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新基建風口下,基于CbM加速實現工業制造的安全監測升級

振動傳感器 2020-06-24 334 0

剛閉幕的兩會政府工作報告中首次寫入“新基建”這一概念,加強新型基礎設施建設,目標是激發新消費需求、助力產業升級。在新基建的風口下,作為中國經濟核心動力的工業制造如何迎來自我升級的機遇呢?隨著人工智能加速落地,以及有線和無線技術解決方案的成熟,基于狀態的監測(CbM)實現制造設備的預測性維護或許是其中關鍵一環。

特別是隨著工業的發展,工業機器人和渦輪機、風扇、泵、電機之類的旋轉機器在工廠中應用的越來越廣泛,并伴隨著自動化的趨勢形成了一整套層層嵌合的流水線產線。在最理想的情況下,流水線一旦組成就可以一直運作,但是機器總會出現機械損耗,一旦發生問題,這套精密的產線就會停工,為企業造成極大的損失。因此,如果可以實現對工業狀態進行監控預測,在機器生命周期的早期進行有針對性的預測維護,可以減少生產停機的風險,從而提高可靠性、顯著節約成本和提高工廠的生產率。

確保“預言”準確度,可靠數據采集傳感器模塊不可少

要對工業機器實施基于狀態的監控,可以利用一系列傳感器數據,如電氣測量、振動、溫度、油品質量、聲學和流程測量(如流量和壓力)。但是,振動測量是目前最常見的,因為它可以最可靠地指示出機械問題,例如不平衡和軸承故障。

作為全球半導體領域最擅長信號調理與采集的ADI公司,在此方面早已有完整的技術布局,他們利用經過優化的微機電系統(MEMS)加速度計、低功耗微控制器和有線 iCoupler® 隔離接口信號鏈,可提取、調整來自遠程CbM從機的機器健康狀況數據,并將其可靠回傳至主控制器進行分析。隨著時間的推移,可以使用機器健康數據創建基于軟件的模型來確定機器行為的變化,并主動維護機器健康。

在工業狀態檢測中的第一步就是獲取準確的機械數據,因此選擇一個可靠的MEMS振動傳感器極為關鍵。一般來說,會從軸數、故障類型、性能要求等多個方面考量MEMS振動傳感器的選擇。

被監測的軸數通常與故障類型和傳感器的安裝布置呈函數關系。如果能明顯看出故障涉及一個主導軸,并且在該軸上有一個清晰的傳輸路徑,那么采用單軸傳感器就足夠了。三軸傳感對 于多軸中包含能量的故障或故障能量傳輸路徑不明確的故障是有用的。

被監測的故障類型對傳感器選擇有重要影響。傳感器的噪聲密度和帶寬是這方面的重要指標,因為它們決定了能夠可靠提取的振動水平和頻率范圍。例如,對于低轉速機器的不平衡和失調故障,可能需要一個低噪聲密度傳感器,但帶寬要求相當低,而齒輪故障檢測需要傳感器兼具低噪聲密度和高帶寬。

除了故障類型外,了解CbM的性能要求也很重要。在可測量的物理量中,振動頻譜測量能夠針對旋轉機器(發動機、發生器等)中的問題的根源提供最多信息,異常振動可能是滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度松散等問題。每振動測量可以使用放置在被監測元件附近的加速度計進行。這種傳感器可以是壓電式,也可以是MEMS類型,后者更具優勢,ADcmXL3021 MEMS加速度計模塊便是其中的代表解決方案。

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這個加速度計具備超低噪聲密度(25 µg/√Hz),支持出色的分辨率,可滿足不同解決方案需求。ADcmXL3021也具備寬帶寬(從直流一直到10 kHz,5%平坦度),可以跟蹤許多機器平臺上的關鍵振動特征。ADcmXL3021為客戶提供一個經過機械優化的鋁封裝,可以在廣泛的頻率范圍內提供與集成MEMS傳感器的穩定耦合。這就保證了可以可靠提取和調理從受測設備獲得的振動特征。ADcmXL3021可以提供SPI輸出,可以直接與RS-485/RS-422器件連接,也可以通過微處理器和/或 iCoupler 信號和功率隔離與RS-485/RS-422器件連接為了實時監測工業設備上的振動特征,ADcmXL3021提供實時流傳輸模式,其工作速率約為12 Mbps SPI。

在獲取傳感器數據后,接下來一步就是對其進行處理、傳輸,變成操作人可以輕松讀懂的信息。這種傳輸意味著將來自感測節點的傳感器數據發送至主控制器或者云高度依賴應用。在許多應用中,一些本地數據會在終端節點處理,匯總數據隨后發送至服務器中。

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實現可靠、高度集成、有線MEMS加速度計基于狀態監測的解決方案的選項

有線無線任選,工業狀態隨心監測

獲取到振動數據后,接下來要做的就是進行傳輸和處理。在長電纜中傳輸時,通信網絡可能會受到危害影響,例如較大的共模噪聲、接地電位差異和高壓瞬態。采用ADI iCoupler 芯片級變壓器隔離技術可以提高對這些噪聲源的抗干擾能力。

在有線通信網絡中,暴露在外的連接器和電纜還可能遭受許多嚴苛的高壓瞬態影響。與變速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準,要求最低±4 kV(接觸)/±8 kV(空氣)的IEC 61000-4-2 ESD保護。ADI新一代RS-485收發器 提供高于±8 kV(接觸)/±8 kV(空氣)IEC 61000-4-2 ESD保護。

狀態監控的各類線材、機器本身的各類線材會占用不少空間,在一些應用場景下,有線監控無法滿足需求,這時候,就需要更加輕量化的無線狀態監控解決方案。將數據在本地處理后,通過無線方式發送至網絡網關,或者直接通過蜂窩鏈路發送至云或分析服務器。ADI提供一整套基于SmartMesh技術的CBM無線狀態監控方案,采用了高性能、寬帶寬傳感器技術,超低功耗處理器和強大的無線工業網絡,實現工業設備的振動監測

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基于SmartMesh無線網絡的CBM無線狀態監控方案

SmartMesh網絡是這套監控方案傳輸部分的核心技術,它配備網狀網絡軟件的芯片和預認證 PCB 模塊,使傳感器能夠在苛刻的工業物聯網 (IoT) 環境中進行通信,從而簡化制造操作。安裝不會對正常的工業生產造成干擾,特別是適合緊湊的空間限制以及不方便布設線路的工業環境,并且提供實時數據,從而減少了停機時間并可幫助進行未來容量規劃。同時,SmartMesh IP 嵌入式無線網狀網絡可在惡劣的工業環境中實現 >99.999% 的數據可靠性和超低功耗。

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GUI用戶界面

小結

ADI推出的CbM狀態監測解決方案可幫助工業技術人員快速了解工業設備的運行狀態,從而提前快速處理。并提供有線、無線兩種連接方式,想要更原始數據時,采用有線傳輸;想要更輕量化布局時,采用無線傳輸,滿足了不同維度的用戶需求,并加速工業自動化的發展。

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