Gebruik van een MEMS-sensor voor trillingsbewaking

Trillingsbewaking (Vibration Monitoring of VM) bestaat al geruime tijd en wordt toegepast om de gezondheidstoestand van een machine, uitrusting of constructie te bewaken. De trillingsgegevens die via speciale sensoren worden verzameld terwijl de machine draait, worden in realtime bewaakt en geanalyseerd.

Het belangrijkste doel van trillingsbewaking is het verlagen van het risico op fatale schade en potentiële productiestilstand, wat leidt tot beheersing en verlaging van de totale operationele kosten.

De trillingsgegevens van een trillingssensor kunnen worden gebruikt als een op zichzelf staande input of worden gecombineerd met andere sensorgegevens, afhankelijk van de operationele vereisten. Zo kunnen trillingsgegevens in een fabrieksautomatiseringstoepassing bijvoorbeeld worden gecombineerd met:

1. Temperatuur
2. Rook
3. Vochtigheid
4. Druk
5. Geluid

Deze combinaties leveren een compleet systeem op voor een robuustere en betrouwbaardere oplossing.

In sommige gebruikssituaties, zoals structurele bewaking, kunnen de trillingsgegevens worden gecombineerd met gegevens over de hellingshoek die door middel van een inclinometer worden verzameld om de gezondheidstoestand van de constructie te bepalen.

De verzamelde gegevens worden ingevoerd in speciale algoritmen, waaronder de nieuwste kunstmatige intelligentie (AI)-algoritmen, om een model te ontwikkelen dat mogelijke toekomstige storingen kan voorspellen. De modelvoorspellingsinformatie kan vervolgens worden gebruikt om kennis op te bouwen over de vraag of er al dan niet onmiddellijk maatregelen moeten worden genomen om productiviteitsverlies te voorkomen.

Een nieuwe trend in fabrieksautomatisering is het gebruik van AI-algoritmen die op basis van sensorgegevens worden getraind om te voorspellen welke taken moeten worden uitgevoerd. Dit verlicht de last voor individuele operators die voorheen moeilijke, kritische en tijdrovende beslissingen moesten nemen. Een autonoom geautomatiseerde fabriek neemt de verantwoordelijkheid van individuele operatoren over en reageert automatisch op veranderende bedrijfscondities.

Trillingssensor

Een belangrijk onderdeel van een trillingsbewakingstoepassing is de trillingssensor. De nieuwste trillingssensoren zijn gebaseerd op MEMS-technologie en maken gebruik van hetzelfde concept als versnellingsdetectie in een accelerometer. Het belangrijkste verschil zit in de bandbreedte van de sensor. Een MEMS-accelerometer heeft een typische bandbreedte van 3 kHz, maar een trillingssensor is in staat trillingen met een aanzienlijk grotere bandbreedte te detecteren. Het vermogen van een trillingssensor om hoogfrequente signalen op te vangen maakt een nauwkeurigere frequentieanalyse van de trillingen mogelijk. De nieuwste MEMS-trillingssensor heeft een bandbreedte van meer dan 6 kHz en zal later worden besproken.

Een op MEMS gebaseerde trillingssensor heeft vele gebruiksmogelijkheden en afbeelding 1 geeft een overzicht van enkele belangrijke toepassingen. Motortrillingsbewaking is een essentiële onderdeel van een succesvolle fabrieksautomatisering. Trillingsbewaking in de spoorwegen kan catastrofale treinongelukken helpen voorkomen. Huishoudelijke apparaten zoals wasmachines zijn al sinds het eerste gebruik van MEMS-sensoren in industriële toepassingen uitgerust met trillingsbewaking. Toepassingen in structurele bewaking zijn in een stroomversnelling geraakt sinds de opkomst van betaalbare MEMS-sensoren. Zo zijn gemeenten bijvoorbeeld verantwoordelijk voor het bewaken van trillingen in bruggen om ervoor te zorgen dat de constructies in goede en gezonde staat verkeren. De trillingsgegevens van de brug, met name tijdens de spitsuren, kunnen waardevolle informatie verschaffen over eventuele gebreken die zouden kunnen leiden tot het instorten van de brug.

Afbeelding 1: Enkele toepassingen van MEMS-sensoren voor trillingsbewaking. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De technische specificaties van een trillingssensor moeten zorgvuldig worden geanalyseerd om er zeker van te zijn dat de sensor kan voldoen aan de eisen van de beoogde toepassing. Tabel 1 toont de belangrijkste parameters van een van de nieuwste trillingssensoren van STMicroelectronics. Dit component kan trillingen in de 3-dimensionale ruimte (x, y, z) meten. De drie vrijheidsgraden van dit component bieden de flexibiliteit om het in montagerichting te plaatsen.

Het volledige schaalbereik van maximaal 16 g versnelling per as is voldoende voor het trillingsamplitudebereik dat gewoonlijk nodig is om de conditie van een machine te bewaken.

Dit component biedt een ultragrote bandbreedte, een vlakke frequentierespons tot 6,3 kHz en ingebouwde filtering die frequentie-aliasing elimineert.

Een ander belangrijk kenmerk van dit component is de zeer lage spectrale geluidsdichtheid. Dit is een zeer belangrijk voordeel wanneer laagfrequente trillingen moeten worden opgevangen.

Vergeleken met de bestaande trillingssensor is het bedrijfstemperatuurbereik vergroot tot +105 °C om te voldoen aan de voorwaarden van een veeleisende bedrijfsomgeving.

Het component kan worden gebruikt in een 3-assige modus of in een éénassige modus, die kan worden geselecteerd via speciale registers. In de 3-assige modus zijn alle drie de assen (x, y, z) tegelijk actief. In de éénassige modus is slechts één as actief. De éénassige modus heeft een aanzienlijk betere resolutie (geluidsdichtheid) van de actieve as.

Tabel 1: De belangrijkste parameters van de nieuwste trillingssensoren van STMicroelectronics.

Trillingsbewakingstoepassingen

Met trillingsbewaking wordt gewoonlijk de analyse van de trillingen van een machine, uitrusting of toestel bedoeld als onderdeel van een uitgebreidere toepassing die bekend staat onder de naam conditiebewaking (Condition Monitoring (CM) of Condition-based Monitoring (CbM)). De trillingsanalyse speelt een belangrijke rol bij de bewaking van de gezondheidstoestand van de machine in de loop van de tijd. Naast het verzamelen van trillingsgegevens omvat een complete conditiebewakingsoplossing echter ook meerdere sensoren om vitale apparatuurparameters te meten, zoals temperatuur, geluid, druk, rook en vochtigheid. Elk van deze sensoren levert waardevolle informatie over een specifieke conditie van de machine. Deze sensorgegevens worden samengevoegd, verwerkt en geanalyseerd om kennis op te bouwen over de algemene conditie van de machine, zodat cruciale beslissingen over machineonderhoud kunnen worden genomen.

Afbeelding 2 illustreert enkele van de belangrijkste toepassingen van trillingsbewaking in diverse markten. De uitsplitsing in deze afbeelding onderstreept het belang van het verzamelen en analyseren van trillingsgegevens als onderdeel van een alomvattende oplossing voor CM. Met extra sensoren kunnen gegevens worden verzameld die vervolgens worden samengevoegd voor een betrouwbaar en doeltreffend resultaat. Intelligente algoritmen die gebruik maken van sensorgegevens brengen de mogelijkheden en doeltreffendheid van de nieuwste industrieoplossingen op een nieuw niveau. Deze innovatieve en krachtige oplossingen kunnen helpen de kosten en inefficiëntie te verminderen die gepaard gaan met apparatuuruitval, wat anders onvermijdelijk zou zijn.

Afbeelding 2: Diverse toepassingen van trillingsbewaking. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Cloud computing is een van de cruciale onderdelen van een uitgebreide oplossing geworden waarbij sensorgegevens worden verzameld van meerdere bedrijfslocaties om te zorgen dat er geen onderbreking is op welk niveau en op welke locatie dan ook. De centrale verwerkingseenheid in de cloud wordt gebruikt om alle gegevens te combineren en te analyseren en de betreffende machines en apparatuur in realtime te controleren om een vlotte en ononderbroken werking te garanderen.

Afbeelding 3 bevat een lijst van de essentiële bouwstenen van een trillingsbewakingssysteem. Afhankelijk van de behoeften en vereisten van het systeem kunnen diverse sensoren op de te bewaken apparatuur worden gemonteerd. De lijst van sensoren omvat:

• Trilling
• Inertiële sensormodule
• Temperatuur
• Vochtigheid
• Druk
• Omgevingslichtsensor
• Hellingsmeter

Een verwerkingseenheid is nodig om de verzamelde gegevens te analyseren. Afhankelijk van de hoeveelheid gegevens, privacy, gegevensbeveiliging, latentie en stroomvereisten kunnen de analyses worden uitgevoerd in de lokale verwerkingseenheid of worden doorgestuurd naar een verwerkingscentrum in de cloud waar alle gegevens van meerdere apparaten worden verzameld en geanalyseerd.

Afbeelding 3: Bouwstenen van een trillingsbewakingssysteem. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Op een bepaald moment na de installatie en terwijl de machine in bedrijf is, begint de conditie van de machine te veranderen. Het is van cruciaal belang dat alle vereiste sensoren zijn geïnstalleerd om gegevens te verzamelen over ultrasone en waarneembare geluiden, trillingen, stroomverbruik, temperatuur en eventuele rookontwikkeling. Na verloop van tijd wordt het verzamelen van machineparameters en sensorgegevens voor het bewaken van de gezondheidstoestand van de machine van cruciaal belang.

Afbeelding 4 toont de typische IPF-curve (Installation and Point of Failure) van een machine die wordt bewaakt. De tijd tussen de eerste conditieverandering van de machine en de uiteindelijke uitval kan maanden zijn of het kan zelfs jaren duren voordat de machine storingsverschijnselen begint te vertonen. Vroegtijdige analyse van de sensorgegevens kan een indicatie geven van de gezondheidstoestand van de machine en getrainde AI-algoritmen kunnen met behulp van sensorgegevens als input storingen voorspellen en het proces voor het nemen van de nodige maatregelen in gang zetten.

Afbeelding 4: IPF-Curve. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Afbeelding 5 geeft een voorbeeld van trillingsbewaking van een elektrische pomp. Verschillende condities, zoals balans en speling, de uitgangsas en de tandwielkast van de pomp kunnen worden bewaakt met een trillingssensor. De gegevens van de trillingssensor worden vervolgens doorgestuurd voor uitgebreide analyse, zoals een Fast Fourier Transfer (FFT) van de trillingsgegevens waarmee de individuele frequentiesignatuur van deze condities kan worden bepaald.

Afbeelding 5: Trillingsbewaking van een elektrische pomp in verschillende condities. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Een conditiebewakingssysteem voor een elektromotor kan, behalve de elektromotor zelf, uit verschillende componenten bestaan. De oplossing kan meerdere sensoren hebben, waaronder die voor trillingen, temperatuur, druk en andere sensoren, afhankelijk van de eisen van de bedrijfsomgeving. De connectiviteit tussen de pomp en de verwerkingseenheid kan bedraad of draadloos zijn, met specifieke communicatieprotocollen. De verwerkings- en analyse-eenheid kan pompdiagnose- en visualiseringshulpmiddelen bieden om de operator te helpen bij het proactief opsporen en aanpakken van problemen zoals onregelmatigheden aan de pomp die kunnen leiden tot bedrijfsstilstand en -onderbrekingen. Deze proactieve betrokkenheid kan de winst van een onderneming verhogen door de bedrijfs- en onderhoudskosten voor de fabriek te verlagen.

Conclusie

Er worden veel sensoren ingezet om een alomvattende oplossing voor voorspellend onderhoud te implementeren. De nieuwste op MEMS gebaseerde trillingssensoren hebben efficiënte en kosteneffectieve oplossingen voor trillingsbewaking mogelijk gemaakt in fabrieksautomatisering, elektriciteitsvoorzieningen, huishoudelijke apparaten, en bewaking en controle van de gezondheidstoestand van constructies. Trillingsbewaking kan worden toegepast als een op zichzelf staande oplossing of als onderdeel van conditiebewaking die is ontwikkeld als een geïntegreerd onderdeel van een alomvattende oplossing voor de bewaking van diverse machines door de gegevens in realtime te verzamelen en te analyseren. Deze oplossing heeft de fabrieken van de ^21e eeuw in staat gesteld proactief machines te bewaken en problemen aan te pakken die ontstaan als gevolg van machinestoringen en productiestilstand. Trillingsbewaking is een essentiële bouwsteen van een totaaloplossing in fabrieksautomatisering.

Referenties

1. Ruisarme, 3-assige digitale trillingssensor met ultragrote bandbreedte: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Analoge bottom-port microfoon met frequentierespons tot 80 kHz voor ultrasoonanalyse en toepassingen voor predictief onderhoud. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. I²C/SMBus 3.0-temperatuursensor voor lage spanning, ultralaag vermogen en 0,5 °C nauwkeurigheid. 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