Bygg ett MEMS-vibrationssensorsystem för tillståndsbaserad övervakning i industriella tillämpningar

Alla industriella maskiner och system går förr eller senare sönder, antingen förr – på grund av tillverkningsbrister – eller senare – på grund av damm, skräp eller bara generellt slitage. Med allt fler automatiserade produktionslinjer ställs de produktionsansvariga inför en oändlig räcka av underhålls- och reparationsuppgifter. Om uppgifterna inte utförs kan det leda till driftstopp, i synnerhet om oupptäckta fel så småningom orsakar haverier.

I stället för att hantera oväntade utrustningsfel eller onödiga driftstopp för tillfälligt underhåll, kan man använda tillståndsbaserad övervakning (condition-based monitoring, CBM), för att på ett effektivare sätt planera underhåll och reparationer innan utrustningen övergår till ett kritiskt driftläge. Möjligheten att övervaka en maskins drifttillstånd kan innebära väsentliga besparingar i industriella miljöer. Om man kan upptäcka tillstånd som normalt föregår ett utrustningsfel, kan man låta reparera maskinen innan den går sönder.

De tillstånd som ska övervakas med CBM kan dock skilja sig kraftigt åt, vilket gör att utvecklarna måste bygga exakta sensorsignalkedjor för de specifika kraven i tillämpningen.

I den här artikeln beskriver vi kraven för att implementera CBM i industriell utrustning, och vi visar hur man, med en kombination av enheter från Analog Devices, kan bygga signalkedjor som uppfyller kraven.

Vibrationsanalys

Som del av CBM har vibrationsanalys blivit den främsta tekniken för att bedöma driftstatusen hos maskinerna och deras rörliga delar. Vibrationsanalys innebär att ingenjörerna analyserar vibrationsmätningarna för att hitta mönster som kan tyda på obalans, felaktig injustering eller skador på rotorer, kugghjul, lager och andra mekaniska gränssnitt mellan maskinkomponenter. Till exempel kan återkommande serier av högamplitudvibrationer tyda på mekaniska stötar på grund av slitna kopplingar, kugghjul, lager, lagerringar eller andra maskinytor i kontakt med varandra.

Parallellt med den här typen av vibrationsmätning i tidsdomänen, kan man också göra mätningar i frekvensdomänen, genom att använda så kallade Fourier-transformer (FFT), vilket ger mer detaljerad information om maskintillståndet. De FFT-beräkningar som används för att generera frekvensdomänanalysen drar mycket datakraft, men resultatet gör mödan värd. Med den här metoden har erfarna ingenjörer hittat flera tillförlitliga frekvensrelaterade indikatorer på exempelvis obalans, feljustering, lösa delar och lagerdefekter (figur 1).

Figur 1: Genom att mäta den absoluta och relativa storleken för toppar i frekvensdomänen, kan ingenjörerna dra slutsatser om en rad aktuella och potentiella maskinproblem – från obalanserade maskindelar till lagerfel. (Bildkälla: Analog Devices)

Bland dessa indikatorer kan förändringar i grundfrekvensen, även kallad 1x-komponenten, relativt dess övertoner och tidigare 1x-mätningar, tyda på obalans i maskinen, vilket kommer till uttryck i en signal vars amplitud är proportionell mot kvadraten på rotationshastigheten, och vars frekvens motsvarar maskinens rotations- eller resonansfrekvens. Feljusteringar eller för stort slack mellan delar i en maskin kan däremot orsaka en viss ökning i den första övertonen, även kallad 2x-komponenten, och även i frekvenskomponenter upp till 10x. På samma sätt kan obalanserade, felaktigt injusterade eller defekta inre delar, exempelvis kugghjul, resultera i höga toppar vid frekvenser motsvarande den egna rotationshastigheten och antalet kuggar.

Felindikatorer kan bli ganska komplexa, i synnerhet för kullager. När kullagren rör sig genererar de en karakteristisk signal vid en viss kullagerfrekvens (ball spin frequency, BSF), inom ett område som beror på kullagrets FTF (fundamental train frequency) – dvs. den hastighet som lagerhuset roterar med runt lagret. Defekta lager eller lagerringar resulterar i en händelse med relativt högre amplitud vid BSF, vilket ger en rad lågamplitudvibrationer modulerade av FTF-frekvensen (figur 2).

Figur 2: Vibrationssignaturer beroende på maskinfel kan vara allt från lättupptäckta toppar vid grundfrekvensen och ett fåtal övertoner, till komplexa signaturer för lagerfel som kan modulera pulser vid BSF-frekvensen, med en omslutning som beror på lagerringens FTF-frekvens. (Bildkälla: Analog Devices)

Den resulterande frekvensdomänsignaturen för lagerfel kan vara ganska komplex och visa sig som en bred ökning i lågamplitudkomponenter, spridda över ett brett högfrekvensband (se högra delen av figur 1).

Trots att frekvensdomänsignaturer är uppenbart komplexa, har industriingenjörerna utvecklat en bred katalog av analysmetoder och detaljerade indikatorer som kan användas för att identifiera olika typer av fel – från obalans och felaktiga injusteringar till mer subtila lagerproblem.

Analys- och vibrationsmätmetoder blir alltmer avancerade när efterfrågan på mer effektiva lösningar tilltar. Tidigare använde ingenjörerna vanligen handhållna vibrationsövervakare med bärbara dataloggare för att registrera mönster som sedan analyserades offline.

Övergången till Industry 4.0 och den utbredda användningen av automatiserade system har inneburit att manuella metoder inte längre anses särskilt praktiska. Tillgång till mer avancerade halvledarenheter gör att CBM-tillämpningarna i allt högre grad baseras på vibrationsmätenheter som är anslutna direkt till kritiska maskiner och övervakar dem oavbrutet.

Vibrationsmätningskrav

I vibrationsmätenheter för CBM – liksom i andra tillämpningar där sensorsignaler inhämtas – används en konventionell signalkedjetopologi bestående av en sensor, ett signalkonditioneringssteg, en AD-omvandlare (analog-till-digitalomvandlare) och en processor (figur 3).

Figur 3: Vibrationsavkännande system har en konventionell topologi, med en signalkedja bestående av en sensor, ett lågpassfilter, en operationsförstärkare och en AD-omvandlare med en processor samt stödenheter. (Bildkälla: Analog Devices)

För att ge stöd för den frekvensdomänanalys som beskrivs ovan, har den här vibrationssignalkedjan vanligen inte alls samma specifikationer som signalkedjor för rörelsedetektering i konsumentenheter.

En av de främsta skillnaderna mellan industriella tillämpningar och konsumenttillämpningar är bandbreddskraven för vibrationssensorn. Som beskrevs ovan kan felindikatorer i maskinerna visa sig i övertoner som är 5 gånger eller till och med 10 gånger större än grundfrekvensen, eller över ett ännu högre frekvensband. Industrimaskiner drivs vanligen vid hundratals eller tusentals varv per minut (rpm), så för en maskin som körs med 1 000 rpm kan det krävas en vibrationssensor med minst 5 kHz bandbredd, för att fånga upp topparna vid frekvenser som indikerar lagerfel eller komplexa injusteringsfel. Det krävs också stor bandbredd för att fånga upp signaler som förknippas med lager som arbetar i de högre BSF-områdena.

Men det räcker inte alltid med stor bandbreddskapacitet för att fånga upp mer subtila signaturer som beror på mindre obalanser, injusteringsfel eller problem med lagerringar eller hela lager. Trots liten amplitud kan sådana signaler påvisa framtida problem eller nära förestående haverier på grund av problem med lagren. Därför måste CBM-vibrationsmätare också köras med lågt brus och tillräcklig upplösning, för att isolera de lågamplitudsignaler som indikerar de nämnda problemen.

Sensorer i mikroelektromekaniska system (MEMS)

Tidigare användes ofta piezoelektriska accelerometrar i industriella tillämpningar, men nu blir det allt vanligare med MEMS-sensorer, som är en effektiv lösning. Dessa polykisel-komponenter, på ett kiselsubstrat, innehåller celler bestående av en rörlig platta mellan två fasta plattor (figur 4).

Figur 4: En MEMS-sensor – som tillverkas med konventionell halvledarteknik – innehåller celler av fasta och rörliga plattor som förflyttar sig som reaktion på accelerationer, vilket resulterar i ändrad cellkapacitans. (Bildkälla: Analog Devices)

När accelerationer får den rörliga plattan att flytta sig relativt de fasta plattorna, ändras kapacitansen, vilket genererar en utsignal som är proportionell mot accelerationen.

Trots minimala rörelser kan avancerade MEMS-vibrationssensorer stödja övervakning av accelerationer som associeras med industrimaskiner.

Följande formel för enkla harmoniska rörelser beskriver accelerationens förhållande till frekvensen:

a = -(2pf)²x (formel 1)

Där:

a = acceleration

f = frekvens

x = amplituden för förskjutningen från mittpositionen (typisk i storleksordningen 1 µm i MEMS-vibrationssensorer)

Det innebär att accelerationer som en MEMS-sensor känner av i industrimaskiner kan uppgå till hundratals g – många gånger större än de accelerationer som mäts av MEMS-vibrationssensorer i vanliga konsumentprodukter (figur 5).

Figur 5: MEMS-sensorer kan registrera mycket hög acceleration vid varvtal som är typiska för industrimaskiner. (Bildkälla: DigiKey från Analog Devices-data)

Utvecklingen inom MEMS-tillverkning gör att det numera finns MEMS-vibrationssensorer som Analog Devices ADXL100x-familj av MEMS-accelerometrar, som klarar de höga kraven för användning i vibrationsbaserade CBM-tillämpningar och samtidigt förenklar konstruktionen för de underliggande vibrationsmätsystemen.

Integrerade MEMS-sensorer

Analog Devices ADXL100x-familj av enaxliga MEMS-vibrationssensorer, till exempel ADXL1001, ADXL1002, ADXL1003, ADXL1004 och ADXL1005, ger tillgång till en rad enheter som, beträffande accelerationsområde, bandbredd, upplösning och brus, lever upp till kraven för industriell användning (tabell 1).

Tabell 1: Prestandaspecifikationer för Analog Devices ADXL100x-vibrationssensorer (tabellkälla: Analog Devices)

Eftersom de tillverkas i konventionella halvledarprocesser, kan MEMS-sensorerna enkelt integreras med andra kretsar, för att erbjuda en rad analoga och digitala funktioner. Varje enhet i ADXL100x-familjen har samma funktionsarkitektur, där MEMS-sensorn kombineras med en sensorförstärkare, en demodulator, en utgångsförstärkare och ett antal ytterligare funktioner (figur 6).

Figur 6: Alla enheter i Analog Devices ADXL100x-familj av vibrationssensorer innehåller en MEMS-sensor med ett omfattande signalkonditioneringssteg och ett antal ytterligare funktioner. (Bildkälla: Analog Devices)

En sådan funktion är OR-detektering (overrange), som skyddar sensorelementet om accelerationen blir högre än ungefärligen det dubbla specificerade g-värdet för enheten. Sådana händelser är inte alltför ovanliga i normalt fungerande industrimaskiner, i synnerhet när maskinen startas eller övergår till högre varvtal. Innan maskinen har stabiliserats vid grundfrekvensen, kan kombinationen av de resonansfrekvenser som uppstår när komponenternas varvtal ökar, spränga gränserna för även den mest robusta vibrationssensor.

När ett overrange-tillstånd inträffar, avger ADXL100x-enhetens skyddsfunktion en overrange-utsignal för att varna processorn. Dessutom inaktiveras den interna klockan i 200 μs, för att förhindra skador på MEMS-strukturen. Om overrange-tillståndet varar längre än 200 μs, genereras varningssignalen på nytt, följt av ny klockavstängning, vilket sker var 500 μs.

Bygga ut signalkedjan

Den integrerade utgångsförstärkaren i ADXL100x kan driva resistiva laster upp till 2 mA källström, med en maximal lastkapacitans på 100 pF. Det innebär att utvecklarna i princip kan ansluta ADXL100x direkt till Analog Devices 16-bitars AD4000 precisions-AD-omvandlare av SAR-typ (successive approximation register).

För att använda en sådan direktansluten konfiguration krävs det i praktiken en samplingsfrekvens på minst 220 kHz. Det kravet uppstår eftersom man måste sampla vid två gånger enhetens frekvenssvarsbandbredd för 3 dB, vilket är mycket högre än MEMS-sensorns bandbredd (se tabell 1). För 3 dB har den integrerade utgångsförstärkaren en frekvenssvarsbandbredd på 70 kHz, för att medge mätningar vid frekvenser som närmar sig sensorns resonansfrekvens, som kan vara mycket högre än den 3 dB-frekvens som anges i specifikationerna (figur 7).

Figur 7: Analog Devices ADXL100x-familj av vibrationssensorer har stor frekvenssvarsbandbredd, vilket framgår av ovanstående kurva för ADXL1002. Kurvan illustrerar en 3 dB-bandbredd på 11 kHz och har en karakteristisk resonansfrekvenstopp i ett betydligt högre frekvensband. (Bildkälla: Analog Devices)

Som med alla omvandlingssignalkedjor, måste samplingsfrekvensen vara minst två gånger den ekvivalenta brusbandbredden (equivalent noise bandwidth, ENBW) för att undvika förekomst av brusåtergivning i frekvensbandet av intresse. Eftersom ENBW = π/2 x ω_3dB, där ω_3dB i det här fallet är 70 kHz, så blir ENBW för ADXL100x-enheten 110 kHz. Nödvändig samplingsfrekvens blir därmed minst 220 kHz.

Man kan enkelt sänka samplingskravet genom att tillsätta ett enpols lågpassfilter. Analog Devices rekommenderar att man använder ett tvåpoligt RC-filter (resistor-capacitor=resistor-kondensator) mellan sensorn och AD-omvandlaren, exempelvis tidigare nämnda AD4000 från Analog Devices (figur 8).

Figur 8: Utvecklarna kan minska nödvändig samplingsfrekvens hos sensorn genom att använda ett enkelt tvåpols lågpassfilter mellan en Analog ADXL100x-MEMS-sensor och en AD4000-AD-omvandlare, båda från Analog Devices. (Bildkälla: Analog Devices)

Till exempel kan en 16 kΩ R1-resistor, en 300 pF C1-kondensator, en 32 kΩ R2-resistor och en 300 pF C2-kondensator användas för att ge en dämpning på ca 84 dB vid en intern klockfrekvens på 200 kHz hos ADXL1001/ADXL1002. I en sådan konfiguration skulle det räcka med en samplingsfrekvens på 32 kHz för AD-omvandlaren, för att mäta vibrationer från 0 till 10 kHz utan aliaskomponenter.

Genom att kombinera ADXL100x-sensorn med AD4000-AD-omvandlaren och endast ett fåtal passiva komponenter, kan utvecklarna implementera en fullständig signalkedja för vibrationsmätning. Kärnan i ett vibrationssensorsystem kan snabbt åstadkommas genom att använda en spänningsregulator, till exempel ADP7104 LDO-regulator (low-dropout) från Analog Devices, en referensspänningskälla som ADR4550 (också från Analog Devices) och en processor som ADUCM4050-mikrostyrenheten (även denna från Analog Devices).

Genom att använda endast dessa komponenter, kombinerat med olika enheter i ADXL100x-familjen, kan utvecklarna uppfylla specifika prestandakrav, exempelvis större accelerationsområde eller mer bandbredd, för specifika CBM-tillämpningar.

Treaxlig mätning

För mer avancerade CBM-tillämpningar kanske det inte räcker med de enaxliga enheterna i ADXL100x-familjen. Visserligen är det enkelt att replikera deras grundkonstruktion för varje mätaxel, men Analog Devices erbjuder en enklare metod, med vibrationssensormodulen ADcmXL3021 för mätning av tre axlar.

ADcmXL3021-modulen är inrymd i en 23,7 x 27,0 x 12,4 mm aluminiumkapsel med monteringsflänsar, och stöder treaxlig mätning med tre ADXL1002-MEMS-accelerometrar placerade längs ortogonala avkänningsaxlar (figur 9).

Figur 9: Analog Devices ADcmXL3021-modul är inrymd i en 23,7 x 27,0 x 12,4 mm aluminiumkapsel (vänster) och ger ett komplett treaxligt vibrationsmätsystem (höger) för industritillämpningar. (Bildkälla: Analog Devices)

En dedikerad AD-omvandlare i varje MEMS-sensors signalkedja utför 220 kilosamplingar per sekund och lagrar resultaten i modulens inbyggda FIFO-buffert (first in, first out). Modulens integrerade processer stöder tidsdomän- och frekvensdomänmätningar med fyra olika driftlägen:

• RTS (real-time streaming), som ger realtidsdata
• MFFT (manual FFT), som genererar frekvensdomändata som svar på en trigger från en extern signal eller ett programvarukommando
• AFFT (automatic FFT), som använder en intern timer för att automatiskt utlösa inhämtning av frekvensdomändata
• MTC (manual time capture), som inhämtar 4 096 efterföljande tidsdomänsamplingar och har stöd för signalbearbetningsfunktioner, däribland filtrering och utjämning

Med den integrerade MCU-enheten erbjuder ADcmXL3021 funktioner utöver de fyra samplingslägena. En sådan funktion stöder branschstandarder som ISO 10816, som föreskriver användning av varningar när maskinen intar ogynnsamma drifttillstånd och larmar när maskinen intar kritiska tillstånd.

I MTC-läget har ADcmXL3021 en larmfunktion med tre konfigurerbara nivåer (normal, varning, kritiskt) för tidsdomändata. Som stöd för ISO 10816-kraven kan utvecklarna konfigurera signaler som indikerar normal nivå, varningssignaler som indikerar ogynnsamma drifttillstånd och larmsignaler som indikerar farliga tillstånd.

För frekvensdomänmätningar i MFFT- eller AFFT-läget erbjuder ADcmXL3021 en mer avancerad larmfunktion. Utvecklarna kan ställa in sex bandkonfigurationer, var och en med en högsta och en lägsta frekvens liksom en högsta och en lägsta amplitud. Därmed kan ADcmXL3021 konfigureras för att känna igen specifika frekvens- och amplitudsignaturer som förknippas med kända varnings- eller larmtillstånd (figur 10).

Figur 10: Vibrationssensormodulen ADcmXL3021 från Analog Devices kan konfigureras för att avge varningar eller larm, med en kombination av indikatorer som baseras på vibrationernas magnitud och vibrationsfrekvensband. (Bildkälla: Analog Devices)

För att förenkla utveckling med ADcmXL3021 erbjuder Analog Devices utbrytningskortet ADCMXL_BRKOUT, som är försett med stiftlister för enklare åtkomst av ADcmXL3021-enhetens kontaktstift.

Analog Devices erbjuder också den Windows-baserade programvaran ADCMXL Vibration Evaluation, som är utformad att fungera med Cypress Semiconductors CYUSB3KIT-003 USB 3.0 SuperSpeed Explorer Kit. I utvärderingsprogramvarans gränssnitt kan utvecklaren undersöka tidsdomän- och frekvensdomändata för varje axel, och modifiera ADcmXL3021-registren för att utforska alternativa inhämtningskonfigurationer (figur 11).

Figur 11: Utvecklaren kan använda Analog Devices utvärderingsprogramvara för att granska utdata från vibrationssensormodulen ADcmXL3021, eller för att utforska olika inhämtningskonfigurationer genom att modifiera modulens register. (Bildkälla: DigiKey/Analog Devices)

Slutsats

CBM – tillståndsbaserad övervakning – kan ge väsentliga fördelar när det gäller att undvika onödigt planerat underhåll eller oplanerade driftstopp på grund av plötsliga maskinfel. Men för att vibrationsmätsystem ska fungera måste höga krav uppfyllas, vilket kan innebära en utmaning för utvecklare av CBM-tillämpningar. Till skillnad från rörelsedetektorsystem i konsumenttillämpningar, kräver industriella vibrationsmätsystem stort accelerationsområde, stor bandbredd, hög upplösning och mycket låg brusdensitet. Med MEMS-sensorer och kompletterande komponenter från Analog Devices kan utvecklarna skapa den typ av robusta vibrationsmätsystem som krävs för avancerade CBM-tillämpningar för industrin.