Brug af en MEMS-sensor til vibrationsovervågning

Vibrationsovervågning (VM) har eksisteret i lang tid og er blevet brugt til at overvåge en maskines, udstyrs eller strukturs tilstand. De vibrationsdata, der indsamles via dedikerede sensorer under driften af en maskine, overvåges og analyseres i realtid.

Hovedmålet med vibrationsovervågning er at reducere risikoen for dødelige skader og potentielle line-down-situationer, hvilket fører til en endelig kontrol og reduktion af driftsomkostningerne.

Vibrationsdata fra en vibrationssensor kan bruges som et selvstændigt input eller kombineres med andre sensordata afhængigt af de operationelle krav. For eksempel kan vibrationsdataene i en applikation til automatisering af en fabrik kombineres med:

1. Temperatur
2. Røg
3. Luftfugtighed
4. Tryk
5. Lyd

Denne kombination skaber et komplet system, der giver en mere robust og pålidelig løsning.

I nogle andre anvendelsestilfælde, f.eks. strukturovervågning, kan vibrationsdataene kombineres med data om hældningsposition, der indsamles via et inklinometer, for at bestemme strukturens tilstand.

De indsamlede data indlæses i dedikerede algoritmer, herunder de nye algoritmer med kunstig intelligens (AI), for at udvikle en model, der kan forudsige potentielle fremtidige fejl. Oplysningerne fra modelforudsigelsen kan derefter bruges til at opbygge viden til at træffe beslutninger om, hvorvidt der skal træffes øjeblikkelige foranstaltninger for at undgå produktivitetstab.

En ny tendens inden for fabriksautomatisering er fremkomsten af AI-algoritmer, som kan trænes på baggrund af sensordata for at forudsige, hvilke opgaver der skal udføres. Dette letter byrden for de enkelte operatører, som tidligere skulle træffe kritisk vanskelige og tidskrævende beslutninger. En autonomt automatiseret fabrik fratager de enkelte operatører ansvaret og reagerer automatisk på ændrede driftsforhold.

Vibrationssensor

En vigtig komponent i en vibrationsovervågningsapplikation er en vibrationssensor. De nyeste vibrationssensorer er baseret på MEMS-teknologi, der anvender det samme koncept som accelerationsdetektion i et accelerometer. Den største forskel ligger i sensorens båndbredde. Et MEMS-accelerometer har en typisk båndbredde på 3 kHz, men en vibrationssensor er i stand til at registrere vibrationer ved en betydeligt højere båndbredde. Vibrationssensorers evne til at optage højfrekvente signaler gør det muligt at foretage en mere præcis frekvensanalyse af vibrationerne. Den nyeste MEMS-vibrationssensor har en båndbredde på over 6 kHz, hvilket vil blive diskuteret senere.

En MEMS-baseret vibrationssensor har mange anvendelsesmuligheder, og figur 1 indeholder en liste over nogle af de vigtigste anvendelser. Overvågning af motorvibrationer er en vigtig byggesten i en vellykket fabriksautomatisering. Vibrationsovervågning i jernbaner kan bidrage til at undgå katastrofale togulykker. Husholdningsapparater som f.eks. vaskemaskiner er blevet udstyret med vibrationsovervågning, siden MEMS-sensorer blev introduceret i industrielle applikationer. Anvendelsen af strukturel overvågning har taget fart siden fremkomsten af MEMS-sensorer til en overkommelig pris. F.eks. har kommunerne ansvaret for at overvåge vibrationer på broer for at sikre, at konstruktionerne er i god stand. Broens vibrationsdata, især i spidsbelastningstimer, kan give værdifulde oplysninger om eventuelle uregelmæssigheder, der kan forårsage broens sammenbrud.

Figur 1: Nogle MEMS-sensor-vibrationssensoranvendelser. (Billedkilde: STMicroelectronics)

De tekniske specifikationer for en vibrationssensor skal analyseres omhyggeligt for at sikre, at sensoren kan opfylde kravene til den pågældende applikation. Tabel 1 viser de vigtigste parametre for en af de nyeste vibrationssensorer, der tilbydes af STMicroelectronics. Denne enhed kan opfange vibrationer i det 3-dimensionelle rum (x, y, z). De tre frihedsgrader, som denne enhed har, giver fleksibilitet til at placere enheden i monteringsretningen.

Det fulde skalaområde på op til 16 g acceleration pr. akse er tilstrækkeligt til at dække det vibrationsamplitudeområde, der typisk kræves for at overvåge en maskines tilstand.

Denne enhed har en ultrabred båndbredde, flad frekvensgang op til 6,3 kHz og indbygget filtrering, der eliminerer frekvensaliasing.

En anden vigtig egenskab ved denne anordning er den meget lave spektrale støjtæthed. Dette er en meget vigtig fordel, når lavfrekvente vibrationer skal opfanges.

Sammenlignet med den eksisterende vibrationssensor er driftstemperaturområdet udvidet til +105 °C for at opfylde kravene til et krævende driftsmiljø.

Enheden kan betjenes enten i 3-aksetilstand eller en enkeltaksetilstand, som kan vælges via dedikerede registre. I 3-aksetilstand er alle tre akser (x, y, z) aktive samtidigt. I enaksetilstand er kun én akse aktiv. I enaksetilstand forbedres opløsningen (støjtætheden) af den aktive akse betydeligt.

Tabel 1: De vigtigste parametre for de nyeste vibrationssensorer, der tilbydes af STMicroelectronics.

Anvendelser til vibrationsovervågning

Vibrationsovervågning henviser normalt til analysen af vibrationer i en maskine, udstyr eller et apparat som en del af en omfattende applikation, der kaldes tilstandsovervågning (CM) eller tilstandsbaseret overvågning (CbM). Vibrationsanalysen spiller en vigtig rolle i overvågningen af maskinens tilstand over tid. Ud over indsamling af vibrationsdata omfatter en komplet tilstandskontrolløsning imidlertid flere sensorer til at indsamle vitale udstyrsparametre, herunder temperatur, støj, tryk, røg og luftfugtighed. Hver af disse sensorer giver værdifulde oplysninger om en bestemt tilstand i maskinen. Disse sensordata bliver fusioneret, behandlet og analyseret for at opbygge viden om maskinens generelle tilstand, så der kan træffes kritiske beslutninger om vedligeholdelse af maskinen.

Figur 2 illustrerer nogle af de vigtigste anvendelser af vibrationsovervågning på forskellige markeder. Fordelingen i denne figur understreger betydningen af indsamling og analyse af vibrationsdata som en del af en omfattende løsning til CM. Der kan bruges yderligere sensorer til at indsamle data, som vil blive samlet for at opnå et pålideligt og effektivt resultat. I de nyeste løsninger, der tilbydes i branchen, bringer intelligente algoritmer, der anvender sensordata, disse løsningers muligheder og effektivitet op på et nyt niveau. Disse innovative og effektive løsninger kan bidrage til at reducere omkostningerne og ineffektiviteten i forbindelse med nedlukningssituationer, som ellers ville være uundgåelige, betydeligt.

Figur 2: Forskellige anvendelser af vibrationsovervågning. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Cloud computing er blevet en af de kritiske dele af en omfattende løsning, der omfatter sensordata indsamlet fra flere forskellige steder i en virksomhed for at sikre, at der ikke er nogen afbrydelser på noget niveau på noget sted. Den centrale databehandlingsenhed i skyen bruges til at kombinere og analysere alle data og overvåge de involverede maskiner og udstyr i realtid for at sikre en gnidningsløs og uafbrudt drift.

Figur 3 indeholder en liste over de vigtigste byggesten i et vibrationsovervågningssystem. Afhængigt af systemets behov og krav kan der monteres en række forskellige sensorer på det udstyr, der skal overvåges. Listen over sensorer omfatter:

• Vibration
• Inertisensormodul
• Temperatur
• Luftfugtighed
• Tryk
• Sensor for omgivende lys
• Inklinometer

Der kræves en behandlingsenhed til at analysere de indsamlede data. Afhængigt af datamængden, fortrolighed, datasikkerhed, latenstid og strømbehov kan analyserne udføres på den lokale behandlingsenhed eller overføres til et cloudbehandlingscenter, hvor alle data fra flere forskellige apparater indsamles og analyseres.

Figur 3: Byggestenene i et vibrationsovervågningssystem. (Billedkilde: STMicroelectronics)

På et tidspunkt efter installationen og under driften af maskinen begynder maskinens tilstand at ændre sig. Det er vigtigt at have alle de nødvendige sensorer installeret for at indsamle data om ultralyd og hørbar støj, vibrationer, strømforbrug, temperatur og eventuel røg. Efterhånden som tiden går, bliver det nødvendigt at indsamle maskinparametre og sensordata for at overvåge maskinens tilstand.

Figur 4 viser den typiske IPF-kurve (Installation and Point of Failure) for en maskine, der overvåges. Der kan gå måneder eller endda år fra ændringen af maskinens tilstand til den endelige fejl, før den begynder at vise symptomer på fejl. Tidlig analyse af sensordata kan give en indikation af maskinens tilstand, og trænede AI-algoritmer, der anvender sensordata som input, kan forudsige en fejl og iværksætte processen med at træffe de nødvendige foranstaltninger.

Figur 4: IPF-kurve. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Figur 5 viser et eksempel på vibrationsovervågning af en elektrisk pumpe. Forskellige forhold som f.eks. ubalance, løshed, udgangsaksel og pumpens gearkasse kan overvåges ved hjælp af en vibrationssensor. Vibrationssensordataene overføres derefter til yderligere omfattende analyser, herunder en Fast Fourier Transfer (FFT) af vibrationsdataene, som kan bestemme den individuelle frekvenssignatur for disse forhold.

Figur 5: Vibrationsovervågning af en elektrisk pumpe under forskellige forhold. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Et tilstandsovervågningssystem til en elektrisk motor kan have flere komponenter ud over den elektriske motor. Løsningen kan have flere sensorer, herunder sensorer til vibrationer, temperatur, tryk og andre sensorer, afhængigt af kravene i driftsmiljøet. Muligheden for tilslutning mellem pumpen og behandlingsenheden kan være en kablet eller trådløs løsning med dedikerede kommunikationsprotokoller. Behandlings- og analyseenheden kan levere pumpediagnostik og visualiseringsværktøjer til at hjælpe operatøren med proaktivt at identificere og håndtere problemer som f.eks. uregelmæssigheder i pumpen, der kan resultere i driftsstop og afbrydelser. Dette proaktive engagement kan øge virksomhedens indtjening ved at sænke drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne for fabrikken.

Konklusion

Der anvendes mange sensorer for at implementere en omfattende løsning til forebyggende vedligeholdelse. De nyeste MEMS-baserede vibrationssensorer har muliggjort effektive og omkostningseffektive vibrationsovervågningsløsninger inden for fabriksautomatisering, elforsyning, husholdningsapparater og overvågning af strukturel sundhed. Vibrationsovervågning kan anvendes som en enkeltstående løsning eller som en del af tilstandsbaseret overvågning, der er blevet udviklet som en integreret del af en omfattende løsning til overvågning af forskellige maskiner ved at indsamle og analysere data i realtid. Denne løsning har givet fabrikkerne i det^21. århundrede mulighed for proaktivt at overvåge og løse problemer, der opstår som følge af produktivitetsforstyrrelser og nedbrud i maskinerne. Vibrationsovervågning er en vigtig byggesten i en omfattende løsning i enhver fabriksautomatisering.

Referencer

1. Ultrabred båndbredde, støjsvag, 3-akse digital vibrationssensor: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Analog mikrofon med bundport med frekvensrespons op til 80 kHz til ultralydsanalyse og applikationer til forudsigelig vedligeholdelse. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. I²C/SMBus 3.0-temperatursensor med lav spænding, ultra lavt strømforbrug og 0,5 °C nøjagtighed. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/stts22h.html
4. https://www.st.com/en/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview
5. https://www.st.com/en/applications/factory-automation.html