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新基建风口下,基于CbM加速实现工业制造的安全监测升级

振动传感器 2020-06-24 82 0

刚闭幕的两会政府工作报告中首次写入“新基建”这一概念,加强新型基础设施建设,目标是激发新消费需求、助力产业升级。在新基建的风口下,作为中国经济核心动力的工业制造如何迎来自我升级的机遇呢?随着人工智能加速落地,以及有线和无线技术解决方案的成熟,基于状态的监测(CbM)实现制造设备的预测性维护或许是其中关键一环。

特别是随着工业的发展,工业机器人和涡轮机、风扇、泵、电机之类的旋转机器在工厂中应用的越来越广泛,并伴随着自动化的趋势形成了一整套层层嵌合的流水线产线。在最理想的情况下,流水线一旦组成就可以一直运作,但是机器总会出现机械损耗,一旦发生问题,这套精密的产线就会停工,为企业造成极大的损失。因此,如果可以实现对工业状态进行监控预测,在机器生命周期的早期进行有针对性的预测维护,可以减少生产停机的风险,从而提高可靠性、显著节约成本和提高工厂的生产率。

确保“预言”准确度,可靠数据采集传感器模块不可少

要对工业机器实施基于状态的监控,可以利用一系列传感器数据,如电气测量、振动、温度、油品质量、声学和流程测量(如流量和压力)。但是,振动测量是目前最常见的,因为它可以最可靠地指示出机械问题,例如不平衡和轴承故障。

作为全球半导体领域最擅长信号调理与采集的ADI公司,在此方面早已有完整的技术布局,他们利用经过优化的微机电系统(MEMS)加速度计、低功耗微控制器和有线 iCoupler® 隔离接口信号链,可提取、调整来自远程CbM从机的机器健康状况数据,并将其可靠回传至主控制器进行分析。随着时间的推移,可以使用机器健康数据创建基于软件的模型来确定机器行为的变化,并主动维护机器健康。

在工业状态检测中的第一步就是获取准确的机械数据,因此选择一个可靠的MEMS振动传感器极为关键。一般来说,会从轴数、故障类型、性能要求等多个方面考量MEMS振动传感器的选择。

被监测的轴数通常与故障类型和传感器的安装布置呈函数关系。如果能明显看出故障涉及一个主导轴,并且在该轴上有一个清晰的传输路径,那么采用单轴传感器就足够了。三轴传感对 于多轴中包含能量的故障或故障能量传输路径不明确的故障是有用的。

被监测的故障类型对传感器选择有重要影响。传感器的噪声密度和带宽是这方面的重要指标,因为它们决定了能够可靠提取的振动水平和频率范围。例如,对于低转速机器的不平衡和失调故障,可能需要一个低噪声密度传感器,但带宽要求相当低,而齿轮故障检测需要传感器兼具低噪声密度和高带宽。

除了故障类型外,了解CbM的性能要求也很重要。在可测量的物理量中,振动频谱测量能够针对旋转机器(发动机、发生器等)中的问题的根源提供最多信息,异常振动可能是滚珠轴承故障、轴偏差、不平衡、过度松散等问题。每振动测量可以使用放置在被监测元件附近的加速度计进行。这种传感器可以是压电式,也可以是MEMS类型,后者更具优势,ADcmXL3021 MEMS加速度计模块便是其中的代表解决方案。

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这个加速度计具备超低噪声密度(25 µg/√Hz),支持出色的分辨率,可满足不同解决方案需求。ADcmXL3021也具备宽带宽(从直流一直到10 kHz,5%平坦度),可以跟踪许多机器平台上的关键振动特征。ADcmXL3021为客户提供一个经过机械优化的铝封装,可以在广泛的频率范围内提供与集成MEMS传感器的稳定耦合。这就保证了可以可靠提取和调理从受测设备获得的振动特征。ADcmXL3021可以提供SPI输出,可以直接与RS-485/RS-422器件连接,也可以通过微处理器和/或 iCoupler 信号和功率隔离与RS-485/RS-422器件连接为了实时监测工业设备上的振动特征,ADcmXL3021提供实时流传输模式,其工作速率约为12 Mbps SPI。

在获取传感器数据后,接下来一步就是对其进行处理、传输,变成操作人可以轻松读懂的信息。这种传输意味着将来自感测节点的传感器数据发送至主控制器或者云高度依赖应用。在许多应用中,一些本地数据会在终端节点处理,汇总数据随后发送至服务器中。

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实现可靠、高度集成、有线MEMS加速度计基于状态监测的解决方案的选项

有线无线任选,工业状态随心监测

获取到振动数据后,接下来要做的就是进行传输和处理。在长电缆中传输时,通信网络可能会受到危害影响,例如较大的共模噪声、接地电位差异和高压瞬态。采用ADI iCoupler 芯片级变压器隔离技术可以提高对这些噪声源的抗干扰能力。

在有线通信网络中,暴露在外的连接器和电缆还可能遭受许多严苛的高压瞬态影响。与变速电力驱动系统的EMC抗扰度要求相关的系统级IEC 61800-3标准,要求最低±4 kV(接触)/±8 kV(空气)的IEC 61000-4-2 ESD保护。ADI新一代RS-485收发器 提供高于±8 kV(接触)/±8 kV(空气)IEC 61000-4-2 ESD保护。

状态监控的各类线材、机器本身的各类线材会占用不少空间,在一些应用场景下,有线监控无法满足需求,这时候,就需要更加轻量化的无线状态监控解决方案。将数据在本地处理后,通过无线方式发送至网络网关,或者直接通过蜂窝链路发送至云或分析服务器。ADI提供一整套基于SmartMesh技术的CBM无线状态监控方案,采用了高性能、宽带宽传感器技术,超低功耗处理器和强大的无线工业网络,实现工业设备的振动监测

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基于SmartMesh无线网络的CBM无线状态监控方案

SmartMesh网络是这套监控方案传输部分的核心技术,它配备网状网络软件的芯片和预认证 PCB 模块,使传感器能够在苛刻的工业物联网 (IoT) 环境中进行通信,从而简化制造操作。安装不会对正常的工业生产造成干扰,特别是适合紧凑的空间限制以及不方便布设线路的工业环境,并且提供实时数据,从而减少了停机时间并可帮助进行未来容量规划。同时,SmartMesh IP 嵌入式无线网状网络可在恶劣的工业环境中实现 >99.999% 的数据可靠性和超低功耗。

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GUI用户界面

小结

ADI推出的CbM状态监测解决方案可帮助工业技术人员快速了解工业设备的运行状态,从而提前快速处理。并提供有线、无线两种连接方式,想要更原始数据时,采用有线传输;想要更轻量化布局时,采用无线传输,满足了不同维度的用户需求,并加速工业自动化的发展。

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