Implementer raskt sensorer for IIoT-basert forebyggende vedlikehold ved bruk av MEMS-akselerometre

Tilstandsovervåking av maskiner som bruker vibrasjonssensorer er et sentralt element i Industrial Internet of Things (IIoT) (eller Industry 4.0) sitt mål om forebyggende vedlikehold. Den lar produksjonsanlegg identifisere og løse maskinproblemer før de utløser katastrofale sammenbrudd som kan stoppe produksjonen mens nødreparasjoner blir utført. For konstruktører har den tradisjonelle tilnærmingen ved å bruke piezoelektriske (PE) vibrasjonssensorer materialkostnaden, så vel som utgifter med kabling og implementeringskompleksitet, som kan begrense utspredelsen.

For å redusere kostnader og forenkle distribusjonen, kan konstruktører i stedet se på kapasitive mikroelektromekaniske system-sensorer (MEMS-sensorer). Nylige forbedringer i ytelsen på disse sensorene har brakt dem til nivåer som kan sammenlignes med PE-sensorer, samtidig som de beholder de lave kostnadene, bedre integrasjon og industrielle toleransefordeler med sine CMOS-fundamenter. Disse forbedringene inkluderer integrerte A–D-omformere (ADC-er), filtre, til og med innebygde byggeblokker for maskinlæring, for å sikre at disse enhetene har kostnadseffektive attributter som rettferdiggjør den utbredte installasjonen deres.

Denne artikkelen tar for oss fordelene med MEMS-kapasitive akselerometre i utrustninger for vibrasjonsovervåkning. Senere i artikkelen introduseres eksempelenheter fra Analog Devices og STMicroelectronics og viser hvordan de raskt kan distribueres som et utbredt sensornettverk for grundigere og mer kostnadseffektiv deteksjon (føling) i forebyggende vedlikehold av industrimaskiner.

Hvorfor bruke vibrasjoner for forebyggende vedlikehold

Vibrasjon er en indikator som lenge er brukt i tilstandsovervåking, diagnostikk og forebyggende vedlikehold av industrimaskiner. For eksempel kan den rette sensoren med passende prosessering brukes til å oppdage problemer som ubalanse på belastning, feiljustering, kulelagerfeil og forskjellige amplituder og frekvenser av vibrasjoner som kan indikere at en annen type feilmodus utvikler seg (figur 1) .

Figur 1: Den rette sensoren og passende prosessering kan oppdage problemer som belastning eller ubalanse i motoren og kulelagerfeil, vibrasjoner kan som kan forutsi om det utvikler seg annen type feilmodus. (Bildekilde: Analog Devices)

Det finnes hjelp i at det er etablert standarder for sensorsystemene som brukes i vibrasjonsovervåking. ISO 2954: 2012-standarden, «Mekanisk vibrasjon av roterende og frem- og tilbakegående maskiner – Krav til instrumenter for måling av vibrasjonsgrad» Er et godt eksempel. I slike instrumenter er akselerometre en kjernekomponent. Men i en typisk konstruksjon brukes ikke sensorens signaler direkte.

I moderne systemer er det første trinnet i vibrasjonsovervåking å bringe akselerometerets signal inn i det digitale domenet ved hjelp av en A–D-omformer (ADC). Når den er digitalisert, er akselerasjonsmålingen mye mindre følsom for elektrisk støy og behovet for nøyaktig analog signalkondisjonering kan elimineres. Vibrasjonsovervåking krever da flere stadier med filtrering og forbehandling av råakselometerdataene for å eliminere støy og trekke ut diagnostisk nyttig informasjon.

Krav til akselerometer-signalbehandling

Akselerometer-signalene må først filtreres med høyt passasje for å fjerne alle likestrømskomponenter (DC), for eksempel sensorspenning eller virkningene av tyngdekraften. Det filtrerte signalet kan deretter brukes på to måter: den ene måten er å jobbe med akselerasjonsinformasjon direkte, mens den andre måten skal arbeide med vibrasjonshastighet, oppnådd ved å integrere det filtrerte signalet over tid. Det resulterende hastighetssignalet krever også høypassfiltrering for å eliminere behovet for å kjenne til systemets begynnelseshastighet (integrasjonskonstanten) ved analyse av hastighetsinformasjon (figur 2).

Figur 2: Rå-akselerometerdata må bearbeides for å fjerne skjevhet, samt integreres for å gi en måling av vibrasjonshastigheten før nyttig overvåking og diagnostisk informasjon kan trekkes ut. (Bildekilde: Richard A. Quinnell)

Avhengig av bruken, kan en rekke analyseteknikker brukes på disse akselerasjons- og hastighetssignalene for å hente ut nyttig intelligens om maskinens tilstand. En av de vanligste og mest brukte teknikkene er å beregne vibrasjonens kvadratiske gjennomsnittshastighet (RMS-hastighet) og fastsette trenden over tid. Når maskiner slites, utvikler de mer plass å bevege seg på, som igjen får vibrasjonshastigheten til å øke. Overvåking av RMS-hastighetstrender gir da en indikator på slitasje som kan sammenlignes med forhåndsbestemte terskler for å identifisere et behov for vedlikehold.

Akselerasjon kan også sammenlignes med forhåndsbestemte terskler for å oppdage bøyning eller brudd i mekanismer, spesielt i roterende maskiner. Slike feil vil vanligvis manifestere seg som periodiske «spisser» i signalet. En trend med økende akselerasjon eller ustabilitet i akselerasjonsprofilen over tid er også en indikator på slitasje og skade.

Spektralanalyse gir en ytterligere innsikt

Transformering av akselerasjons- og hastighetsdata fra tidsdomenet til frekvensdomenet ved bruk av en hurtig fouriertransform (FFT) åpner døren for enda mer detaljert innsikt i maskinens tilstand. I roterende maskineri, vil for eksempel et sterkt signal med en enkelt frekvens som er relatert til rotasjonshastigheten indikere en ubalanse eller en bøyd sjakt. Noe som løst, eller en ødelagt girtann derimot, vil skape et støtsignal som er rikt på harmonisk innhold. Et sterkt signal som er amplitudemodulert av en lavere frekvens, er et kraftig diagnostisk verktøy for analyse av girinnkobling.

Vellykket bruk av disse forskjellige diagnostiske teknikkene stiller en rekke krav til akselerometeret som leverer kildedataene. Båndbredden bør for eksempel være bred nok til å enkelt fange opp modulering til grunnleggende motorrotasjon så vel som harmonier i en høyere orden. Synkrone AC-motorer roterer typisk med 3600 omdreininger per minutt (o/min) og likestrømsmotorer kan variere fra 10 o/min til 7000 o/min eller mer, så en passende sensorbåndbredde kan ha behov for å variere så lavt som 0,1 hertz (Hz) eller så høyt som fem til ti kilohertz (kHz), avhengig av maskinens konstruksjon.

Følsomhet er også viktig. Avhengig av sensorens størrelse, kan det eneste monteringspunktet som er tilgjengelig for tilstandskontroll av bevegelige maskiner være på huset på maskinen, et godt stykke unna vibrasjonens faktiske kilde inne i maskinen. Denne avstanden vil dempe vibrasjonen, og føre til et svakt signal. Som et resultat må både sensorsignalet og banen fra sensoren til A–D-omformeren (ADC-en) være så lav støy som mulig, for å unngå elektriske forstyrrelser, for eksempel fra motorviklingene, som kan overdøve det interessante signalet.

Sensorer for vibrasjonsovervåkning må ha god stabilitet over tid ved ulike temperaturer. Stabilitet er spesielt viktig når du bruker RMS-hastighetstrender som et diagnoseverktøy. Endringer i akselerasjonsavlesningen over tid eller temperatur vil akkumuleres under integrasjonen som genererer hastighetsdataene, noe som går utover trendmålingene.

I tillegg til disse ytelseskravene, er det flere sensorattributter som er viktige fra et systemkonstruksjonsperspektiv. Sensoren skal være så liten som mulig for at det skal være flere alternativer for plassering på maskinen som skal overvåkes. Lav vekt er også viktig for å unngå at sensorens masse påvirker maskinens vibrasjonsegenskaper.

For å minimere behovet for å bruke kostbare, støysvake koaksialkabler for å koble en analog sensor til en digitaliserer, kombineres mange akselerometre for industriell tilstandsovervåkning med en A–D-omformer (ADC), samt kommunikasjonskretsløp og muligens noe digital signalbehandling til en sensormodul. I slike moduler gir både den lille størrelsen deres og lavt strømforbruk en mulighet for batteri og trådløs drift, noe som ytterligere forenkler plassering og reduserer kablingskostnader og kompleksitet. Minimering av sensormodulens totale kostnader forbedrer kostnadseffektiviteten av tilstandsovervåkning, samt det åpner for flere muligheter til å bruke forebyggende vedlikehold.

MEMS-akselerometre møter utfordringene med ytelse, kostnader og integrering

Fremskritt innen CMOS-konstruksjon og fabrikasjonsteknologi har gjort det mulig for MEMS-kapasitive akselerometre å oppfylle disse ytelses- og systemkonstruksjonsattributtene for et bredt spekter av industrielle utrustninger for tilstandskontroll. Fordi de er produsert ved hjelp av prosesser som er kompatible med CMOS-integrert kretsproduksjon, får MEMS-akselerometre en betydelig fordel i forhold til tradisjonelle piezoelektriske akselerometre - MEMS-enhetene kan integrere mange av en fullsensormodulens funksjoner i en kapsling i brikke-størrelse.

MERK: Det er viktig å påpeke på dette stadiet at piezoelektriske sensorer fremdeles har en viktig posisjon, de dominerer i konstruksjoner som krever ekstrem temperaturtoleranse eller der vibrasjoner over 50 g er sannsynlig.

STMicroelectronics IIS3DWBTR triaksial MEMS-akselerometer er et godt eksempel (figur 3). Denne enheten inneholder tre akselerasjonssensorer (DC til 6 kHz) med ultrabred båndbredde, sammen med en A–D-omformer (ADC), en brukerkonfigurerbar digital filterkjede, en temperatursensor, en 3 kilobyte (Kbyte) FIFO og et SPI med serielt grensesnitt – alt i en kapsling for overflatemontering som bare måler 2,5 x 3 x 0,83 millimeter. Den har lite effekt, fungerer fra 2,1 til 3,6 volt og trekker bare 1,1 milliampere (mA) under full drift. Forbruk på 5 mikroampere (µA) i dvalemodus og den aktiverer seg (våkner) automatisk ved aktivitetsdeteksjon. Den er også robust, med et arbeidstemperaturområde fra -40 °C til +105 °C og med sjokkmotstand på 10.000 g. En valgbar følsomhet (±2, ±4, ±8 eller ±16 g) gjør det mulig å skreddersy den til en rekke bruksområder.

Figur 3: CMOS MEMS-teknologi gjør at akselerometre som STMicroelectronics IIS3DWBTR kan inkludere en integrert A–D-omformer (ADC), digitalt filter, FIFO-minne med mer i kompakte kapslinger med lav effekt for å minimere kostnadene med vibrasjonsovervåkning. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Introduksjonen av enheter som IIS3WDB har endret rekke muligheter for overvåking av vibrasjoner. Ved å integrere alle sensormodulens essensielle attributter til et lavtkost-punkt, minimerer enhetene de samlede materialkostnadene for å gjøre overvåkningen kostnadseffektiv for et større omfang av utrustninger. Den lille størrelsen og tre-akset deteksjon (føling) (som eliminerer behovet for spesifikk retning) utvider alternativene for sensorplassering, inkludert innbygging i maskinen. Det digitale grensesnittet gjør det enkelt å koble sensoren til vertsprosessorer for datainnsamling og analyse, mens den integrerte forbehandlingen og FIFO-bufferen gjør kommunikasjonen med verten mindre krevende. Det lave strømbehovet åpner døren for batteridrift.

MEMS-enhetskonstruksjoner kan gå lenger med hensyn til integrasjon. I samme kapslingsstørrelse som IIS3WDBTR, for eksempel STMicroelectronics ISM330DHCXTR inneholder både et tre-akset akselerometer og et tre-akset gyrometer for seks grader av bevegelsesdeteksjon (føling), i tillegg til all funksjonaliteten som er i IIS3DWBTR. Videre inkluderer det et I²C-grensesnitt, sensorknutefunksjon, 9 Kbyte FIFO, en programmerbar maskin for endelig tilstand for databehandling, og kjerneblokkene for maskinlæring, slik at enheten kan tilpasse driften til den unike installasjonen.

Moduler integrerer databehandling

For enda mer krevende bruksområder er MEMS-sensormoduler komplett med innebygd prosessering blitt tilgjengelige i svært kompakte formater. For eksempel er Analog Devices ADIS16228CMLZ-vibrasjonssensormodulen et full triaksial, 18 g MEMS-akselerometer med integrert A-D-omformer og en 512-punkts-FFT for vibrasjonsanalyse i frekvensområdet – alt i et hus på 15 x 24 x 15 mm (figur 4). Enheten har også programmerbare alarmer for seks spektrale bånd som er i stand til å signalisere advarsler eller feilregistrering avhengig av energinivået i disse båndene.

Figur 4: MEMS vibrasjonssensormoduler komplett med innebygd FFT-prosessering og frekvensbasert feildeteksjon, som Analog Devices ADIS16628, er tilgjengelige i robuste, kompakte hus. (Bildekilde: Analog Devices)

MEMS-teknologien tilbyr komplette sensorsystemer som er i stand til å håndtere helt opp til ±50 g. Analog Devices sin ADCMXL3021BMLZ har for eksempel 10 kHz sensorbåndbredde, 220 kilo prøve-sekund (ADC-er), digitale filtre, og brukerkonfigurerbar tid og FFT-baserte betingede alarmer. Selv med all den innebygde prosesseringsevnen, trenger enheten vanligvis bare 30 mA ved 3,3 volt.

Disse komplette vibrasjonssensor-systemmodulene tilbyr mange brukerkonfigurerbare alternativer for slike attributter som forbehandler filterbåndbredde, FFT-vindusfunksjon, frekvensbåndterskel, tidsstatistikk og lignende. Å bruke dem effektivt krever at brukerne har en meget god forståelse av systemets egenskaper og de mange vibrasjonsanalyseteknikkene systemene kan benytte. På samme måte vil utviklere som ønsker å lage sine egne vibrasjonsovervåkningssystemer ved bruk av brikkesensorer som IIS3DWB eller ISM330DHCX, må de kjenne til målsystemets egenskaper og forstå behandlingsalternativene deres.

Begynn med et eval-sett

For å begynne å bygge denne bakgrunnen, kan et utviklingssett som STMicroelectronics STEVAL-STWINKT1 være et godt utgangspunkt (figur 5). Settets modul inkluderer både IIS3DWB og ISM330DHCX, sammen med en rekke andre sensorer og en Arm® Cortex®-M4-prosessor med flytende enhet for å håndtere tilleggsbehandlingen. Modulen kan drives fra det medfølgende Li-Ion-batteriet og tilbyr en innebygd laveffekts Bluetooth-radio, samt et Wi-Fi-utvidelseskort for trådløs tilkobling, noe som gjør settet egnet for bruk som en frittstående overvåkningssensor i feltinstallasjoner.

Figur 5: Utviklingssett som STEVAL-STWINKT1 gir ikke bare utviklere akselerometre og andre MEMS-sensorer som skal evalueres, de kan fungere som frittstående moduler for industriell overvåking. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Settet leveres fullt støttet med et komplett sett med firmware for å utvikle tilstandsovervåking og forutsigbare vedlikeholdsutrustninger. Dette inkluderer mellomvare (middleware) for vibrasjonsanalyse i tidsdomenet (RMS-hastighet og akselerasjonstopper) så vel som i frekvensdomenet. Programvaren er også kompatibel med selskapets DSH-PREDMNT nettbasert dashbord for forebyggende vedlikehold for overvåking av sensordata og enhetsstatus. Eksempel implementeringer er tilgjengelige for å gi utviklere et veikart for sitt eget arbeid med programvareutvikling.

Konklusjon

Mens piezoelektriske sensorer fremdeles dominerer i utrustninger som krever ekstrem temperaturtoleranse og håndterer vibrasjoner over 50 g, har størrelsen deres og behov for diskrete A-D-omformere og maskinvare for forhåndsbehandling (med tilhørende kablingskostnader og kompleksitet) tradisjonelt begrenset bruksområdet til overvåkning av anleggsutrustning i høy prisklasse.

I stedet kan konstruktører bruke MEMS-akselerometre som tilbyr et kompakt, kostnadseffektivt alternativ som forenkler distribusjonen og utvider spekteret av utrustninger for vibrasjonsovervåking. Sammen med den stadig økende ytelsen disse enhetene tilbyr, gir MEMS-akselerometre konstruktører mulighet til å ta i bruk fordelene med vibrasjonssituasjonsovervåking og forebyggende vedlikehold for maskiner i alle størrelser.