【導(dǎo)讀】工廠自動(dòng)化和總體效率理所當(dāng)然地受到巨大的關(guān)注，原因不僅是生產(chǎn)率提高(哪怕一點(diǎn)點(diǎn))能帶來(lái)正面效益，而且同樣重要的是，它能降低或消除設(shè)備停工造成的嚴(yán)重?fù)p失?，F(xiàn)在，我們可以不用仰賴分析技術(shù)的進(jìn)步來(lái)洞察可用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)維護(hù)需求，或者簡(jiǎn)單地依靠加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的培訓(xùn)，而是可以通過(guò)檢測(cè)與無(wú)線傳輸技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)的分析和控制。
精密的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程(參見(jiàn)圖1)越來(lái)越依賴于電機(jī)和相關(guān)機(jī)械設(shè)備高效可靠、始終如一的運(yùn)作。機(jī)器設(shè)備的不平衡、缺陷、緊固件松動(dòng)和其它異?，F(xiàn)象往往會(huì)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，導(dǎo)致精度下降，并且引發(fā)安全問(wèn)題。如果置之不理，除了性能和安全問(wèn)題外，若導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)修理，也必然會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)率損失。即使設(shè)備性能發(fā)生微小的改變，這通常很難及時(shí)預(yù)測(cè)，也會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為重大的生產(chǎn)率損失。
圖1. 工廠環(huán)境下的過(guò)程控制與維護(hù)自動(dòng)化；無(wú)線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的高價(jià)值目標(biāo)
眾所周知，過(guò)程監(jiān)控和基于狀態(tài)的預(yù)見(jiàn)性維護(hù)是一種行之有效的避免生產(chǎn)率損失的方法，但這種方法的復(fù)雜性與其價(jià)值不相上下。現(xiàn)有方法存在局限性，特別是涉及到分析振動(dòng)數(shù)據(jù)(無(wú)論以何種方式獲得)和確定誤差源時(shí)。
典型數(shù)據(jù)采集方法包括安裝在機(jī)器上的簡(jiǎn)單壓電傳感器和手持式數(shù)據(jù)采集工具等。這些方法存在多種局限性，特別是與理想的全面檢測(cè)與分析系統(tǒng)解決方案相比較，后者可以嵌入機(jī)器上或機(jī)器中，并能自治工作。下面深入討論這些局限性及其與理想解決方案——自治無(wú)線嵌入式傳感器——的對(duì)比。對(duì)完全嵌入式自治檢測(cè)元件的復(fù)雜系統(tǒng)目標(biāo)的選項(xiàng)分析可以分為十個(gè)不同方面，包括實(shí)現(xiàn)高重復(fù)度的測(cè)量、精確評(píng)估采集到的數(shù)據(jù)、適當(dāng)?shù)奈臋n記錄和可追溯性等，下面將對(duì)各方面進(jìn)行說(shuō)明并探討可用方法與理想方法。
精確且可重復(fù)的測(cè)量
現(xiàn)有手持式振動(dòng)探頭(參見(jiàn)圖2)在實(shí)現(xiàn)方法上具備一些優(yōu)勢(shì)，包括不需要對(duì)終端設(shè)備做任何修改，而且其集成度相對(duì)較高，尺寸較大，可提供充足的處理能力和存儲(chǔ)空間。然而，它的一個(gè)主要局限是測(cè)量結(jié)果不可重復(fù)。探頭位置或角度稍有改變，就會(huì)產(chǎn)生不一致的振動(dòng)剖面，從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較。因此，維護(hù)技術(shù)人員首先需要弄清所觀察到的振動(dòng)偏移是由機(jī)器內(nèi)部的實(shí)際變化所致，還是僅僅因?yàn)闇y(cè)量技術(shù)的變化所致。理想情況下，傳感器應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)緊湊并且充分集成，能夠直接永久性地嵌入目標(biāo)設(shè)備內(nèi)部，從而消除測(cè)量位置偏移問(wèn)題，并且可以完全靈活地安排測(cè)量時(shí)間。
圖2. 現(xiàn)有的設(shè)備振動(dòng)偏移監(jiān)控手動(dòng)探頭方法缺乏可重復(fù)性和可靠性
測(cè)量的頻率和時(shí)間安排
在高價(jià)值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中，例如制造敏感電子器件時(shí)，過(guò)程監(jiān)控極為有益。這種情況下，裝配線的微小偏移不僅可能導(dǎo)致工廠生產(chǎn)率下降，而且可能使最終設(shè)備的關(guān)鍵規(guī)格發(fā)生偏移。手持式探頭方法的另一個(gè)明顯的局限是無(wú)法實(shí)時(shí)指出有問(wèn)題的振動(dòng)偏移。多數(shù)壓電傳感器同樣如此，其集成度一般非常低(某些情況下僅有一個(gè)傳感器)，需要將數(shù)據(jù)傳送到其它地方進(jìn)行分析。這些器件需要外部干預(yù)，因此可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些事件和振動(dòng)偏移。自治傳感器處理系統(tǒng)則不然，它內(nèi)置傳感器、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，同時(shí)仍然小到足以嵌入設(shè)備中，能夠在第一時(shí)間告知振動(dòng)偏移，并且最佳地顯示基于時(shí)間的狀態(tài)趨勢(shì)。
了解數(shù)據(jù)
上述嵌入式傳感器發(fā)出實(shí)時(shí)通知的構(gòu)想，只有采用頻域分析才能實(shí)現(xiàn)。通常，任何設(shè)備都有多種振動(dòng)源，如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合等，此外還有設(shè)計(jì)帶來(lái)的振動(dòng)源，例如鉆孔機(jī)或壓制機(jī)在正常工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)?；跁r(shí)間的分析會(huì)產(chǎn)生一個(gè)綜合所有這些振動(dòng)源的復(fù)雜波形，在進(jìn)行FFT分析之前，它提供的信息難以辨別。多數(shù)壓電傳感器解決方案依賴外部FFT計(jì)算和分析。這不僅使得實(shí)時(shí)通知毫無(wú)可能，而且將大部分額外設(shè)計(jì)工作推給了設(shè)備開(kāi)發(fā)商。但是，如果傳感器內(nèi)嵌FFT分析功能，就能即時(shí)確定振動(dòng)偏移的具體來(lái)源。這樣一種完全集成的傳感器元件還能縮短設(shè)備開(kāi)發(fā)商6到12個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間，因?yàn)樗δ芡陚?、?jiǎn)單有效、自治工作。
數(shù)據(jù)訪問(wèn)和傳輸
嵌入式檢測(cè)能夠完美地提供精確實(shí)時(shí)的趨勢(shì)數(shù)據(jù)，但這并不會(huì)提高向遠(yuǎn)程過(guò)程控制器或操作員傳輸數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。嵌入式FFT分析的前提顯然也是模擬傳感器數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)調(diào)理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳輸。事實(shí)上，目前使用的多數(shù)振動(dòng)傳感器解決方案僅提供模擬輸出，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量在傳輸過(guò)程中降低，更不用說(shuō)離線數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性(上文已討論)。考慮到要求振動(dòng)監(jiān)控的多數(shù)工業(yè)設(shè)備往往存在于高噪聲、運(yùn)動(dòng)、無(wú)法接近、甚至危險(xiǎn)的環(huán)境中，因此業(yè)界迫切希望降低接口線纜的復(fù)雜性，并且同樣在源端執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析工作，以便捕捉到盡可能準(zhǔn)確的設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)信息。具有無(wú)線傳輸能力的傳感器節(jié)點(diǎn)不僅有利于立即訪問(wèn)，而且可大大簡(jiǎn)化傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署并顯著降低成本。
數(shù)據(jù)方向性
現(xiàn)有的許多傳感器解決方案是單軸壓電傳感器。這些傳感器不提供方向信息，因而會(huì)限制我們對(duì)設(shè)備振動(dòng)剖面的了解。缺乏方向性導(dǎo)致需要噪聲非常低的傳感器以便提供所需的分辨能力，這又會(huì)影響成本。多軸MEMS傳感器則不同，如果各軸精密對(duì)準(zhǔn)，確定振動(dòng)源的能力將大幅提高，同時(shí)也有助于降低成本。
傳感器的位置和分布
設(shè)備的振動(dòng)剖面非常復(fù)雜，隨時(shí)間而變化，并且還會(huì)因設(shè)備材料和位置不同而有所差異。確定在哪里放置傳感器當(dāng)然非常重要，其主要決定因素是設(shè)備類型、環(huán)境和設(shè)備的壽命周期。采用現(xiàn)有的高成本傳感器元件時(shí)，探測(cè)點(diǎn)僅限于幾個(gè)或一個(gè)，這個(gè)問(wèn)題顯得更加重要。這會(huì)導(dǎo)致前期開(kāi)發(fā)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳位置。但在大多數(shù)情況下，其后果是采集的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)受到影響。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已有集成度更高而成本大幅降低的傳感器探頭可用，每個(gè)系統(tǒng)可以放置多個(gè)探頭，從而縮短前期開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，或者使用數(shù)量更少、成本更低的探頭就能滿足要求。
適應(yīng)壽命周期變化
手持式監(jiān)控系統(tǒng)方法可以根據(jù)時(shí)間變化(周期、數(shù)據(jù)量等)進(jìn)行調(diào)整，而要在嵌入式傳感器中提供同樣的基于壽命周期的調(diào)整，必須在前期設(shè)計(jì)和部署階段就給予關(guān)注，實(shí)現(xiàn)所需的可調(diào)整功能。無(wú)論采用何種技術(shù)，傳感器元件都是很重要的，但更重要的是傳感器周圍的信號(hào)調(diào)理和處理電路。信號(hào)/傳感器調(diào)理和處理不僅取決于具體的設(shè)備，而且取決于設(shè)備的壽命周期。這在傳感器設(shè)計(jì)中涉及到多種重要考慮因素。首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換處理最好盡早進(jìn)行(在傳感器頭部，而不是在設(shè)備之外)，以便支持系統(tǒng)內(nèi)配置和調(diào)整。理想的傳感器應(yīng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過(guò)快速基線數(shù)據(jù)采集來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)置、濾波操作、報(bào)警編程和不同傳感器位置的試驗(yàn)。對(duì)于現(xiàn)有的簡(jiǎn)單傳感器，即使它們可以在設(shè)備設(shè)置時(shí)進(jìn)行配置，但傳感器設(shè)置仍然必須做出一些犧牲，以便適應(yīng)設(shè)備在整個(gè)壽命期間的維護(hù)重點(diǎn)的變化。例如，傳感器應(yīng)針對(duì)設(shè)備故障可能性較小的早期階段進(jìn)行配置，還是針對(duì)故障可能性較大且更具危害性的晚期階段進(jìn)行配置最好使用可在系統(tǒng)內(nèi)編程的傳感器，以便隨著壽命周期的變化而調(diào)整配置。例如，早期的監(jiān)控相對(duì)比較稀疏，功耗最低；觀察到變化(警告閾值)后，重新配置為頻繁監(jiān)控模式(監(jiān)控周期由用戶設(shè)置)；除了連續(xù)監(jiān)控以外，還根據(jù)用戶設(shè)置的報(bào)警閾值提供中斷驅(qū)動(dòng)的通知。
性能變化/趨勢(shì)的識(shí)別
傳感器適應(yīng)設(shè)備壽命周期中的變化，在一定程度上取決于對(duì)基線設(shè)備響應(yīng)的了解。利用簡(jiǎn)單的模擬傳感器就能獲得基線設(shè)備響應(yīng)，即讓操作人員進(jìn)行測(cè)量，執(zhí)行離線分析，并將此數(shù)據(jù)與適當(dāng)?shù)臉?biāo)志一起離線存儲(chǔ)在特定設(shè)備和探頭位置上。更好且更不易出錯(cuò)的方法是將基線FFT存儲(chǔ)在傳感器頭部，這樣數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不會(huì)誤放?；€數(shù)據(jù)還有助于確定報(bào)警電平，該值最好也是直接在傳感器上編程設(shè)置，以便在隨后的數(shù)據(jù)分析和采集中，如果檢測(cè)到警告或故障條件，可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。
數(shù)據(jù)可追溯性和文檔記錄
在工廠環(huán)境中，一個(gè)適用的振動(dòng)分析程序可能要監(jiān)控?cái)?shù)十甚至數(shù)百個(gè)位置，無(wú)論是通過(guò)手持式探頭還是通過(guò)嵌入式傳感器。在一臺(tái)設(shè)備的整個(gè)壽命周期中，可能需要獲得成千上萬(wàn)條記錄。預(yù)見(jiàn)性維護(hù)程序的完整性取決于傳感器采集點(diǎn)的位置和時(shí)間的適當(dāng)映射。為將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，以及獲得最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，傳感器應(yīng)具有唯一的序列號(hào)和嵌入式存儲(chǔ)器，并且能夠給數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳。
可靠性
上文重點(diǎn)討論了現(xiàn)有針對(duì)過(guò)程控制和預(yù)見(jiàn)性維護(hù)相關(guān)的傳感器振動(dòng)監(jiān)控方法的改善之道。就容錯(cuò)和監(jiān)控而言，還應(yīng)當(dāng)細(xì)致審查傳感器本身。如果傳感器發(fā)生故障(性能變化)，而不是設(shè)備發(fā)生故障，該怎么辦呢？或者，如果采用完全自治工作的傳感器(即上文所述的理想方法)，我們對(duì)傳感器持續(xù)正常工作能有多大信心呢？對(duì)于許多現(xiàn)有傳感器，如壓電傳感器等，這種情況確實(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的限制，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法提供任何系統(tǒng)內(nèi)自測(cè)功能。隨著時(shí)間的推移，必然會(huì)對(duì)所記錄數(shù)據(jù)的一致性缺乏信心。在設(shè)備壽命晚期的關(guān)鍵監(jiān)控階段，實(shí)時(shí)故障通知在時(shí)間、成本和安全上都具有十分重要的意義，傳感器是否仍然正常工作必然是關(guān)注的重點(diǎn)。高可信度過(guò)程控制程序的基本要求是能夠?qū)鞲衅鬟M(jìn)行遠(yuǎn)程自測(cè)。幸運(yùn)的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點(diǎn)。嵌入式數(shù)字自測(cè)能力就此填補(bǔ)了可靠振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的最后空白。
ADI公司的ADIS16229就是一款完全自治的無(wú)線頻域振動(dòng)監(jiān)控器，具有上述十個(gè)關(guān)鍵方面所列的所有優(yōu)勢(shì)。ADIS16229提供嵌入式頻域處理和512點(diǎn)實(shí)值FFT，片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各種振動(dòng)源并進(jìn)行歸類，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。該器件提供可配置的報(bào)警頻段和窗口選項(xiàng)，支持對(duì)全頻譜進(jìn)行分析，并配置6個(gè)頻段、報(bào)警1(警告閾值)和報(bào)警2(故障閾值)，從而更早、更精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。其核心是一個(gè)多軸寬帶寬MEMS傳感器，可配置的采樣速率(最高20 kSPS)和均值/抽取選項(xiàng)支持更精確地評(píng)估細(xì)微的振動(dòng)剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測(cè)模式，讓我們對(duì)其功能和數(shù)據(jù)完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程，可以放在振動(dòng)源附近，并且能以可重復(fù)的方式及早檢測(cè)小信號(hào)，避免了使用手持式設(shè)備時(shí)各次測(cè)量之間由于位置/耦合差異而存在數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。
和均值/抽取選項(xiàng)支持更精確地評(píng)估細(xì)微的振動(dòng)剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測(cè)模式，讓我們對(duì)其功能和數(shù)據(jù)完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程，可以放在振動(dòng)源附近，并且能以可重復(fù)的方式及早檢測(cè)小信號(hào)，避免了使用手持式設(shè)備時(shí)各次測(cè)量之間由于位置/耦合差異而存在數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。
862 MHz/928 MHz專有無(wú)線協(xié)議接口允許將ADIS16229傳感器節(jié)點(diǎn)放在遠(yuǎn)端位置，獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)ADIS16000(參見(jiàn)圖3)則為系統(tǒng)控制設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)SPI接口。如圖4所示，通過(guò)該網(wǎng)關(guān)最多可控制6個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。
圖3. MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)(ADIS16229)，通過(guò)928 MHz RF鏈路連接到網(wǎng)關(guān)控制器(ADIS16000)
圖4. 6個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)自治檢測(cè)/收集/處理數(shù)據(jù)并無(wú)線傳輸?shù)街醒肟刂破鞴?jié)點(diǎn)
隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動(dòng)傳感器的出現(xiàn)，預(yù)見(jiàn)性維護(hù)程序開(kāi)發(fā)人員終于能夠擺脫以往振動(dòng)分析方法的限制和不足，大幅提高數(shù)據(jù)采集過(guò)程的質(zhì)量和完整性。利用這些提供高集成度和簡(jiǎn)化可編程無(wú)線接口的傳感器，以前只有少數(shù)具備數(shù)十年機(jī)器振動(dòng)分析經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家才能駕馭的振動(dòng)檢測(cè)工作，現(xiàn)在一般技術(shù)人員就能輕松勝任，有助于振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的推廣。這種完全集成的傳感器不需要改造線路和基礎(chǔ)設(shè)施，能夠更精確可靠地檢測(cè)性能變化，為大幅降低前期開(kāi)發(fā)和循環(huán)維護(hù)成本提供了機(jī)會(huì)。
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
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