Používání senzorů MEMS k monitorování vibrací

Monitorování vibrací (VM) existuje již dlouhou dobu a používá se k monitorování stavu strojů, zařízení nebo konstrukcí. Údaje o vibracích shromážděné prostřednictvím vyhrazených senzorů během provozu stroje jsou monitorovány a analyzovány v reálném čase.

Hlavním cílem monitorování vibrací je snížit riziko fatálních škod a potenciálních odstavení, což v konečném důsledku vede ke kontrole a snížení provozních nákladů.

Údaje o vibracích ze senzoru vibrací mohou být použity jako samostatný vstup nebo je lze v závislosti na provozních požadavcích zkombinovat s dalšími daty senzorů. Například v aplikaci automatizace továrny lze údaje o vibracích kombinovat s následujícími faktory:

1. Teplota
2. Kouř
3. Vlhkost
4. Tlak
5. Zvuk

Tato kombinace vytváří kompletní systém, který poskytne robustnější a spolehlivější řešení.

V některých jiných případech použití, jako je monitorování konstrukcí, lze údaje o vibracích kombinovat s údaji o poloze náklonu, které se shromažďují pomocí inklinometru, aby se určil stav konstrukce.

Shromážděná data jsou vkládána do vyhrazených algoritmů, včetně nově vznikajících algoritmů umělé inteligence (AI), s cílem vytvořit model, který dokáže předvídat potenciální budoucí selhání. Informace o predikci modelu lze poté použít k sestavení znalostí pro rozhodování o tom, zda je třeba podniknout nějaké okamžité kroky, aby se zabránilo ztrátě produktivity.

Novým trendem v automatizaci továren je vznik algoritmů umělé inteligence, které lze trénovat na základě dat ze senzorů, aby bylo možné předvídat, jaké úkoly by měly být provedeny. To snižuje zátěž jednotlivých operátorů, kteří dříve museli činit kriticky obtížná a časově náročná rozhodnutí. Autonomně automatizovaná továrna přebírá odpovědnost jednotlivých operátorů a automaticky reaguje na jakékoli měnící se provozní podmínky.

Senzor vibrací

Klíčovou součástí aplikace monitorování vibrací je senzor vibrací. Nejnovější senzory vibrací jsou založeny na technologii MEMS využívající stejný koncept detekce zrychlení jako v akcelerometru. Hlavní rozdíl je v šířce pásma senzoru. Akcelerometr MEMS má typickou šířku pásma 3 kHz, avšak senzor vibrací je schopen detekovat vibrace při výrazně větší šířce pásma. Schopnost senzoru vibrací zachytit vysokofrekvenční signály umožňuje přesnější frekvenční analýzu vibrací. Nejnovější senzor vibrací MEMS nabízí šířku pásma více než 6 kHz, což bude rozvedeno níže.

Senzor vibrací založený na technologii MEMS má mnoho případů použití a na obrázku 1 je uveden seznam některých hlavních aplikací. Monitorování vibrací motorů je základním stavebním kamenem úspěšné automatizace továrny. Monitorování vibrací na železnici může pomoci vyhnout se katastrofickým vlakovým nehodám. Domácí spotřebiče, jako jsou pračky, jsou vybaveny monitorováním vibrací již od počátku senzorů MEMS v průmyslových aplikacích. Aplikace monitorování konstrukcí se rozšířily od doby, kdy se objevily senzory MEMS za dostupnou cenu. Například obce nesou odpovědnost za sledování vibrací mostů, aby bylo zajištěno, že konstrukce jsou v dobrém technickém stavu a hluk z nich je přijatelný. Údaje o vibracích mostů, zejména během dopravních špiček, mohou poskytnout cenné informace o jakékoli abnormalitě, která může způsobit zřícení konstrukce.

Obrázek 1: Některé aplikace senzoru vibrací MEMS. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Technické údaje senzoru vibrací je třeba pečlivě analyzovat, aby bylo zajištěno, že senzor může splňovat požadavky cílové aplikace. V tabulce 1 jsou uvedeny hlavní parametry jednoho z nejnovějších senzorů vibrací nabízených společností STMicroelectronics. Toto zařízení dokáže zachytit vibrace v 3rozměrném prostoru (x, y, z). Tři stupně volnosti, které toto zařízení nabízí, poskytují flexibilitu umístění zařízení v montážní orientaci.

Plný rozsah zrychlení až 16 g na osu je dostatečný k pokrytí rozsahu amplitudy vibrací, který je k monitorování stavu stroje obvykle vyžadován.

Toto zařízení nabízí ultraširokou šířku pásma, plochou frekvenční odezvu až 6,3 kHz a vestavěné filtrování, které eliminuje frekvenční aliasing.

Další hlavní charakteristikou tohoto zařízení je velmi nízká spektrální hustota šumu. To je velmi důležitá výhoda, když je potřeba zachytit nízkofrekvenční vibrace.

Oproti stávajícímu senzoru vibrací je rozsah provozních teplot rozšířen až do +105 °C, aby byl splněn požadavek náročného provozního prostředí.

Zařízení lze provozovat buď v 3osém, nebo v jednoosém režimu, který lze zvolit pomocí vyhrazených registrů. V režimu 3 os jsou všechny tři osy (x, y, z) aktivní současně. V režimu jedné osy je aktivní pouze jedna osa. V režimu jedné osy se výrazně zlepšuje rozlišení (hustota šumu) aktivní osy.

Tabulka 1: Hlavní parametry nejnovějších senzorů vibrací nabízených společností STMicroelectronics

Aplikace monitorování vibrací

Monitorování vibrací obvykle představuje analýzu vibrací stroje, zařízení nebo spotřebiče jako součást komplexní aplikace, která je známá jako monitorování stavu („Condition Monitoring“, CM) nebo monitorování podle stavu („Condition-based Monitoring“, CbM). Analýza vibrací hraje významnou roli při monitorování stavu stroje v průběhu času. Kromě shromažďování údajů o vibracích však kompletní řešení monitorování stavu zahrnuje několik senzorů pro shromažďování důležitých parametrů zařízení, včetně teploty, hluku, tlaku, kouře a vlhkosti. Každý z těchto senzorů poskytuje cenné informace o konkrétním stavu stroje. Tato data ze senzorů se slučují, zpracovávají a analyzují za účelem získání přehledu o celkovém stavu stroje, aby bylo možné učinit zásadní rozhodnutí o jeho údržbě.

Na obrázku 2 jsou uvedeny některé z hlavních aplikací monitorování vibrací na různých trzích. Rozdělení na tomto obrázku zdůrazňuje důležitost shromažďování a analýzy údajů o vibracích jako součásti komplexního řešení pro CM. Další senzory lze použít ke shromažďování údajů, které budou sloučeny dohromady pro získání spolehlivého a efektivního výsledku. V nejnovějších řešeních nabízených v oboru posouvají inteligentní algoritmy využívající data ze senzorů možnosti a efektivitu takových řešení na novou úroveň. Tato inovativní a výkonná řešení mohou výrazně pomoci snížit náklady a neefektivitu související s odstaveními zařízení, která by jinak byla nevyhnutelná.

Obrázek 2: Různé aplikace monitorování vibrací. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Jednou z kritických částí rozsáhlého řešení zahrnujícího údaje ze senzorů shromážděné z různých míst podniku se stal cloud computing, aby bylo zajištěno, že na žádné úrovni a na žádném místě nedojde k přerušení. Ke kombinaci a analýze všech dat a monitorování příslušných strojů a zařízení v reálném čase se používá centrální procesorová jednotka v cloudu, aby byl zajištěn hladký a nepřerušovaný provoz.

Na obrázku 3 je uveden seznam základních stavebních bloků systému monitorování vibrací. V závislosti na potřebách a požadavcích systému lze na zařízení, které má být monitorováno, namontovat různé senzory. Seznam senzorů pokrývá následující:

• Vibrace
• Modul inerciálního snímače
• Teplota
• Vlhkost vzduchu
• Tlak
• Senzor okolního osvětlení
• Inklinometr

K analýze shromážděných dat je zapotřebí procesorová jednotka. V závislosti na množství dat, soukromí, jejich zabezpečení, latenci a požadavcích na napájení mohou být analýzy prováděny v místní procesorové jednotce nebo přenášeny do cloudového centra zpracování, kde jsou shromažďována a analyzována všechna data z více zařízení.

Obrázek 3: Stavební bloky systému monitorování vibrací. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

V určitém okamžiku po instalaci a během provozu stroje se jeho stav začne měnit. Je důležité mít nainstalované všechny požadované senzory pro shromažďování údajů o ultrazvuku a slyšitelném hluku, vibracích, spotřebě energie, teplotě a případném kouři. Postupem času se nutnost shromažďování parametrů stroje a dat ze senzorů stává pro sledování stavu stroje kritickou.

Na obrázku 4 je znázorněna typická křivka instalace a bodu poruchy („Installation and Point of Failure“, IPF) monitorovaného stroje. Doba od změny stavu stroje po konečnou poruchu může trvat měsíce nebo dokonce roky, než se začnou příznaky poruchy projevovat. Včasná analýza dat senzoru může poskytnout indikaci stavu stroje a trénované algoritmy AI využívající data senzoru jako vstup mohou předvídat selhání a zahájit proces provádění nezbytných akcí.

Obrázek 4: Křivka IPF. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Na obrázku 5 je uveden příklad monitorování vibrací elektrického čerpadla. Různé stavy, jako je nevyváženost, vůle, výstupní hřídel a převodovka čerpadla, lze monitorovat pomocí senzoru vibrací. Data ze senzoru vibrací jsou poté přenášena k další rozsáhlé analýze včetně rychlé Fourierovy transformace (FFT) údajů o vibracích, která může určit individuální frekvenční podpis těchto podmínek.

Obrázek 5: Monitorování vibrací elektrického čerpadla v různých podmínkách. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Systém monitorování stavu elektromotoru může mít kromě elektromotoru několik dalších součástí. Řešení může mít více senzorů včetně senzorů vibrací, teploty, tlaku a dalších senzorů v závislosti na požadavcích provozního prostředí. Mezi čerpadlem a procesorovou jednotkou může být připojení kabelové nebo bezdrátové s vyhrazenými komunikačními protokoly. Procesorová jednotka a jednotka analýzy mohou poskytovat nástroje pro diagnostiku a vizualizaci čerpadla, které obsluze pomohou proaktivně identifikovat a řešit problémy, jako jsou nepravidelnosti čerpadla, které by mohly vést k provozním prostojům a poruchám. Toto proaktivní zapojení může zvýšit zisk společnosti snížením nákladů na provoz a údržbu továrny.

Závěr

K implementaci komplexního řešení pro prediktivní údržbu se nasazuje mnoho senzorů. Nejnovější senzory vibrací založené na technologii MEMS umožnily efektivní a nákladově efektivní řešení monitorování vibrací v automatizaci továren, v energetických sítích, domácích spotřebičích a monitorování stavu konstrukcí a dohledu nad nimi. Monitorování vibrací lze nasadit jako samostatné řešení nebo jako součást monitorování podle stavu, které se objevilo jako integrovaná součást komplexního řešení pro monitorování různých strojů prostřednictvím shromažďování a analýzy dat v reálném čase. Toto řešení zmocnilo továrny 21^Svatý století proaktivně monitorovat a řešit problémy vyplývající z narušení produktivity strojů a výpadků. Monitorování vibrací je kritickým stavebním kamenem komplexního řešení v jakékoli automatizaci továrny.

Odkazy

1. 3osý digitální senzor vibrací s ultraširokou šířkou pásma a nízkým šumem: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Analogový mikrofon se spodním portem s frekvenční odezvou až 80 kHz pro aplikace ultrazvukové analýzy a prediktivní údržby. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. Nízkonapěťový snímač teploty s ultranízkou spotřebou, přesností 0,5 °C, I²C/SMBus 3.0. 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