Bruke en MEMS-sensor for vibrasjonsovervåking

Vibrasjonsovervåking (VM – Vibration Monitoring) har eksistert i ganske lang tid og har blitt brukt til å overvåke helsen til en maskin, utstyret eller en struktur. Vibrasjonsdataene som samles inn via dedikerte sensorer under driften av en maskin, overvåkes og analyseres i sanntid.

Hovedmålet med vibrasjonsovervåking er å redusere risikoen for dødelige skader og potensielle avbrudd i produksjonslinjen, noe som gir styring og reduksjon av endelige driftskostnader.

Vibrasjonsdataene fra en vibrasjonssensor kan brukes som frittstående input eller kombineres med andre sensordata, avhengig av driftskravene. I en konstruksjon for fabrikkautomatisering kan vibrasjonsdataene for eksempel kombineres med:

1. Temperatur
2. Røyk
3. Luftfuktighet
4. Trykk
5. Lyd

Denne kombinasjonen genererer et komplett system som vil gi en mer robust og pålitelig løsning.

I visse andre brukstilfeller, for eksempel strukturell overvåking, kan vibrasjonsdataene kombineres med vippeposisjonsdataene som samles inn via et inklinometer for å fastsette konstruksjonens helse.

De innsamlede dataene mates inn i dedikerte algoritmer, som omfatter de nye algoritmene for kunstig intelligens (AI), for å kunne utvikle en modell som kan forutsi potensiell fremtidig svikt. Informasjonen om modellforutsigelse kan deretter brukes til å bygge kunnskap, slik at beslutninger om hvorvidt eventuelle umiddelbare tiltak må tas for å unngå produktivitetstap.

En ny trend innen fabrikkautomatisering er fremveksten av AI-algoritmer, som kan trenes basert på sensordata for å forutsi hvilke oppgaver som skal utføres. Dette reduserer byrden til de enkelte operatørene som tidligere måtte ta svært vanskelige og tidkrevende beslutninger. En autonom automatisert fabrikk eliminerer ansvaret til individuelle operatører og reagerer automatisk på endrede driftsforhold.

Vibrasjonssensor

Vibrasjonssensoren er en viktig komponent i konstruksjoner for vibrasjonsovervåking. De nyeste vibrasjonssensorene er basert på MEMS-teknologi (MEMS – mikro-elektromekaniske systemer) ved å bruke det samme konseptet for akselerasjonsdeteksjon som er å finne i et akselerometer. Hovedforskjellen ligger i båndbredden til sensoren. Et MEMS-akselerometer har en typisk båndbredde på 3 kHz, men en vibrasjonssensor er i stand til å detektere vibrasjonen ved betydelig høyere båndbredder. Vibrasjonssensorens evne til å fange høyfrekvente signaler muliggjør mer nøyaktig frekvensanalyse av vibrasjonen. Den nyeste MEMS-vibrasjonssensoren tilbyr en båndbredde på over 6 kHz, noe vi vil se nærmere på senere.

En MEMS-basert vibrasjonssensor har mange bruksområder, og figur 1 viser en liste over noen viktige bruksområder. Overvåking av motorvibrasjoner er et viktig element i vellykket fabrikkautomatisering. Vibrasjonsovervåking i jernbaner kan bidra til å unngå katastrofale togulykker. Husholdningsapparater som vaskemaskiner har blitt utstyrt med vibrasjonsovervåking helt siden MEMS-sensorer ble tilgjengelige i industrielle konstruksjoner. Strukturell overvåking har fått fart helt siden prisgunstige MEMS-sensorer kom på markedet. For eksempel har kommunene ansvar for å overvåke vibrasjoner i broer for å sikre at strukturen er i god helse og stand. Dataene over brovibrasjoner, særlig innsamlet under rushtiden, kan gi verdifull informasjon om eventuelle avvik som kan føre til at broen kollapser.

Figur 1: Noen bruksområder for MEMS-vibrasjonssensorer. (Bildekilde: STMicroelectronics)

De tekniske spesifikasjonene til en vibrasjonssensor må analyseres nøye for å sikre at sensoren kan oppfylle kravene til målkonstruksjonen. Tabell 1 viser de viktigste parametrene til en av de nyeste vibrasjonssensorene som tilbys av STMicroelectronics. Denne enheten kan fange vibrasjonen i det tredimensjonale rommet (x, y, z). De tre frihetsgradene som tilbys av denne enheten gir fleksibilitet til å posisjonere enheten i monteringsretningen.

Fullskalaområdet på opptil 16 g akselerasjon per akse er tilstrekkelig til å dekke vibrasjonsamplitudeområdet som vanligvis kreves for å overvåke helsen til en maskin.

Denne enheten tilbyr en flat frekvensrespons på opptil 6,3 kHz med svært bred båndbredde, samt integrert filtrering som eliminerer frekvensaliaseffekt.

En annen viktig egenskap til denne enheten er den svært lave spektrale støytettheten. Dette er en svært viktig fordel når lavfrekvente vibrasjoner skal registreres.

Sammenlignet med den eksisterende vibrasjonssensoren, utvides driftstemperaturområdet til +105 °C for å oppfylle kravet til krevende driftsmiljøer.

Enheten kan betjenes enten i en treakset modus eller en enakset modus, som kan velges gjennom dedikerte registre. I den treaksede modusen er alle tre aksene (x, y, z) aktive samtidig. I den enaksede modusen er kun én akse aktiv. I enakset modus forbedres oppløsningen (støytettheten) til den aktive aksen betydelig.

Tabell 1: De viktigste parametrene til de nyeste vibrasjonssensorene som tilbys av STMicroelectronics.

Bruksområder med vibrasjonsovervåking

Vibrasjonsovervåking refererer vanligvis til analysen av vibrasjonen i en maskin, utstyret eller et apparat, som en del av en omfattende konstruksjon som er kjent som tilstandsovervåking (CM – Condition Monitoring) eller tilstandsbasert overvåking (CbM – Condition-based Monitoring). Vibrasjonsanalysen spiller en betydelig rolle i overvåkingen av maskinens helse over tid. I tillegg til innsamling av vibrasjonsdata, omfatter imidlertid en komplett løsning for tilstandsovervåking flere sensorer som samler inn svært viktige utstyrsparametere, for eksempel temperatur, støy, trykk, røyk og fuktighet. Alle disse sensorene gir verdifull informasjon om en bestemt maskintilstand. Disse sensordataene blir sammenslått, behandlet og analysert slik at kunnskap om maskinens generelle tilstand kan bygges og kritiske beslutninger om maskinvedlikehold kan tas.

Figur 2 illustrerer noen av de viktigste bruksområdene for vibrasjonsovervåking i ulike markeder. Fordelingen i denne figuren viser viktigheten av innsamling og analyse av vibrasjonsdata som en del av en omfattende løsning for CM. Ytterligere sensorer kan brukes til å samle inn data som vil slås sammen for å gi et pålitelig og effektivt resultat. I de nyeste løsningene som tilbys i bransjen, vil intelligente algoritmer som bruker sensordata bringe mulighetene og effektiviteten til slike løsninger til nye nivåer. Disse innovative og kraftfulle løsningene kan bidra til å redusere kostnadene og ineffektivitetene forbundet med avbrudd på produksjonslinjen som ellers ville vært uunngåelige.

Figur 2: Forskjellige bruksområder med vibrasjonsovervåking. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Databehandling i skyen har blitt en av de viktigste delene i en omfattende løsning, som involverer sensordata innsamlet fra flere steder i en virksomhet for å sikre at det ikke er noen avbrudd på noe nivå eller på noe sted. Den sentrale behandlingsenheten i skyen brukes til å kombinere og analysere alle data og overvåke de involverte maskinene og utstyret i sanntid for å sikre jevn og uavbrutt drift.

Figur 3 viser en liste over de viktigste elementene i et system for vibrasjonsovervåking. En rekke sensorer kan monteres på utstyret som må overvåkes, avhengig av behovene og kravene til systemet. Listen over sensorer omfatter:

• Vibrasjon
• Treghetssensor-modul
• Temperatur
• Luftfuktighet
• Trykk
• Sensor for omgivelseslys
• Inklinometer

En behandlingsenhet er nødvendig for å analysere de innsamlede dataene. Avhengig av mengden data, personvern, datasikkerhet, latenstid og strømkrav, kan analysene utføres på den lokale behandlingsenheten eller overføres til et behandlingssenter i skyen der alle dataene fra flere utstyrsstykker samles inn og analyseres.

Figur 3: Elementer i et system for vibrasjonsovervåking. (Bildekilde: STMicroelectronics)

På et visst tidspunkt etter installasjonen og under driften av maskinen, begynner tilstanden til maskinen å endres. Det er viktig å ha alle de nødvendige sensorene installert for å samle inn data om ultralyd og hørbar støy, vibrasjoner, strømforbruk, temperatur og eventuell røyk. Etter hvert som tiden går, blir nødvendigheten av å samle inn maskinparametere og sensordata avgjørende for å overvåke maskinens helse.

Figur 4 viser den typiske installasjons- og punktfeilkurven (IPF – Installation and Point of Failure) for en maskin som overvåkes. Det kan ta flere måneder eller til og med flere år fra maskintilstanden endres til feilsymptomer begynner å vise seg. Tidlig analyse av sensordataene kan gi informasjon om maskinens helse, og opplærte AI-algoritmer som bruker sensordata som inndata kan forutsi en feil og starte prosessen med å iverksette nødvendige tiltak.

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

Figur 5 gir et eksempel på vibrasjonsovervåking av en elektrisk pumpe. Forskjellige forhold, for eksempel ubalanse, løshet, utgangsaksel og girkassen til pumpen, kan overvåkes ved å bruke en vibrasjonssensor. Vibrasjonssensordataene overføres deretter for ytterligere omfattende analyse, deriblant en hurtig fouriertransform (FFT – Fast Fourier Transfer) av vibrasjonsdataene som kan fastsette den individuelle frekvenssignaturen til disse tilstandene.

Figur 5: Vibrasjonsovervåking av en elektrisk pumpe under ulike forhold. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Et tilstandsovervåkingssystem for en elektrisk motor kan ha flere komponenter i tillegg til den elektriske motoren. Løsningen kan ha flere sensorer, inkludert de for vibrasjoner, temperatur, trykk og andre sensorer, avhengig av kravene til driftsmiljøet. Tilkoblingsalternativet mellom pumpen og behandlingsenheten kan være kablet eller trådløs med dedikerte kommunikasjonsprotokoller. Behandlings- og analyseenheten kan tilveiebringe verktøy for pumpediagnostikk og visualisering for å hjelpe operatøren med å proaktivt identifisere og håndtere problemer som pumpeuregelmessigheter som kan føre til driftsstans og driftsavbrytelser. Dette proaktive inngrepet kan øke fortjenesten til et selskap ved å redusere drifts- og vedlikeholdskostnadene for fabrikken.

Konklusjon

Mange sensorer tas i bruk for å implementere en omfattende løsning for forebyggende vedlikehold. De nyeste MEMS-baserte vibrasjonssensorene har muliggjort effektive og kostnadseffektive løsninger for vibrasjonsovervåking innen fabrikkautomasjon, strømforsyning, husholdningsapparater og overvåking og tilsyn av strukturell helse. Vibrasjonsovervåking kan implementeres som en frittstående løsning eller som en del av tilstandsbasert overvåking, som har fremstått som en integrert del av en omfattende løsning for å overvåke ulike maskiner ved å samle inn og analysere data i sanntid. Denne løsningen har gjort det mulig for fabrikker i det 21. århundre å proaktivt overvåke og håndtere problemer som oppstår som følge av avbrudd i maskinproduktivitet og avbrudd på produksjonslinjen. Vibrasjonsovervåking er et viktig element i en omfattende løsning i enhver fabrikkautomatisering.

Referanser

1. Ultrabred båndbredde, lav støy, treakset digital vibrasjonssensor: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Analog bunnportmikrofon med en frekvensrespons på opptil 80 kHz for ultralydanalyse og forebyggende vedlikehold. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. I²C/SMBus 3.0-temperatursensor med lav spenning, ultralav effekt, 0,5 °C nøyaktighet. 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