Snelle implementatie van sensoren voor IIoT-gebaseerd voorspellend onderhoud met behulp van MEMS-versnellingsmeters

Conditiebewaking van machines met behulp van vibratiesensoren is een belangrijk onderdeel van het doel van het Industrial Internet of Things' (IIoT) (of Industry 4.0) om voorspellend onderhoud te kunnen uitvoeren. Het stelt productiefaciliteiten in staat om machineproblemen te identificeren en op te lossen voordat ze catastrofale storingen veroorzaken die de productie kunnen stilleggen terwijl er noodreparaties worden uitgevoerd. Voor ontwerpers heeft de traditionele aanpak van het gebruik van piëzo-elektrische (PE) trillingssensoren materiaalkosten (BOM), maar ook bedradingskosten en implementatiecomplexiteiten die de inzet ervan kunnen beperken.

Om de kosten te verlagen en de inzet te vereenvoudigen, kunnen ontwerpers in plaats daarvan kijken naar capacitieve micro-elektromechanische systemen (MEMS) sensoren. Recente verbeteringen in de prestaties van deze sensoren hebben ze op een niveau gebracht dat vergelijkbaar is met dat van PE-sensoren, met behoud van de lagere kosten, de grotere integratie en de industriële tolerantievoordelen van hun CMOS-fundamenten. Deze verbeteringen omvatten geïntegreerde analoog-digitaal omzetters (ADC's), filters en zelfs ingebedde bouwstenen voor machinaal leren om ervoor te zorgen dat deze apparaten kosteneffectieve attributen hebben die hun wijdverspreide installatie rechtvaardigen.

Dit artikel bespreekt de voordelen van MEMS capacitieve versnellingsmeters in trillingsbewakingstoepassingen. Het introduceert vervolgens voorbeeldapparaten van Analog Devices en STMicroelectronics en laat zien hoe ze snel kunnen worden ingezet als een wijdverbreid sensornetwerk voor een meer grondige, kosteneffectieve voorspellende onderhoudsdetectie van industriële machines.

Waarom trillingen gebruiken voor voorspellend onderhoud

Trillingen zijn een indicator die al lang wordt gebruikt bij conditiebewaking, diagnostiek en predictief onderhoud van industriële machines. Zo kan de juiste sensor, met de juiste verwerking, worden gebruikt om problemen te detecteren zoals onbalans in de belasting, verkeerde uitlijning, kogelfouten, en verschillende amplitudes en frequenties van trillingen die kunnen wijzen op een ander type faalmodus die zich ontwikkelt (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De juiste sensor en de juiste verwerking kunnen problemen zoals onbalans van de belasting of de motor en kogellagerstoringen detecteren, evenals trillingen die een ander type ontwikkelende storingsmodus kunnen voorspellen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met behulp van deze techniek zijn er normen opgesteld voor de sensorsystemen die gebruikt worden bij de trillingsbewaking. De ISO 2954:2012-standaard, "Mechanische trillingen van roterende en reciprocerende machine-Eisen voor instrumenten voor het meten van de trillingsintensiteit" is een goed voorbeeld. In dergelijke instrumenten zijn versnellingsmeters een kernonderdeel. Maar in een typisch ontwerp worden de signalen van de sensor niet direct gebruikt.

In moderne systemen is de eerste stap in de trillingsbewaking het signaal van de versnellingsmeter met behulp van een ADC in het digitale domein te brengen. Eenmaal gedigitaliseerd is de versnellingsmeting veel minder gevoelig voor elektrische ruis en kan de noodzaak van nauwkeurige analoge signaalconditionering worden geëlimineerd. Voor de trillingsmonitoring zijn vervolgens verschillende stadia van filtering en voorbewerking van de ruwe accelerometergegevens nodig om ruis te elimineren en diagnostisch bruikbare informatie te extraheren.

Eisen voor de voorbewerking van het versnellingssignaal

De signalen van de versnellingsmeter moeten eerst worden gefilterd om eventuele DC-componenten, zoals sensorvooringenomenheid of de effecten van de zwaartekracht, te verwijderen. Het gefilterde signaal kan dan op twee manieren worden gebruikt: de ene is om direct met versnellingsinformatie te werken, terwijl de andere werkt met de trillingssnelheid die wordt verkregen door het gefilterde signaal in de tijd te integreren. Het resulterende snelheidssignaal vereist ook high-pass filtering om de noodzaak om de initiële snelheid van het systeem (de constante van de integratie) te kennen bij het analyseren van de snelheidsinformatie te elimineren (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Ruwe versnellingsmetergegevens moeten worden voorbewerkt om bias te verwijderen, evenals geïntegreerd om een meting van de trillingssnelheid op te leveren voordat nuttige bewakings- en diagnostische informatie kan worden geëxtraheerd. (Bron afbeelding: Richard A. Quinnell)

Afhankelijk van de toepassing kunnen verschillende analysetechnieken worden toegepast op deze versnellings- en snelheidssignalen om nuttige informatie over de toestand van de machine te verkrijgen. Een van de meest voorkomende en meest gebruikte technieken is het berekenen van de wortel-gemiddelde-kwadraat snelheid (RMS-snelheid) van de trilling en het bepalen van de trend in de tijd. Door de slijtage van de machines ontstaat er meer bewegingsruimte, waardoor de snelheid van de trillingen toeneemt. Het monitoren van de RMS-snelheidstrends levert dus een slijtage-indicator op die kan worden vergeleken met vooraf bepaalde drempelwaarden om de behoefte aan onderhoud vast te stellen.

De versnelling kan ook worden vergeleken met vooraf bepaalde drempels om buiging of breuk in mechanismen op te sporen, met name in roterende machines. Dergelijke defecten zullen zich typisch manifesteren als periodieke "pieken" in het signaal. Een trend van toenemende versnelling of instabiliteit in het versnellingsprofiel in de loop van de tijd is ook een indicator voor slijtage en schade.

Spectrale analyse geeft extra inzicht

Het transformeren van de versnellings- en snelheidsgegevens van het tijdsdomein naar het frequentiedomein door middel van een snelle Fouriertransformatie (FFT) opent de deur naar een nog gedetailleerder inzicht in de machineconditie. Bij roterende machines zal bijvoorbeeld een sterk signaal op een enkele frequentie die gerelateerd is aan de rotatiesnelheid wijzen op een onbalans of een gebogen as. Algemene losheid of een gebroken tandwielkast daarentegen, zal een botsingssignaal rijk aan harmonische inhoud creëren. Een sterk signaal dat amplitude gemoduleerd wordt door een lagere frequentie is een krachtig diagnostisch hulpmiddel voor de analyse van het vistuig.

Het succesvol gebruik van deze verschillende diagnosetechnieken stelt uiteenlopende eisen aan de versnellingsmeter die de brongegevens levert. De bandbreedte ervan moet bijvoorbeeld breed genoeg zijn om de modulatie naar de basisrotatie van de motor en de harmonischen van een hogere orde gemakkelijk te kunnen opvangen. Synchrone AC-motoren draaien meestal met 3600 omwentelingen per minuut (rpm) en DC-motoren kunnen variëren van 10 rpm tot 7000 rpm of meer, dus een geschikte sensorbandbreedte kan nodig zijn om zo laag als 0,1 hertz (Hz) of zo hoog als vijf tot tien kilohertz (kHz) te bereiken, afhankelijk van het ontwerp van de machine.

Gevoeligheid is ook belangrijk. Afhankelijk van de grootte van de sensor kan het enige beschikbare montagepunt voor de conditiebewaking van bewegende machines zich op de behuizing bevinden, ver weg van de eigenlijke bron van de trillingen in de machine. Deze afstand zal de trilling dempen, wat leidt tot een zwak signaal. Als gevolg daarvan moeten zowel het signaal van de sensor als het pad van de sensor naar de ADC zo weinig mogelijk ruis vertonen om te voorkomen dat er elektrische storing optreedt, zoals bij de motorwikkelingen, waardoor het signaal van belang wordt verzwakt.

Trillingsbewakingssensoren moeten een goede stabiliteit hebben in de tijd en over de temperatuur heen. Stabiliteit is vooral belangrijk bij het gebruik van RMS-snelheidstrend als diagnostisch hulpmiddel. Veranderingen in de versnellingsmeting in de loop van de tijd of de temperatuur zullen zich ophopen tijdens de integratie die de snelheidsgegevens genereert, waardoor de trendmeting wordt gecompromitteerd.

Naast deze prestatie-eisen zijn er verschillende sensorattributen die van belang zijn vanuit een systeemontwerp. De sensor moet zo klein mogelijk zijn om de mogelijkheden voor plaatsing op de bewaakte machine te maximaliseren. Een laag gewicht is ook belangrijk om te voorkomen dat de massa van de sensor de trillingseigenschappen van de machine beïnvloedt.

Om de noodzaak om dure, ruisarme coaxiale bekabeling te gebruiken om een analoge sensor aan te sluiten op een digitizer te minimaliseren, worden veel accelerometers voor industriële conditiebewaking gecombineerd met een ADC, communicatiecircuits en mogelijk wat digitale signaalverwerking in een sensormodule. In dergelijke modules creëren zowel hun kleine omvang als hun lage vermogen een mogelijkheid voor batterij- en draadloze werking, waardoor de plaatsing verder wordt vereenvoudigd en de bedradingskosten en -complexiteit worden verminderd. Het minimaliseren van de totale kosten van de sensormodule verbetert de kosteneffectiviteit van conditiebewaking, waardoor er meer mogelijkheden zijn om preventief onderhoud toe te passen.

MEMS-versnellingsmeters voldoen aan de prestatie-, kosten- en integratie-uitdaging

Dankzij de vooruitgang op het gebied van CMOS-ontwerp en fabricagetechnologie kunnen MEMS-capacitieve versnellingsmeters voldoen aan deze prestatie- en systeemontwerpkenmerken voor een breed scala aan industriële conditiebewakingstoepassingen. Omdat ze worden vervaardigd met behulp van processen die compatibel zijn met de productie van CMOS geïntegreerde schakelingen, krijgen MEMS-versnellingsmeters een aanzienlijk voordeel ten opzichte van traditionele piëzo-elektrische versnellingsmeters - de MEMS-apparaten kunnen veel van de functies van een volledige sensormodule integreren in een chip-size pakket.

OPMERKING: Het is belangrijk om er in dit stadium op te wijzen dat piëzo-elektrische sensors nog steeds een plaats hebben en domineren in toepassingen die een extreme temperatuurtolerantie vereisen of waar trillingen boven 50 g waarschijnlijk zijn.

De STMicro-elektronica IIS3DWBTR triaxiale MEMS-versnellingsmeter is een goed voorbeeld (Afbeelding 3). Dit apparaat bevat drie ultrabrede bandbreedte (DC tot 6 kHz) versnellingssensors samen met een ADC, een door de gebruiker te configureren digitale filterketen, een temperatuursensor, een 3 kilobyte (Kbyte) FIFO, en een SPI seriële interface, allemaal in een pakket voor opbouwmontage dat slechts 2,5 x 3 x 0,83 millimeter (mm) meet. Het is een laag vermogen, werkt van 2,1 tot 3,6 volt en trekt slechts 1,1 milliampère (mA) bij volle werking. Een slaapstand van 5 microampère (µA) wordt automatisch gewekt als er activiteiten worden gedetecteerd. Het is ook robuust, met een werktemperatuurbereik van -40 °C tot +105 °C en 10.000 g-schokbestendigheid. Een selecteerbare gevoeligheid (±2, ±4, ±8, of ±16 g) maakt het mogelijk om deze aan te passen aan een reeks van toepassingsvereisten.

Afbeelding 3: Met de CMOS MEMS-technologie kunnen accelerometers zoals de STMicroelectronics IIS3DWBTR een geïntegreerde ADC, digitaal filter, FIFO-geheugen en nog veel meer in compacte, energiezuinige pakketten worden opgenomen om de kosten voor trillingsbewaking te minimaliseren. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De komst van apparaten zoals de IIS3WDB heeft de mogelijkheden voor trillingsconditiebewaking veranderd. Door alle essentiële attributen van een sensormodule op een laag kostenniveau te integreren, minimaliseren de apparaten de totale BOM-kosten om de bewaking over een breder toepassingsgebied kosteneffectief te maken. Het kleine formaat en de drie-assige detectie (waardoor er geen specifieke oriëntatie nodig is) breiden de mogelijkheden voor het plaatsen van de sensoren uit, inclusief het inbedden in de machine. De digitale interface maakt het mogelijk om de sensor eenvoudig aan te sluiten op de hostprocessoren voor het verzamelen en analyseren van gegevens, terwijl de geïntegreerde pre-processing en FIFO-buffer de communicatie met de host minder belastend maakt. De lage energiebehoefte opent de deur naar het gebruik van de batterij.

MEMS apparaatontwerpen kunnen verder gaan met betrekking tot integratie. In hetzelfde pakket als de IIS3WDBTR, bijvoorbeeld, verpakt de STMicroelectronics ISM330DHCXTR zowel een drie-assige versnellingsmeter als een drie-assige gyrometer voor zes graden bewegingsdetectie, evenals alle functionaliteit die in de IIS3DWBTR aanwezig is. Verder bevat het een I²C-interface, sensorhub-mogelijkheid, 9 Kbyte FIFO, een programmeerbare finite state machine voor gegevensverwerking, en de kernblokken voor machinaal leren zodat het apparaat zijn werking kan aanpassen aan zijn unieke installatie.

Modules integreren de gegevensverwerking

Voor nog veeleisender toepassingen zijn MEMS-sensormodules, compleet met ingebouwde verwerking, in zeer compacte formaten beschikbaar geworden. Bijvoorbeeld, de Analog Devices ADIS16228CMLZ trillingssensor module is een volledige tri-axiale, ±18 g MEMS versnellingsmeter met een geïntegreerde ADC en een 512-punts FFT voor trillingsanalyse in het frequentiedomein-allemaal in een 15 x 24 x 15 mm behuizing (Afbeelding 4). Het apparaat heeft ook programmeerbare alarmen voor zes spectrale banden die in staat zijn om waarschuwingen of foutdetectie te signaleren, afhankelijk van de energieniveaus in die banden.

Afbeelding 4: MEMS-trillingssensormodules compleet met ingebouwde FFT-verwerking en frequentiegebaseerde foutdetectie, zoals de Analog Devices ADIS16628, zijn verkrijgbaar in robuuste, compacte behuizingen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

MEMS-technologie biedt complete sensorsystemen die tot ±50 g kunnen worden gebruikt. De Analog Devices ADCMXL3021BMLZ heeft bijvoorbeeld een 10 kHz sensor bandbreedte, 220 kilo sample-per-second (kSPS) ADC's, digitale filters, en door de gebruiker te configureren tijd en FFT gebaseerde voorwaardelijke alarmen. Maar zelfs met al zijn ingebouwde verwerkingscapaciteit heeft het apparaat doorgaans slechts 30 mA bij 3,3 volt nodig.

Deze complete modules van het trillingssensorsysteem bieden vele door de gebruiker te configureren opties voor kenmerken als voorbewerking van de filterbandbreedte, FFT-vensterfunctie, frequentiebanddorsteling, temporele statistieken en dergelijke. Om ze effectief te gebruiken, moeten gebruikers een goed inzicht hebben in de kenmerken van hun systeem en de vele technieken voor trillingsanalyse die ze kunnen toepassen. Op dezelfde manier zullen ontwikkelaars die hun eigen trillingsbewakingssystemen willen maken met behulp van chipsensoren zoals de IIS3DWB of de ISM330DHCX, hun doelsysteemkarakteristieken moeten kennen en hun verwerkingsopties moeten begrijpen.

Begin met een evalkit

Om te beginnen met het bouwen van deze achtergrond, zou een ontwikkelingskit zoals de STMicroelectronics STEVAL-STWINKT1 een goed uitgangspunt kunnen zijn (Afbeelding 5). De module van de kit bevat zowel de IIS3DWB als de ISM330DHCX, samen met tal van andere sensoren en een Arm® Cortex®-M4 processor met floating-point unit om de extra verwerking te verwerken. De module kan worden gevoed met de meegeleverde Li-Ion-batterij en biedt een ingebouwde Bluetooth Low Energy-radio en een Wi-Fi-uitbreidingskaart voor draadloze connectiviteit, waardoor de kit geschikt is voor gebruik als een stand-alone conditiebewakingssensor in veldinstallaties.

Afbeelding 5: Ontwikkelkits zoals de STEVAL-STWINKT1 bieden ontwikkelaars niet alleen accelerometers en andere MEMS-sensors om te evalueren, maar kunnen ook als stand-alone, kant-en-klare modules voor industriële bewaking werken. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De kit wordt volledig ondersteund met een complete set firmware voor het ontwikkelen van conditiebewaking en predictieve onderhoudstoepassingen. Dit omvat middleware voor trillingsanalyse in het tijdsdomein (RMS-snelheid en acceleratiepieken) en in het frequentiedomein. De software is ook compatibel met de DSH-PREDMNT webgebaseerd voorspellend onderhoudsdashboard voor de bewaking van sensorgegevens en apparaatstatus. Er zijn voorbeeld-implementaties beschikbaar om ontwikkelaars een routekaart te geven voor hun eigen softwareontwerp.

Conclusie

Terwijl piëzo-elektrische sensoren nog steeds domineren in toepassingen die extreme temperatuurtolerantie of trillingsregimes boven 50 g vereisen, hebben hun grootte en behoefte aan discrete ADC's en voorbewerkingshardware (met de bijbehorende bekabelingskosten en complexiteit) traditioneel hun toepassingsbereik beperkt tot hoogwaardige apparatuurbewaking.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van MEMS-versnellingsmeters die een compact, kosteneffectief alternatief bieden dat de inzetbaarheid vereenvoudigt en het scala aan toepassingen voor trillingsbewaking uitbreidt. Samen met de steeds toenemende prestaties die deze apparaten bieden, stellen MEMS-versnellingsmeters ontwerpers in staat om de voordelen van trillingsconditiebewaking en predictief onderhoud voor machines van alle maten gemakkelijk over te nemen.