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智能工業興起發展的關鍵--傳感器和低功耗通信連接

振動傳感器 2020-06-01 276 0

前言

智能工業是一個描述制造設施網絡化和自動化的術語。在智能工業時代,工廠生產效率更高; 從供應鏈角度看,產供更加靈活,按需定制程度更高,制造過程更環保節能,工業垃圾更少,工作環境更安全,車間人機協同性更高。

傳感器和低功耗通信連接技術是互聯智慧工業興起發展的關鍵,本文詳細介紹這兩項技術近期取得的重大進步。

智能工業發展歷程

第一次工業革命發生在18世紀,標志著以蒸汽機為動力的機械工業時代的來臨,每個勞動力參與大規模生產的全部環節。

第二次工業革命發生在20世紀,機械設備的動力由蒸汽變為電力,大規模生產首次出現勞動分工,每個工人只負責產品加工過程中的一個工藝,不再自始至終的全程參與生產過程。

第三次工業革命發生在20世紀70年代,因為電子信息技術的廣泛應用,制造過程實現自動化,大型機械設備被電子設備取代。這次革命還是半導體行業發展史上的一個重要里程碑,半導體工業成為自動化發展的引擎。

第四次工業革命發生在今天,機器變得越來越智能,人機交互更加直觀,新機器可以自主監測性能狀態、使用情況和故障狀況,因此,能效、安全和靈活度更高。企業可以使用大數據、分析學和分權決策方法提高供應鏈的可靠性和生產運營效率。

在智能工業時代,制造過程更加高效和環保,工作環境更加安全,工人的工作體驗更好,人機交互更直觀,可以按照客戶需求更靈活、大批量地制造產品。

智能工業啟用技術

能效

智能機器在每種工作模式下都能保持高能效,可以將電能高效地轉化成機械能,必要時還能高效地儲備電能。今天,電機能效比過去高很多;照明系統可以通過無線網絡遠程控制燈具,只在需要時才點亮。

智能和感知

智能機器使用傳感器測量振動、溫度、濕度等參數,并將傳感器數據送到處理器處理,將其變成有用的信息,智能機器與附近的操作員交互,將傳感器信息提供給操作員。

通信連接

在工廠內部,所有的智能機器互聯上云,提供底層的實時信息,融入一個超大供應鏈。傳感器信息被安全地送到云端,供分析技術使用,包括停機預測。

智能工業應用領域

工廠自動化

工廠自動化是使用各種控制系統管理制造過程,讓機器按照預定工序運行,盡可能減少人工干預。通過在制造過程中監測各種數據,例如,原料和成品的溫濕度、故障檢測、自動測試報告等,自動化系統可以做出各種決策。不同的機器可以通過6LowPan subGhz RF 技術互聯,構成網格網絡,共享信息。

工業機器人

工業機器人是一種運動自由度很高的機器。在設定程序后,工業機器人可以完成制造、測試和生產任務,有助于實現高品質制造,節省人工成本,在對人體健康有害和不適宜人類生存的危險環境中代替人類作業。新一代機器人靈活可變,能夠執行程序,按照客戶的需求和意愿,一對一地量身定制產品。機器人有多顆傳感器,能夠準確地監測運動位置和角度。工業智能機器人之間也是無線通信,收發數據。

工業照明

在非制造類設施用電量中,照明用電占相當大的比例。如果燈具不用時還點亮,大量的電能將被浪費。智能照明系統可以通過6LowPan subGhz網絡監控每支燈具,只在必要時才會開啟燈具,并自動檢測故障燈具,甚至還能遠程調節燈光亮度。燈桿上還可以安裝氣象監測設備和治安攝像頭。

智能制造

智能制造將各種制造領域與供應鏈完全融為一體,這個概念覆蓋自動化控制、先進機器人、電機控制、傳感器、互聯機器等。智能制造設施能夠自動訂購原料,在故障發生前提出維修請求,能夠改進工作條件,更安全地管理危險制造活動。智能制造設施也需要用到大數據和人工智能技術。

經濟實惠的低功耗傳感器和通信連接技術正在讓智能工業離我們越來越近。

案例研究: 利用自動化振動監測技術監視機器性能狀況

傳統監測方法

因為機器易磨損和斷裂,所以企業必須采用預防性維護計劃,定期檢查機器的部件,即便沒必要也得做,或者定期監測機器的運行狀態。預防性維護計劃通常外包給外部服務機構,他們會定期派人上門監測振動參數。這種方法成本很高,因為委托企業要承擔維修工的服務費和差旅費。此外,因為數據監測不是連續的過程,故障發生率仍然很高,致使故障不可預測。

智能監測方法

機器本身配備傳感器和射頻通信模塊。傳感器連續監測振動和溫度等參數,并通過BLE藍牙或RF subGhz無線技術將數據上傳至網關,再送到云服務器。傳感器和射頻通信模塊的功耗極低,甚至可以選用電池作電源。網關將數據傳到云端進行振動分析和FFT分析。

機器振動特征分析技術可提前發現各種故障或異常,例如,負載均衡、錯位偏差、軸承缺陷、齒輪嚙合等。

傳感器在工業智能化中的作用

加速度

加速度計用于測量工業機器沿X、Y、 Z三軸方向發生的加速度,還可以測量機器或機械臂的傾角。如果機器水平靜止,則X、Y兩軸輸出數據是0g,而Z軸輸出則是1g。1g是地球上所有物體都要承受的地球引力。如果機器沿X軸旋轉90度,則X和Z兩軸將輸出0g,Y軸輸出1g。在傾斜狀態下,X、Y、Z三軸輸出值在 0和1g之間,然后將輸出值代入三角學公式,算出機器的傾角。

加速度計還能測量沿水平和垂直方向的線性加速度,這些數據可用于計算機器的運動速率和方向,甚至還能計算高度變化率。

加速度計還能檢測機器振動。在電機上安裝的加速度計為檢測故障類型提供關鍵數據。因為電機負載失衡引起的故障、軸承缺陷和齒輪嚙合故障三者的振動頻率不同,這些信息可用于預測電機的檢修需求。

陀螺儀

陀螺儀是一種測量沿三軸方向的角速度的傳感器,能夠測量俯仰、橫滾、航向三軸的角度變化率。角速率變化信息可用于提高機器運行的穩定性,防止機器橫向晃動。在收到陀螺儀信息后,電機控制器可以動態調節電機轉速,確保機器或機械臂穩定運行。陀螺儀還能讓機器或機械臂按照用戶要求的角度精確旋轉。

磁羅盤

顧名思義,磁羅盤為機器或機械臂提供運動方向數據。磁羅盤測量物體所在磁場沿X、Y、Z三軸方向的數據,并報送到微控制器,利用專門算法算出以北極為參照點的航向角,以確定地理方向。

為取得準確的方向,應將加速度計的傾角數據和磁羅盤數據綜合應用。

磁羅盤的精確度很容易受到軟硬鐵或運行角度的影響。硬鐵是存在于傳感器附近的硬磁鐵材料,可使羅盤的指針發生永久性偏移。軟鐵是傳感器附近的弱磁鐵材料、電路跡線等,可使羅盤指針發生可變性偏移。為濾除這些異常,需要一個磁傳感器校準算法。對于這個算法,最重要的是校準快,人工干預少。

氣壓計

氣壓計可以把氣壓值換算成高度值。氣壓傳感器可測量地球大氣壓。氣壓計數據有助于機器或機械臂導航,達到目標高度。升降速度估算的準確性對包括機器人在內的很多機器至關重要。意法半導體推出了新款數據速率200Hz的壓力傳感器LPS22HD,能夠滿足高度估算需求。

濕度傳感器

濕度傳感器可以測量濕度參數,用于氣象站、凝結度監測、空氣密度監測和氣體傳感器測量校正。

意法半導體濕度傳感器HTS221包括傳感器單元和模擬前端,通過數字串口輸出測量數據。傳感單元包括聚合物電介質平面電容結構,能夠測量相對濕度變化。

MEMS麥克風

MEMS麥克風是一種將聲音信號轉化成電信號的音頻傳感器。MEMS麥克風的人氣越來越高,與傳統麥克風相比,MEMS麥克風信噪比高、尺寸小、數字接口、抗射頻干擾性強、抗振性強,主要用于攝像機、治安監控和情報搜集等設備。

智能工業傳感器的重要特性

機器很容易發生極端的工況,受到振動、噪聲和環境的影響。工業機器傳感器應該有很強的抗振性能,能夠捕捉更少的噪聲信號,響應速度快,能夠捕捉到所有的振動,性能穩定,不受溫度、濕度等環境參數變化的影響。最后,可靠性和性能應該很高。

算法的作用

在把傳感器原始數據變成有意義的用例過程中,軟件庫在其中發揮著重要作用。算法可提升傳感器的功能性,實現預想不到的功能。算法整合不同傳感器發送的數據,然后輸出上下文感知數據。

加速度計、陀螺儀和磁羅盤三個運動傳感器有各自的優缺點。傳感器的短板包括校準不完美、時間或溫度漂移、隨機噪聲。磁強計和加速度計受失真問題困擾,陀螺儀本身有漂移問題。傳感器融合算法庫用于讓三個傳感器相互取長補短,提高校準精度,在所有的場景中輸出精確的結果,不僅輸出經過校準的傳感器數據,而且還有角度和航向角信息以及四元數。

智能機器互聯技術

智能機器可以通過不同的通信連接技術聯網,低能耗藍牙和 Wi-Fi用于機器和手機之間的連接。Sub-1GHz射頻技術用于通過專屬協議連接傳感器網絡,兼具功耗低和通信距離遠兩大優點。移動蜂窩通信和Sigfox用于將機器數據直接上傳到電信基礎設施。

下表列出了各種連接技術的通信距離和功耗情況。在下文中我們將更詳細地討論低功耗通信技術,例如,BLE、RF sub-1GHz和Sigfox。

智能工業興起發展的關鍵--傳感器和低功耗通信連接

低能耗藍牙 - 智能藍牙[BLE]

低能耗藍牙[BLE]又稱智能藍牙,是一種低能耗的機器連接通信技術,適用于低端機器,特別是玩具。支持機器與控制器之間雙向通信,例如,手機、平板、筆記本和專用遙控器。BLE協議可大幅延長機器電池的續航時間,令Wi-Fi和Classical Bluetooth等傳統無線技術望塵莫及。

低能耗藍牙工作在免牌照費的2.4GHz ISM頻段。藍牙技術聯盟(SIG)是低能耗藍牙標準的管理者,所有大牌手機廠商都支持該標準。

目前低能耗藍牙芯片市場有兩大陣營。

a.網絡處理器

網絡處理器運行低能耗藍牙協議,包括控制器、主設備和協議棧。與運行不同的藍牙應用協議和應用的主微控制器交互,網絡處理器還需要一個單獨的微控制器。網絡處理器是一個獨立的平臺,為用戶選擇最適合的微控制器或操作系統提供很大的靈活性。BlueNRG-MS是意法半導體開發的兼容BLE 4.1的網絡處理器,能夠同時充當主控制器和從控制器兩個角色,可以讓一個遙控器當手機的從設備,機器的主控制器。

b.系統芯片

系統芯片(SOC)是一個獨立的芯片組,包括控制器、主設備、應用協議棧和應用。意法半導體的BlueNRG-1是 BLE 4.2認證系統芯片,包含15個GPIO引腳、I2C、SPI、UART、PWM、PDM和160kB RAM。這款芯片還提供BLE 4.2.的先進數據安全和隱私保護功能。

RF sub-1GHz

顧名思義,RF sub-1GHz技術是以低于1GHz的載波頻率傳送信號,不同的國家為工業和科研領域分配了不同的免牌照費的無線電波段。

下面是各個國家的免費無線電波段。

·北美: 315, 433, 915Mhz

·歐洲433, 868Mhz

·印度: 433, 865-867Mhz

sub-1GHz技術的優點是噪聲小,通信距離遠,功耗低。缺點是不能直連手機,應用不廣泛。

Sigfox是采用sub-1GHz頻率的需要付費的LPWAN服務。Sigfox技術可直連電信基礎設施上云。通信距離長達幾公里。在機器內,Sigfox可用于跟蹤,向云端上傳傳感器數據。作為直連電信基礎設施的低速率通信技術,預計未來不會取代BLE等控制直連技術和RF sub-1GHz直接對等連接。

意法半導體最近推出了 RF sub-1GHz和 Sigfox收發器芯片S2-LP。這款產品的通信頻率是430-470 MHz和860-940 MHz,輸出功率高達+16dbm,靈敏度低至-130dbm,工作電流極低,可在機器與遙控器之間建立對等連接。這還是一款Sigfox認證產品,可直接將機器連至Sigfox網絡上云,無需通過網關,因為功耗極低,電池電量可用10年。

開發平臺

物聯網市場正在飛速發展,產品能否成功,很大程度取決于研發時間和成本,在這種情況下,擁有一個價格劃算、靈活可變、可伸縮的生產級開源開發平臺很重要。

意法半導體推出了STM32開放式開發環境,為設計人員使用意法半導體產品開發應用提供了一個靈活多變、經濟實惠的解決方案。STM32開發環境包括微控制器、傳感器、射頻芯片、模擬器件。除硬件平臺外,開發環境還提供驅動軟件、中間件和應用例程,以及相關的 Android和iOS代碼。

用戶只要在電腦上簽署一份授權協議,就可以使用這些高級軟件庫。在平臺測試成功后,設計人員就可開發自己的印刷電路板,裝載在這個平臺上開發的固件。用戶只有在自己的電路板上測試應用時,才需要簽署生產級軟件庫許可證。

SensorTIle

SensorTIle是一個方磚狀微型設計平臺,具有遠程感測運動、環境和聲學等參數所需的全部功能,讓設備開發人員集中精力研發機器或機械臂的空氣動力、電機控制和物理設計,而無需考慮通信連接和傳感器集成等問題。

智能工業興起發展的關鍵--傳感器和低功耗通信連接

該解決方案可以開發預防性和預測性機器維護方法,監控安裝在危險和危害人體健康的環境中的機器,因為維護技師無需到現場檢修,為企業節省一大筆維修費。

結論

實現更高的生產率、更安全的工作環境和更高的能效,智能工業是當務之急。低功耗傳感器和通信連接技術的問世為智能工業的發展提供了可能。多元化的傳感器和連接技術正在解決諸多的復雜難題,要是放在過去,這些難題是根本無法解決的,即使能夠解決,也需要付出很大的代價。

意法半導體擁有30余年的工業產品研發經驗和深厚的應用知識積累,我們有能力為智能工業市場提供優化的解決方案。意法半導體有自己的先進制造設施,市場領先的創新技術,以及豐富的開發工具、軟件和技術支持。

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