Användning av MEMS-givare för vibrationsövervakning

Vibrationsövervakning (VM) har funnits länge och har använts för att övervaka en statusen i en maskin, utrustning eller konstruktion. Vibrationsdata som samlas in av särskilda givare under maskinens drift övervakas och analyseras i realtid.

Huvudmålet med vibrationsövervakning är att minska risken för livsfarliga skador och potentiella avbrott i produktionslinjen, vilket leder till en slutlig styrning och minskning av driftskostnaderna.

Vibrationsdata från en vibrationsgivare kan användas som fristående indata eller kombineras med andra givardata beroende på verksamhetens krav. I en tillämpning för fabriksautomatisering kan vibrationsdata exempelvis kombineras med:

1. Temperatur
2. Rök
3. Luftfuktighet
4. Tryck
5. Ljud

Kombinationen genererar ett komplett system som ger en mer robust och tillförlitlig lösning.

I vissa andra användningsfall, t.ex. vid konstruktionsövervakning, kan vibrationsdata kombineras med data för lutningsläge som samlas in via en lutningsmätare för att fastställa konstruktionens status.

De insamlade uppgifterna matas in i särskilda algoritmer, inklusive algoritmer för artificiell intelligens (AI), för att utveckla en modell som kan förutsäga potentiella framtida fel. Modellens prognosinformation kan sedan användas för att bygga upp kunskap för att fatta beslut om huruvida omedelbara åtgärder måste vidtas för att undvika produktivitetsförluster.

En ny trend inom fabriksautomatisering är AI-algoritmer som kan tränas baserat på givardata för att förutsäga vilka uppgifter som ska utföras. Detta minskar bördan för enskilda operatörer som tidigare var tvungna att fatta mycket svåra och tidskrävande beslut. En autonomt automatiserad fabrik tar bort enskilda operatörers ansvar och reagerar automatiskt på förändrade driftsförhållanden.

Vibrationsgivare

En viktig komponent i en tillämpning för vibrationsövervakning är en vibrationsgivare. De senaste vibrationsgivarna är baserade på MEMS-teknik och använder samma koncept som accelerationsdetektering i en accelerometer. Den största skillnaden ligger i givarens bandbredd. En MEMS-accelerometer har en typisk bandbredd på 3 kHz, men en vibrationsgivare kan känna av vibrationer med betydligt högre bandbredd. Vibrationsgivarens förmåga att fånga upp högfrekventa signaler gör det möjligt att göra en mer exakt frekvensanalys av vibrationen. Den senaste MEMS-vibrationsgivaren har en bandbredd på över 6 kHz, vilket kommer att diskuteras senare.

En MEMS-baserad vibrationsgivare har många användningsområden och i figur 1 finns en lista över några viktiga tillämpningar. Övervakning av motorvibrationer är en viktig byggsten för framgångsrik fabriksautomation. Vibrationsövervakning för järnvägar kan bidra till att undvika katastrofala tågolyckor. Hushållsapparater som tvättmaskiner har utrustats med vibrationsövervakning sedan MEMS-givare började användas i industriella tillämpningar. Tillämpningen för konstruktionsövervakning har fått ett uppsving sedan det har dykt upp MEMS-givare till överkomliga priser. Kommuner har exempelvis ansvar för att övervaka vibrationer i broar för att se till att konstruktionerna är i gott skick. Vibrationsdata från bron, särskilt under högtrafik, kan ge värdefull information om eventuella avvikelser som kan få bron att kollapsa.

Figur 1: Några tillämpningar av MEMS-givare i tillämpningar med vibrationsgivare. (Bildkälla: STMicroelectronics)

De tekniska specifikationerna för en vibrationsgivare måste analyseras noggrant för att garantera att givaren kan uppfylla kraven för den aktuella tillämpningen. Tabell 1 visar de viktigaste parametrarna för en av de senaste vibrationsgivarna som erbjuds av STMicroelectronics. Enheten kan fånga vibrationer i det tredimensionella rummet (x, y, z). Den rörelsefrihet i tre riktningar som apparaten erbjuder ger flexibilitet att placera anordningen i monteringsriktningen.

Det fullständiga skalområdet med en acceleration på upp till 16 G per axel är tillräckligt för att täcka det amplitudområde för vibrationer som vanligtvis krävs för att övervaka en maskins status.

Enheten har en extremt bred bandbredd, platt frekvenssvar på upp till 6,3 kHz och inbäddad filtrering som eliminerar frekvensupplösningsfel.

En annan viktig egenskap hos enheten är den mycket låga spektrala störningstätheten. Det är en mycket viktig fördel när lågfrekventa vibrationer ska fångas upp.

Jämfört med den befintliga vibrationsgivaren har driftstemperaturområdet utökats till +105 °C för att uppfylla kraven i en krävande driftsmiljö.

Enheten kan antingen användas i ett läge med tre axlar eller i ett läge med en axel, som kan väljas med hjälp av särskilda register. I läget med tre axlar är alla de tre axlarna (x, y, z) aktiva samtidigt. I läget med en axel är endast en axel aktiv. I läget med en axel förbättras upplösningen (störningstätheten) för den aktiva axeln avsevärt.

Tabell 1: de viktigaste parametrarna hos de senaste vibrationsgivarna som erbjuds av STMicroelectronics.

Tillämpningar inom vibrationsövervakning

Vibrationsövervakning avser vanligtvis analys av vibrationer i en maskin, utrustning eller apparat som en del av en omfattande tillämpning som kallas tillståndsövervakning (CM) eller tillståndsbaserad övervakning (CbM). Vibrationsanalysen spelar en viktig roll för att övervaka maskinens status över tid. Förutom insamling av vibrationsdata innehåller en komplett lösning för tillståndskontroll flera givare för att samla in viktiga utrustningsparametrar som temperatur, buller, tryck, rök och luftfuktighet. Var och en av dessa givare ger värdefull information om ett specifikt tillstånd hos maskinen. Dessa givardata kombineras, bearbetas och analyseras för att skapa kunskap om maskinens allmänna tillstånd och fatta viktiga beslut om maskinunderhåll.

Figur 2 visar några av de viktigaste tillämpningarna för vibrationsövervakning på olika marknader. Fördelningen i figuren visar hur viktigt det är att samla in och analysera vibrationsdata som en del av en heltäckande lösning för tillståndsövervakning. Ytterligare givare kan användas för att samla in data som sedan sammanställs för att ge ett tillförlitligt och effektivt resultat. I de senaste lösningarna som branschen erbjuder, tar intelligenta algoritmer som använder givardata, kapaciteten och effektiviteten hos sådana lösningar till en ny nivå. Dessa innovativa och kraftfulla lösningar kan bidra till att minska kostnaderna och ineffektiviteten avsevärt, i samband med situationer där utrustningen är ur funktion, vilket annars skulle vara oundvikligt.

Figur 2: Olika tillämpningar av vibrationsövervakning. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Molntjänster har blivit en av de kritiska delarna i en omfattande lösning som omfattar givardata som samlas in från flera olika platser i ett företag för att säkerställa att det inte finns några störningar på någon nivå på någon plats. Den centrala bearbetningsenheten i molnet används för att kombinera och analysera all data och övervaka de berörda maskinerna och utrustningen i realtid för att säkerställa en smidig och oavbruten drift.

I figur 3 finns en förteckning över de viktigaste byggstenarna i ett system för vibrationsövervakning. Beroende på systemets behov och krav kan olika givare monteras på den utrustning som ska övervakas. Listan över givare omfattar:

• Vibration
• Tröghetsgivarmodul
• Temperatur
• Luftfuktighet
• Tryck
• Givare för omgivningsljus
• Lutningsmätare

En bearbetningsenhet krävs för att analysera de insamlade uppgifterna. Beroende på datamängd, sekretess, datasäkerhet, latens och effektbehov kan analyserna utföras i den lokala bearbetningsenheten eller överföras till en bearbetningsenhet i molnet där all data från flera utrustningar samlas in och analyseras.

Figur 3: Byggstenar i ett system för vibrationsövervakning. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Någon gång efter installationen och vid drift av maskinens börjar maskinens tillstånd att förändras. Det är viktigt att ha alla nödvändiga givare installerade för att samla in data om ultraljud och hörbara ljud, vibrationer, effektförbrukning, temperatur och eventuell rök. När tiden går, blir det allt viktigare att samla in maskinparametrar och givardata för att övervaka maskinens status.

Figur 4 visar den typiska kurvan för installation och feltillfälle (IPF) för en maskin som övervakas. Det kan ta månader eller till och med år från det att maskinens tillstånd ändras till det slutliga felet innan den börjar visa symptom på fel. Tidig analys av givardata kan ge en indikation på maskinens status och tränade AI-algoritmer som använder givardata som indata kan förutsäga ett fel och inleda processen för att vidta nödvändiga åtgärder.

Figur 4: Kurva över installation och feltillfälle (IPF). (Bildkälla: STMicroelectronics)

I figur 5 visas ett exempel på vibrationsövervakning av en elektrisk pump. Olika förhållanden, som t.ex. obalans, löshet, pumpens utgående axel och växellåda kan övervakas med hjälp av en vibrationsgivare. Vibrationsgivardata överförs sedan för ytterligare omfattande analys, inklusive en Fast Fourier Transfer (FFT) av vibrationsdata som kan fastställa den individuella frekvenssignaturen för dessa förhållanden.

Figur 5: Vibrationsövervakning av en elektrisk pump vid olika förhållanden. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Ett system för tillståndskontroll av en elmotor kan ha flera komponenter utöver den elektriska motorn. Lösningen kan ha flera givare, inklusive givare för vibrationer, temperatur, tryck och andra givare beroende på kraven i driftsmiljön. Anslutningsalternativet mellan pumpen och bearbetningsenheten kan vara trådbundet eller trådlöst med dedikerade kommunikationsprotokoll. Bearbetnings- och analysenheten kan tillhandahålla verktyg för pumpdiagnostik och visualisering för att hjälpa operatören att proaktivt identifiera och ta itu med problem, t.ex. oregelbundenheter i pumpen, som kan leda till driftsstopp och störningar. Detta proaktiva engagemang kan öka företagets vinst genom att sänka fabrikens drifts- och underhållskostnader.

Sammanfattning

Många givare används för att införa en heltäckande lösning för förebyggande underhåll. De senaste MEMS-baserade vibrationsgivarna har möjliggjort effektiva och kostnadseffektiva lösningar för vibrationsövervakning inom fabriksautomation, kraftförsörjning, hushållsapparater samt övervakning av konstruktioners status. Vibrationsövervakning kan användas som en fristående lösning eller som en del av en tillståndsbaserad övervakning som har utvecklats som en integrerad del av en omfattande lösning för att övervaka olika maskiner genom att samla in och analysera data i realtid. Den här lösningen har gjort det möjligt för^2000-talets fabriker att proaktivt övervaka och åtgärda problem som uppstår vid störningar i maskinernas produktivitet och driftstopp. Vibrationsövervakning är en kritisk byggsten i en heltäckande lösning för all fabriksautomation.

Referenser

1. Ultrabred bandbredd, lågt brus, digital vibrationsgivare med tre axlar: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Analog mikrofon med hål i botten med frekvenssvar på upp till 80 kHz för ultraljudsanalyser och tillämpningar för förebyggande underhåll. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. Temperaturgivare för låg spänning, med extremt låg strömförbrukning, 0,5 °C noggrannhet och I²C/SMBus 3.0. 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