Distribuér sensorer hurtigt til IIoT-baseret forudsigelig vedligeholdelse, ved hjælp af MEMS-accelerometre

Tilstandsovervågning af maskiner ved hjælp af vibrationssensorer er et nøgleelement i Industrial Internet of Things (IIoT eller Industry 4.0) mål om forudsigelig vedligeholdelse. Det giver produktionsfaciliteter mulighed for at identificere og løse maskinproblemer, før de udløser katastrofale sammenbrud, der kan standse produktionen, mens der udføres nødreparationer. For designere har den traditionelle fremgangsmåde ved brug af piezoelektriske (PE) vibrationssensorer har omkostninger til materialer (BOM) såvel som ledningsudgifter og kompleksitet ved implementering, der kan begrænse deres mulighed for implementering.

For at reducere omkostningerne og forenkle installationen kan designere i stedet se på kapacitive mikroelektromekaniske system (MEMS)-sensorer. De seneste forbedringer i ydelsen af disse sensorer har bragt dem til et niveau, der kan sammenlignes med PE-sensorer, mens lavere omkostninger, større integration og industrielle tolerancefordele ved deres CMOS-fundamenter bevares. Disse forbedringer inkluderer integrerede AD-konvertere, filtre og endda indlejrede byggesten til maskinlæring for at sikre, at disse enheder har omkostningseffektive egenskaber, der retfærdiggør deres omfattende installation.

Denne artikel diskuterer fordelene ved MEMS-kapacitive accelerometre i applikationer til vibrationsovervågning. Derefter introduceres eksempler på enheder fra Analog Devices og STMicroelectronics der viser, hvordan de hurtigt kan implementeres som et udbredt sensor-netværk for mere grundig, omkostningseffektiv forudsigelig vedligeholdelsesdetektering af industrimaskiner.

Hvorfor bruge vibrationer til forudsigelig vedligeholdelse

Vibration er en indikator, der længe er brugt til tilstandsovervågning, diagnostik og forudsigelig vedligeholdelse af industrielle maskiner. For eksempel kan den rigtige sensor med passende behandling bruges til at detektere problemer såsom ubalance i belastning, forkert justering, fejl i kuglelejer. Forskellige amplituder og frekvenser af vibrationer, kan indikere at en eller anden type fej er under udvikling (figur 1) .

Figur 1: Den rigtige sensor og passende behandling kan opdage problemer som belastning eller motorisk ubalance og fejl i kuglelejer samt vibrationer, der kan forudsige at en eller anden type fejl er under udvikling. (Billedkilde: Analog Devices)

Der er etableret standarder for sensorsystemerne, der bruges til vibrationsovervågning. ISO 2954: 2012 standarden, “Mekanisk vibration af roterende og frem- og tilbagegående maskiner – Krav til instrumenter til måling af vibrationsgraden” er et godt eksempel. I sådanne instrumenter er accelerometre en kernekomponent. Men i et typisk design bruges sensorens signaler ikke direkte.

I moderne systemer er det første trin i vibrationsovervågning at digitalisere accelerometerets signal vha. en ADC. Når signalet er digitaliseret, er accelerationens måling mindre følsom over for elektrisk støj, og behovet for præcision af analog signalkonditionering kan elimineres. Overvågning af vibration kræver derefter flere trin i filtrering af og forbehandling af accelerometerdata for at eliminere støj og trække diagnostisk nyttig information ud.

Krav til forbehandling accelerometersignal

Signalet fra accelerometeret skal først filtreres med et højpasfilter for at fjerne eventuelle DC-komponenter, bias for sensoren eller påvirkning af tyngdekraften. Det filtrerede signal kan derefter bruges på to måder: Den ene er direkte information om accelerations, mens den anden er vibrationshastighed der findes ved at integrere det filtrerede signal over tid. Det resulterende hastighedssignal kræver også højpasfiltrering for at fjerne behovet for at kende systemets oprindelige hastighed (integrationskonstanten) ved analyse af information om hastighed (figur 2).

Figur 2: De rå accelerometerdata skal forbehandles for at fjerne bias samt integreres for at beregne hastighed vibrationen, før nyttig overvågning og diagnostisk information kan udvindes. (Billedkilde: Richard A. Quinnell)

Afhængig af anvendelsen kan en række analyseteknikker anvendes til disse accelerations- og hastighedssignaler for at udtrække nyttig information om maskinens tilstand. En af de mest almindelige og vidt anvendte teknikker er at beregne vibrationens RMS-hastighed (Root Mean Square - RMS) og bestemme dens tendens over tid. Efterhånden som maskiner slides, udvikler de mere plads til at bevæge sig rundt, hvilket igen får hastighed af vibrationer til at stige. Overvågning af tendenser af RMS-hastighed giver derefter en indikator på slid, der kan sammenlignes med forudbestemte tærskler for at identificere et behov for vedligeholdelse.

Accelerationen kan også sammenlignes med forudbestemte tærskler for at detektere bøjning eller brud i mekanismer, især i roterende maskiner. Sådanne defekter vil typisk manifestere sig som periodiske spikes i signalet. En tendens til stigende acceleration eller ustabilitet i accelerationsprofilen over tid er også en indikator på slid og skader.

Spektral analyse giver yderligere indsigt

Transformering af accelerations- og hastighedsdataene fra tidsdomænet til frekvensdomænet vha. en FFT-transformation (Fast Fourier Transformation - FFT) giver yderligere detaljeret indsigt i maskinens tilstand. I roterende maskiner, for eksempel, vil et stærkt signal med en enkelt frekvens, der er relateret til rotationshastigheden, indikere en ubalance eller en bøjet aksel. Generel løshed eller en ødelagt tand i et tandhjul vil derimod skabe et slagsignal, med stort harmonisk indhold. Et stærkt amplitude moduleret signal af lave frekvenser, er et kraftfuldt diagnostisk værktøj til analyse af et gearsystem.

Vellykket anvendelse af disse forskellige diagnostiske teknikker stiller forskellige krav til det accelerometer, der leverer kildedataene. Dets båndbredde skal for eksempel være bred nok til let at fange modulation til grundlæggende rotation i motoren, såvel som harmonier af højere orden. Synkrone vekselstrømsmotorer roterer typisk med 3600 o/min (rpm), og desuden kan en DC-motor variere fra 10 o/min til 7000 o/min eller mere, så en passende sensorbåndbredde kan være nødt til at variere så lavt som 0,1 Hz eller så højt som 5 til 10 kHz, afhængigt af maskinens design.

Følsomhed er også vigtig. Afhængig af sensorens størrelse, kan det eneste monteringspunkt, der er tilgængeligt til tilstandsovervågning af bevægende maskiner, være på huset, langt væk fra vibrationens faktiske kilde inde i maskinen. Denne afstand vil dæmpe vibrationen, hvilket fører til et svagt signal. Som et resultat deraf skal både signal fra sensoren og stien fra sensoren til ADC'en have så lav støj som muligt for at undgå elektrisk interferens som f.eks. fra motorviklingerne, der kan undertrykke det interessante signal.

Sensorer for vibrationsovervågning skal have god stabilitet over tid og temperaturen. Stabilitet er især vigtig, når du bruger RMS-hastighedstendenser som et diagnostisk værktøj. Ændringer i aflæsning af acceleration over tid eller temperatur akkumuleres under integrationen, der genererer data om hastighed, hvilket kompromitterer trendens-målingerne.

Ud over disse performancekrav er der flere sensorattributter, der er vigtige ud fra et system-designperspektiv. Sensoren skal være så lille som muligt for at maksimere mulighederne for placering på maskinen, der overvåges. Lav vægt er også vigtigt for at undgå, at sensorens masse påvirker maskinens vibrationer.

For at minimere behovet for at bruge dyre, koaksiale kabler med lav støj til at forbinde en analog sensor til en digitaliserer, kombineres mange accelerometre til industriel tilstandsovervågning med en ADC, kommunikationskredsløb og muligvis en DSP i et sensormodul. I sådanne moduler skaber både deres lille størrelse og lave strømforbrug mulighed for batteri og trådløs betjening, hvilket yderligere forenkler placering og reducerer omkostninger til kabling og kompleksitet. Minimering af sensormodulets samlede omkostninger forbedrer omkostningseffektiviteten af tilstandsovervågning, hvilket giver flere muligheder for at anvende forebyggende vedligeholdelse.

MEMS-accelerometre imødekommer udfordringen med performance, omkostninger og integration

Fremskridt inden for CMOS-design og fremstillingsteknologi har gjort det muligt for MEMS-kapacitive accelerometre at imødekomme disse performance- og systemdesignattributter til en lang række industrielle applikationer beregnet til overvågning af tilstand. Fordi de er fremstillet ved hjælp af processer, der er kompatible med CMOS-integreret kredsløbsproduktion, får MEMS-accelerometre en betydelig fordel i forhold til traditionelle piezoelektriske accelerometre – MEMS-enhederne kan integrere mange af et sensorsmoduls funktioner i en pakke på chipstørrelse.

BEMÆRKNING: Det er vigtigt at påpege på dette stadium, at piezoelektriske sensorer stadig benyttes og dominerer i applikationer, der kræver ekstrem temperaturtolerance, eller hvor vibrationer over 50 g er sandsynligt.

STMicroelectronics IIS3DWBTR triaksial MEMS-accelerometer er et godt eksempel (figur 3). Denne enhed indeholder tre, ultrabrede båndbredde (DC til 6 kHz) accelerationssensorer sammen med en ADC, en brugerkonfigurerbar digital filterkæde, en temperatursensor, en 3 kilobyte (Kbyte) FIFO og en SPI seriel interface og alt sammen i en pakke til overflademontering, der kun måler 2,5 x 3 x 0,83 mm. Den bruger lav effekt, arbejder fra 2,1 til 3,6 volt og trækker kun 1,1 mA under fuld drift. En 5 µA sleep-mode vågner automatisk op ved aktivitetsdetektion. Det er også robust med en driftstemperatur i området fra -40 °C til +105 °C samt 10.000 g stødresistents. En valgbar følsomhed (±2, ±4, ±8 eller ±16 g) gør det muligt at skræddersy denne til en række applikationskrav.

Figur 3: CMOS MEMS-teknologi tillader, at accelerometre som STMicroelectronics IIS3DWBTR inkluderer et integreret ADC, digitalt filter, FIFO-hukommelse og mere i kompakte, lavt strømforsyningspakker for at minimere omkostninger til vibrationsovervågning. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Fremkomsten af enheder som IIS3WDB har ændret række mulighederne for overvågning af vibrationstilstand. Ved at integrere alle de væsentlige attributter i et sensormodul til et lavt omkostningsniveau minimerer enhederne de samlede BOM-omkostninger ved at gøre overvågningen omkostningseffektiv over et bredere anvendelsesområde. Den lille størrelse og tre-akset sensing (som eliminerer behovet for specifik orientering) udvider mulighederne for sensorplacering, herunder indlejring i maskinen. Det digitale interface tillader enkel ledning at forbinde sensoren til host-processorer til dataindsamling og analyse, mens den integrerede forbehandlings- og FIFO-buffer gør kommunikationen med hosten mindre krævende. Det lave strømbehov åbner for batteridrift.

MEMS-enhedsdesign kan gå videre med hensyn til integration. I samme pakningsstørrelse som IIS3WDBTR, for eksempel STMicroelectronics ISM330DHCXTR indlejre både et tre-akset accelerometer og et tre-akset gyrometer til seks grader af bevægelsessensor, såvel som den funktionalitet, der findes i IIS3DWBTR. Desuden inkluderer det et I²C-interface, sensor-hub mulighed, 9 Kbyte FIFO, en programmerbar finite-state maskine til databehandling og kerneblokkene til maskinlæring, så enheden kan tilpasse sin funktion til dennes unikke installation.

Moduler integrerer databehandling

Til endnu mere krævende applikationer er MEMS-sensormoduler komplet med indbygget processering blevet tilgængelige i meget kompakte formater. For eksempel er Analog Devices ADIS16228CMLZ sensormodul vibration et komplet triaksialt, ±18 g MEMS-accelerometer med et integreret ADC og et 512-punkts FFT til vibrationsanalyse i frekvensområdet – Alt i et hus på 15 x 24 x 15 mm (figur 4). Enheden har også programmerbare alarmer til seks spektrale bånd, der er i stand til at signalere advarsler eller fejlregistrering afhængigt af energiniveauet i disse bånd.

Figur 4: MEMS-vibrationssensormoduler komplet med indbygget FFT-behandling og frekvensbaseret fejlregistrering, ligesom Analog Devices ADIS16628, fås i robuste, kompakte huse. (Billedkilde: Analog Devices)

MEMS-teknologi tilbyder komplette sensorsystemer, der er i stand til at håndtere helt op til ±50 g. Analog Devices ADCMXL3021BMLZhar f.eks. en 10 kHz sensorbåndbredde, 220 kilo samples pr. sekund (ADS'er), digitale filtre og brugerkonfigurerbar tid og FFT-baserede betingede alarmer. Men selv med al dens indbyggede processorkapacitet kræver enheden typisk kun 30 mA ved 3,3 volt.

Disse komplette vibrationssensorsystemmoduler tilbyder mange brugerkonfigurerbare indstillinger og attributter som forbehandling af filterbåndbredde, FFT-vinduesfunktion, tærskelværdi på frekvensbånd, tidsmæssig statistik og lignende. Brug af dem effektivt, kræver at brugerne har en stærk forståelse af deres systems karakteristika og de mange teknikker til vibrationsanalyse, de muligvis anvender. Tilsvarende vil udviklere, der søger at oprette deres egne vibrationsovervågningssystemer ved hjælp af chipsensorer som IIS3DWB eller ISM330DHCX, have brug for at kende deres målsystemegenskaber og forstå deres behandlingsmuligheder.

Start med et evalueringskit

For at begynde at opbygge denne baggrund vil et udviklingskit såsom STMicroelectronics STEVAL-STWINKT1 kunne være et godt udgangspunkt (figur 5). Kittet modul inkluderer både IIS3DWB og ISM330DHCX sammen med adskillige andre sensorer og en ARM® Cortex®-M4-processor med floating-point enhed til at håndtere den ekstra behandling. Modulet kan få strøm fra et inkluderet Li-Ion-batteri og tilbyder en indbygget Bluetooth Low Energy-radio samt et Wi-Fi-udvidelseskort til trådløs forbindelse, hvilket gør kittet velegnet til brug som en selvstændig sensor til tilstandsovervågning i feltinstallationer.

Figur 5: Udviklingskits som STEVAL-STWINKT1 giver ikke kun udviklere accelerometre og andre MEMS-sensorer, der kan evalueres men kan også fungere som selvstændige moduler til industriel overvågning. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Kittet leveres fuldt understøttet med et komplet sæt firmware til udvikling af tilstandsovervågning og forudsigelig vedligeholdelsesapplikationer. Dette inkluderer middleware til vibrationsanalyse i tidsdomænet (RMS-hastighed og accelerations spikes) såvel som i frekvensområdet. Softwaren er også kompatibel med virksomhedens DSH-PREDMNT webbaseret forudsigeligt vedligeholdelses-dashboard til overvågning af sensordata og enhedsstatus. Eksempel på implementeringer er tilgængelige for at give udviklere et køreplan for deres egen software design.

Konklusion

Mens piezoelektriske sensorer stadig dominerer i applikationer, der kræver ekstrem temperaturtolerance eller vibrationsregimer over 50 g, deres størrelse og behov for diskrete ADC'er og forbehandlingshardware (med tilhørende kabelforhold og kompleksitet) har traditionelt begrænset deres anvendelsesområde til overvågning af udstyr med høj værdi.

I stedet kan designere bruge MEMS-accelerometre, der tilbyder et kompakt, omkostningseffektivt alternativ, der forenkler installationen og udvider række applikationer til vibrationsovervågning. Sammen med den stadigt stigende performance, som disse enheder tilbyder, giver MEMS-accelerometre designere mulighed for let at anvende fordelene ved vibrationstilstandskontrol og forudsigelig vedligeholdelse af maskiner i alle størrelser.