测量关于设备110或其环境的属性。设备可以例如是如所示的加工中心。传感器类型的广泛范围可以由客户选择。由整理和/或编译数据的数据采集装置(DAQ)140读取传感器测量结果。广泛范围的数据采集装置类型也可以由客户选择。将数据周期性地从数据采集装置140传输至PLC系统115上的嵌置预报分析程序120。然后，将由预报分析程序120计算出的结果150传输至人机接口(MMI)或存储器160。预报分析程序结果对于机器操作人员等是本地可得到的。因为该分析在本地发生，所以无需通过工厂网络传输大量的测量数据。方法将预报功能集成到PLC平台中。使用PLC输入模块和/或第三方装置和/或内部传感器信号，集成系统收集来自传感器的数据。系统使用嵌置预报库将数据自动转换成预报信息。在本披露中使用下列缩写词：WinAC-视窗自动化中心RT-实时RTX-实时扩展ODK-开放式开发工具包OB-组织块DB-数据块CCX-自定义代码扩展DLL-动态链接库RTDLL-实时动态链接库WinLC-视窗逻辑控制器SFB-系统功能块DAQ：数据采集AI-模拟输入DI-数字输入SOM-自组织映射系统结构图2中示出根据本专利技术的一种PLC系统200。系统包括PLC215，其运行至少两个程序：在PLC的实时操作系统中运行的程序216；以及嵌置的预报分析软件220。PLC循环程序217根据实时操作系统程序216周期性地运行。PLC循环程序217收集来自DAQ装置240的数据，所述DAQ装置240与安装在设备210上的传感器连接。PLC循环程序217还可以收集来自内部传感器的数据。取决于采样频率的要求，PLC循环可以正常或高速循环地执行。可以使用多个PLC循环来收集不同采样频率要求下的数据。当收集了预定数量的数据样本时，使系统功能块218初始化，以便激活嵌置的预报分析软件220，并传送缓冲区中的数据至预报分析软件220。预报分析软件220处理所接收的数据。预报分析软件实现为插件软件组件，诸如按照DLL格式。它还提供机会以使用第三方装置260，诸如商品化工业用人机接口。图3中示出在运行WinAC的西门子PLC系统315上的系统结构200(图2)的示例实现300。组织块317从在WinLC实时扩展中运行的程序316的步骤7开始循环地运行。组织块317中的程序从与安装在设备310中的传感器330相连接的DAQ装置340中收集数据。当收集了预定数量的数据样本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使用嵌置在可编程逻辑控制器的软件平台中的预报分析程序来确定有关由所述可编程序控制器控制的设备的预报信息的方法，所述方法包括：确定所述预报分析程序是否具有空闲状态；只有所述预报分析程序具有空闲状态，才在可编程逻辑控制器实时循环期间，由所述可编程逻辑控制器从数据采集装置中读取预定数量的数据样本，并将所述数据样本写到缓冲区中；在将所述预定数量的数据样本写到所述缓冲区之后，由所述可编程逻辑控制器的软件平台的系统功能块将所述预报分析程序激活为具有活动状态；从所述缓冲区将所述数据样本读入所述预报分析程序；基于来自所述缓冲区的所述数据样本，识别所述设备的运行状态；基于所述设备的所述运行状态，从来自所述缓冲区的所述数据样本中提取多个特征；确定与所识别出的运行状态相对应的模型是否已经过训练；只有所述模型已经过训练，才使用所述模型，基于所述特征确定所述预报信息；以及在确定所述预报信息之后，设定所述预报分析程序状态为空闲。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.13 US 61/623,6471.一种用于使用嵌置在可编程逻辑控制器的软件平台中的预报分析程序来确定有关由所述可编程逻辑控制器控制的设备的预报信息的方法，所述方法包括：确定所述预报分析程序是否具有空闲状态；只有所述预报分析程序具有空闲状态，才在可编程逻辑控制器实时循环期间，由所述可编程逻辑控制器从数据采集装置中读取预定数量的数据样本，并将所述数据样本写到缓冲区中；在将所述预定数量的数据样本写到所述缓冲区之后，由所述可编程逻辑控制器的软件平台的系统功能块将所述预报分析程序激活为具有活动状态；从所述缓冲区将所述数据样本读入所述预报分析程序；基于来自所述缓冲区的所述数据样本，识别所述设备的运行状态；基于所述设备的所述运行状态，从来自所述缓冲区的所述数据样本中提取多个特征；确定与所识别出的运行状态相对应的模型是否已经过训练；只有所述模型已经过训练，才使用所述模型，基于所述特征确定所述预报信息；以及在确定所述预报信息之后，设定所述预报分析程序状态为空闲。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：只有与所述运行状态相对应的所述模型未经过训练，才执行以下操作：将所提取的特征保存到数据阵列，所述数据阵列含有从所述预报分析程序的先前激活中积累的数据记录，各数据记录包括了在单次激活期间提取的特征；以及只有所述数据阵列中的数据记录的数量超过记录的门限数量，才使用所述数据记录训练所述模型。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在读取所述预定数量的数据样本之前，确定满足数据采集触发条件。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数据采集触发条件是所述设备正在运行。5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在读取所述预定数量的数据样本之前，确定不满足数据采集触发条件；响应于对不满足数据采集触发条件的确定：清除所述缓冲区；以及返回，以确定所述预报分析程序是否具有空闲状态。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述数据采集触发条件是所述设备正在运行。7.根据权利要求1所述的方法，还包括：在从所述缓冲区将所述数据样本读取至所述预报分析程序之后，选择所述数据样本的最稳定窗口，用于提取所述多个特征。8.根据权利要求7所述的方法，还包括：对所述数据样本的所述窗口应用快速傅里叶变换，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖林峡，E埃利古尔，Z埃德蒙森，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US