Installera snabbt sensorer för IIoT-baserat förebyggande underhåll med MEMS-accelerometrar

Tillståndsövervakning av maskiner med hjälp av vibrationssensorer är ett nyckelelement i målet för det industriella sakernas internet (IIoT eller Industri 4.0) för förebyggande underhåll. Det möjliggör för tillverkningsanläggningar att identifiera och lösa maskinproblem innan de orsakar katastrofala haverier som stoppar produktionen medan nödreparationer sker. För utvecklare medför det traditionella tillvägagångssättet att använda piezoelektriska (PE) vibrationssensorer både avsevärda materialkostnader och arbete med att göra kopplingar, samt en komplexitet i implementeringen som kan begränsa deras användningsområdet.

För att sänka kostnaden och förenkla installationen, kan utvecklare istället titta på sensorer som använder kapacitiva mikroelektromekaniska system (MEMS). Färska förbättringar av prestandan hos dessa sensorer har höjt dem till nivåer jämförbara med PE-sensorer, samtidigt som de behåller de låga kostnaderna, den högre integrationen och de industriella toleransfördelarna genom sina CMOS-fundament. Dessa förbättringar omfattar inbyggda A/D-omvandlare, filter och t.o.m. inbäddade byggblock för maskininlärning för att säkerställa att dessa anordningar har kostnadseffektiva attribut som motiverar deras vitt spridda bruk.

Denna artikel går igenom fördelarna med kapacitiva MEMS-accelerometrar i tillämpningar för vibrationsövervakning. Sedan introduceras i artikeln exempelenheter från Analog Devices och STMicroelectronics och det visas hur dessa kan installeras snabbt som ett utspritt sensornätverk för mer noggrann, kostnadseffektiv avkänning för förebyggande underhåll av industriella maskiner.

Varför använda vibrationer för förebyggande underhåll?

Vibrationer är ett indikatorvärde som länge använts inom tillståndsövervakning, diagnostik och förebyggande underhåll av industriella maskiner. Exempel kan rätt sensor, med lämplig processning, användas för att detektera problem som lastobalanser, feljusteringar, kullagerhaverier och olika vibrationsamplituder och -frekvenser som kan indikera att andra typer av feltillstånd håller på att uppstå (figur 1).

Figur 1: Rätt sensor och signalbehandling kan detektera problem som last- eller motorobalans och kullagerhaverier, och även vibrationer som kan förutspå andra typer av kommande haveritillstånd. (Bildkälla: Analog Devices)

Som tur är har standarder tagits fram för sensorsystem som används i vibrationsövervakning. Standarden ISO 2954:2012 “Vibration och stöt - Krav på instrument för vibrationsmätning“ är ett utmärkt exempel. I sådana instrument är accelerometrar en kärnkomponent. Men i en typisk konstruktion används sensorns signaler inte direkt.

I moderna system är det första steget i vibrationsövervakning att göra accelerometerns signal digital med hjälp av en A/D-omvandlare. När den digitaliserats är accelerationsmätningen mycket mindre känslig för elektriskt brus och behovet av noggrann analog signalkonditionering kan elimineras. Vibrationsövervakning kräver sedan flera steg av filtrering- och förbehandling av den råa accelerometerdatan för att eliminera brus och extrahera diagnosiskt användbar information.

Krav på signalförbehandling för accelerometrar

Accelerometersignalerna behöver först högpassfiltreras för att avlägsna alla DC-komponenter, såsom sensorbias eller tyngdkrafteffekter. Den filtrerade signalen kan sedan användas på två sätt: ett är att arbeta med accelerationsinformationen direkt, medan den andra är att arbeta med vibrationshastigheten som erhålls genom att integrera filtersignalen över tid. Den resulterande hastighetssignalen kräver även högpassfiltrering för att eliminera behovet av att känna till systemets initialhastighet (konstanten i integrationen) vid analys av hastighetsinformation (Figur 2).

Figur 2: Den råa accelerometerdatan behöver förprocessas, för att eliminiera bias, samt integreras för att visa en mätning av vibrationshastigheten innan användbar övervaknings- och diagnosinformation kan läsas ut. (Bildkälla: Richard A. Quinnell)

Beroende på tillämpningen kan ett flertal analystekniker användas på accelerations- och hastighetssignaler för att få fram användbar information om maskinens tillstånd. En av de vanligaste och mest använda teknikerna är att beräkna vibrationernas hastighetsmedelvärde (RMS) och fastställa dess trend över tid. När maskiner slits uppstår en större rymd i vilken de rör sig, vilket i sin tur får vibrationshastigheten att stiga. Genom att övervaka RMS-hastighetstrender erhålls då en indikator på slitage som kan jämföras med förbestämda trösklar för att identifiera ett underhållsbehov.

Accelerationen kan också jämföras med förbestämda trösklar för att detektera skevheter eller brott i mekanismer, särskilt i roterande maskiner. Sådana defekter visar sig typiskt sett som återkommande “spikar” i signalen. En trend av ökande acceleration eller instabilitet i accelerationsprofilen över tid är även en indikator på slitage och skador.

Spektralanalyser erbjuder ytterligare insikter

Genom att transformera accelerations- och hastighetsdata från tidsdomänen till frekvensdomänen genom att använda en snabb Fourier-transform (FFT) öppnas dörren till ännu mer detaljerad information i maskinens tillstånd. I roterande maskiner kommer, exempelvis, en kraftig signal vid en enskild frekvens som är relaterad till rotationshastigheten att indikera en obalans eller en krökt axel. Ett allmänt glapp eller en trasig växelkugg kommer å andra sidan skapa en stötsignal rik på harmoniska komponenter. En stark signal som är amplitudmodulerad med en lägre frekvens är ett kraftfullt diagnostiskt verktyg för analys av kuggingrepp.

För att kunna använda dessa olika diagnostekniker med framgång krävs att accelerometern som levererar källdatan uppfyller flera krav. Dess bandbredd, exempelvis, ska vara stor nog för att enkelt registrera modulering till själva motorrotationen samt harmoniska svängningar av högre ordningar. Synkrona AC-motorer roterar typiskt sett med 3600 rpm och likströmsmotorer kan rotera med 10 till 7000 rpm eller mer, så en lämplig sensorbandbredd kan behöva sträcka sig så lågt som 0,1 hertz (Hz) eller så högt som fem till tio kilohertz (kHz), beroende på maskinens utformning.

Känsligheten är också viktig. Beroende på sensorstorleken, kanske den enda tillgängliga monteringspunkten för tillståndsövervakning för rörliga maskiner finns på höljet, en bit bort från vibrationens faktiska källa inuti maskinen. Detta avstånd dämpar vibrationerna, vilket leder till en svag signal. Som en följd därav måste både sensorns signal och banan från sensorn till A/D-omvandlaren ha så lite brus som möjligt för att undvika att elektrisk interferens — från exempelvis motorlindningarna — överröstar signalen av intresse.

Sensorer för vibrationsövervakning måste ha bra stabilitet över tid och vid olika temperaturer. Stabiliteten är särskilt viktig när man använder RMS-hastighetstrender som diagnostiskt verktyg. Förändringar i accelerationsvärdet över tid eller temperatur kommer att ackumuleras under integreringen där hastighetsdatan genereras, vilket förstör trendmätningen.

Förutom dessa prestandakrav finns det flera sensorattribut som är viktiga från ett systemdesignperspektiv. Sensorn måste vara så liten som möjligt för att maximera möjligheterna till utplacering på maskinen som ska övervakas. Låg vikt är också viktigt för att undvika att sensorns massa påverkar maskinens vibrationskarakteristik.

För att minska behovet av dyrt, lågbrusigt koaxialkablage för att ansluta en analog sensor till en digitaliserare, är många accelerometrar för industriell tillståndsövervakning kombinerade med en A/D-omvandlare, kommunikationskretsar och eventuellt viss digital signalprocessning i en sensormodul. I sådana moduler ger både dess lilla storlek och strömsnålhet möjlighet till batteridrift och trådlös funktionalitet, vilket ytterligare förenklar utplaceringen och reducerar kostnaden och komplexiteten för att dra ledningar. Genom att minimera sensormodulens totalkostnad ökar kostnadseffektiviteten inom tillståndsövervakning, vilket öppnar för fler möjligheter att utföra förebyggande underhåll.

MEMS-accelerometrar uppfyller utmaningarna med prestanda, kostnader och integration

Framsteg inom CMOS-konstruktion och tillverkningsteknologi har gjort att kapacitiva MEMS-accelerometrar kan leva upp till prestandan och systemkonstruktionsattributen som krävs för ett stort antal industritillämpningar inom tillståndsövervakning. Eftersom de tillverkas med hjälp av processer som är kompatibla med integrerad CMOS-kretstillverkning, har MEMS-accelerometrar en avsevärd fördel mot traditionella piezoelektriska accelerometrar — MEMS-moduler kan integrera många av funktionerna i en komplett sensormodul i en enda kretskapsling.

ANMÄRKNING: Här är det viktigt att påpeka att piezoelektriska sensorer fortfarande har en stor roll att spela och de dominerar i tillämpningar som kräver extrem temperaturtolerans eller där vibrationer över 50 g är sannolika.

STMicroelectronics triaxiala MEMS-accelerometrar IIS3DWBTR är ett bra exempel (figur 3). Denna enhet innehåller tre accelerationssensorer med ultrabred bandbredd (DC till 6 kHz) tillsammans med en A/D-omvandlare, en användarkonfigurerbar digitalfilterkedja, en temperatursensor, en 3 Kb FIFO-kö och ett seriellt SPI-gränssnitt, allt i ett ytmonterat format som mäter endast 2,5 x 3 x 0,83 millimeter (mm). Den är strömsnål, drivs med 2,1 till 3,6 volt och drar endast 1,1 mA under full drift. I viloläge - vid 5 microampere (µA) - väcks enheten automatiskt när aktivitet detekteras. Den är även robust, med ett drifttemperaturintervall på -40 till +105 °C och tål stötar på upp till 10 000 g. En inställbar känslighet (±2, ±4, ±8 eller ±16 g) gör den möjlig att skräddarsy till väldigt varierande tillämpningskrav.

Figur 3: Med CMOS MEMS-teknologi kan accelerometrar såsom STMicroelectronics IIS3DWBTR inkludera en integrerad A/D-omvandlare, digitalfilter, FIFO-minne, och annat i en kompakt, strömsnål kapsling för att minimera kostnaderna för vibrationsövervakning. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Introduktionen av enheter som IIS3WDB har förändrat utbudet av möjligheter för vibrationstillståndsövervakning. Genom att integrera alla väsentliga attribut för en sensormodul till låg kostnadsnivå, minimerar enheterna de totala materialkostnaderna för att göra tillståndsövervakning kostnadseffektiv över ett bredare omfång av tillämpningar. Den lilla storleken och treaxlig avkänning (vilket eliminerar behovet av särskilt inriktad placering) ökar möjligheterna till sensorplacering, inklusive att bädda in enheten i maskinen. Det digitala gränssnittet möjliggör enkel ledningsdragning för att ansluta sensorn till värdprocessorer för insamling och analys av data, samtidigt som den inbyggda förprocessningen och FIFO-bufferten gör kommunikationen med värden mindre krävande. Det låga effektbehovet öppnar dörren till batteridrift.

MEMS-konstruktioner har större möjligheter till integration. I samma format som IIS3WDBTR, exempelvis, innehåller STMicroelectronics ISM330DHCXTR både en treaxlig accelerometer och en treaxlig gyrometer för rörelseavkänning i sex frihetsgrader, samt all funktionalitet som finns i själva IIS3DWBTR-enheten. Vidare ingår ett I²C-gränssnitt, funktionalitet som sensornav, 9 Kb FIFO, en programmerbar ändlig tillståndsmaskin för databehandling och kärnblocken för maskininlärning så att enheten kan anpassa sin funktion till den unika installationen.

Moduler med integrerad dataprocessning

För ännu mer krävande tillämpningar har MEMS-sensormoduler, kompletta med inbyggd processning, blivit tillgängliga i mycket kompakta format. Exempelvis är Analog Devices vibrationssensormodul ADIS16228CMLZ en komplett tri-axiell, ±18 g MEMS-accelerometer med en integrerad A/D-omvandlare och en 512-punkters FFT för vibrationsanalys i frekvensdomänen — allt inrymt i ett hölje på 15 x 24 x 15 mm (figur 4). Enheten har även programmerbara larm för sex spektralband som klarar att signalera varningar eller detektera fel beroende på energinivåerna i dessa band.

Figur 4: MEMS-vibrationssensormoduler kompletta med inbyggd FFT-behandling och frekvensbaserad feldetektering, som Analog Devices ADIS16628, är tillgängliga i robusta, kompakta höljen. (Bildkälla: Analog Devices)

MEMS-teknologi möjliggör kompletta sensorsystem som klarar av hela intervallet upp till ±50 g. Analog Devices ADCMXL3021BMLZ har, exempelvis, 10 kHz sensorbandbredd, A/D-omvandlare med 220 kilosamples/sekund (kSPS), digitala filter och användarkonfigurerbar tid- och FFT-baserade tillståndslarm. Trots all sin inbyggda processorkapacitet, kräver enheten typiskt endast 30 mA vid 3,3 volt.

Dessa kompletta vibrationssensorsystem ger många användare konfigurerbara alternativ för attribut som bandbredd för förprocessningsfilter, FFT-fönsterfunktion, frekvensbandtrösklar, tillfällig statistik och motsvarande. För att effektivt använda dessa måste användarna ha en stark förståelse för systemets karakteristik och de många vibrationsanalystekniker som de kan tillämpa. På liknande vis kan utvecklare som söker att skapa sina egna vibrationsövervakningssystem med hjälp av chipsensorer som IIS3DWB eller ISM330DHCX behöva känna till sin målsystems karakteristik och förstå deras processningsmöjligheter.

Börja med en utvärderingssats

En utvecklingssats som STMicroelectronics STEVAL-STWINKT1 kan vara en bra utgångspunkt för att börja bygga denna bakgrund (figur 5). Satsens modul inkluderar både IIS3DWB och ISM330DHCX, tillsammans med flera andra sensorer och en Arm® Cortex® M4-processor med flyttalsenhet för att hantera den tillkommande processningen. Modulen kan köras från det inbyggda Li-jon-batteriet och erbjuder en inbyggd Bluetooth Low Energy-radio samt ett Wi-Fi-expansionskort för trådlös anslutning, vilket gör satsen lämplig för användning som en fristående tillståndsövervakningssensor i fältinstallationer.

Figur 5: Utvecklingspaket som STEVAL-STWINKT1 erbjuder inte bara accelerometrar och andra MEMS-sensorer som utvecklare kan utvärdera, de kan även fungera som fristående, färdigtillverkade moduler för industriell övervakning. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Satsen levereras med komplett firmwareuppsättning för att utveckla tillämpningar för tillståndsövervakning och förebyggande underhåll. Detta omfattar mellanprogramvara för vibrationsanalys i såväl tidsdomänen (RMS-hastighets- och accelerationstoppar) som i frekvensdomänen. Mjukvaran är även kompatibel med bolagets webbaserade DSH-PREDMNT-kontrollpanel för förebyggande underhåll för att övervaka sensordata och enhetsstatus. Exempelimplementationer finns som ger utvecklare en färdplan för sitt eget mjukvaruutvecklingsarbete.

Slutsatser

Medan piezoelektriska sensorer fortfarande dominerar i tillämpningar som kräver extrem temperaturtolerans eller klarar vibrationer över 50 g, har deras storlek och behov av diskreta A/D-omvandlare och förprocessningshårdvara (med tillhörande kostsamt och komplext kablage) traditionellt begränsat deras tillämpningsområde till övervakning av dyr anläggningsutrustning.

Istället kan konstruktörer använda MEMS-accelerometrar som erbjuder ett kompakt, kostnadseffektivt alternativ som förenklar installation och ökar utbudet av tillämpningar för vibrationsövervakning. Tillsammans med den ständigt ökande prestandan som dessa enheter erbjuder, gör MEMS-accelerometrar det möjligt för utvecklare att enkelt nyttja fördelarna med vibrationsövervakning och förebyggande underhåll av maskiner av alla storlekar.