Monitorowanie oparte na warunkach (CbM) w przypadku Przemysłu 4.0 jest odpowiednikiem, np. noszenia opaski fitness na ręce. Wraz z eksplozywnym rozwojem łączności w systemach przemysłowych, pojawia się możliwość obserwowania świata fizycznego w sposób, jaki nigdy dotąd nie był możliwy i zobaczenia procesów fizycznych w akcji, w czasie rzeczywistym, z najdrobniejszymi szczegółami. W systemach przemysłowych jednym z ważnych procesów, które trzeba zrozumieć, jest proces starzenia się urządzeń i maszyn. Jest to ważne w różnych systemach i instalacjach - od przetwórstwa ropy i gazu, poprzez energetykę wiatrową, do innych procesów przemysłowych, w których koszty sprzętu są wysokie, a przestoje są kosztowne.
Nieplanowane przestoje mogą kosztować tysiące dolarów za godzinę. W jednym badaniu z 2017 roku stwierdzono, że firmy zgłosiły średnie straty na poziomie 2 milionów dolarów z powodu samych tylko przestojów, a nieplanowane przestoje są znacznie bardziej kosztowne niż planowana konserwacja, ponieważ maszyna musi być w wyłączona na czas diagnozowania, zamawiania części i naprawy.
Na działanie maszyn w ramach specyfikacji oraz oczekiwany pozostały im czas sprawnego działania wpływ mają różne zmienne, takie jak czas pracy, obciążenia i środowiska operacyjne, a także zdarzenia losowe powodujące uszkodzenia. Monitorowanie oparte na warunkach (CbM) ma na celu oszacowanie tych wpływów, alarmowanie, gdy wymagana jest natychmiastowa uwaga i dokładne przewidywanie, kiedy konieczna będzie interwencja.
Każda maszyna jest inna i każda maszyna starzeje się w inny sposób, chociaż proces starzenia jest zwykle powolny i niezauważalny. O ile nie będziemy aktywnie szukać oznak subtelnych zmian w czasie, starzenie się może pozostać niezauważone przez długi czas. Nagle jednak dochodzi do awarii, być może katastrofalnej, co oznacza, że maszyna jest niesprawna i wymaga naprawy. Użytkownicy końcowi domagają się wcześniejszego powiadomienia o zbliżającej się awarii, celem planowania przestojów z dużym wyprzedzeniem. Szukają również wskaźników bardziej subtelnych zmian w maszynach, które mogą wpłynąć na jakość ich produktów końcowych, na przykład takich jak papier czy blacha, które wymagają bardzo precyzyjnej obróbki.
Rys.1. Manualna inspekcja maszyny z wykorzystaniem
ręcznego logera i sensora piezoelektrycznego.Zapotrzebowanie na wcześniejsze informacje i wskazania odnośnie zużycia maszyny oraz chęć uzyskiwania informacji o jakości maszyny powoduje, że występuje konieczność stworzenia bardziej czułego i wszechobecnego systemu wykrywania uszkodzeń. Rozszerzają się również typy pomiarów, a typowe pomiary używane do wykrywania zużycia urządzeń, takie jak temperatura i wibracje, uzupełniane są pomiarami akustycznymi, prądowymi i napięciowymi. Systemy pomiarowe są ze sobą łączone, aby uzyskać bardziej całościowy obraz stanu sprzętu. Prowadzi to do zwiększenia liczby kanałów pomiarowych w maszynie. Poszczególne pomiary często muszą być dobrze ze sobą zsynchronizowane, aby pokazać zależności pomiędzy nimi, na przykład pomiary drgań muszą być próbkowane synchronicznie w osi X, Y i Z. Ta potrzeba synchronizacji dodatkowo zwiększa złożoność systemów.
Rosnące rozpowszechnienie węzłów pomiarowych i zwiększenie modalności oznacza, że ręczne procedury kontrolne i pomiarowe oparte na manualnym okresowym pomiarze parametrów pracy maszyny nie są już w stanie nadążyć za potrzebami sektora. Systemy muszą być wdrażane w hali produkcyjnej lub w odległej lokalizacji, z łącznością przy użyciu istniejącej infrastruktury przewodowej lub bezprzewodowo przy użyciu solidnych i bezpiecznych systemów komunikacji bezprzewodowej. Duże i kosztowne czujniki i agregatory danych muszą być mniejsze, tańsze i bardziej energooszczędne, aby pasowały do tych nowoczesnych środowisk.
Istnieją nowe precyzyjne rozwiązania na poziomie komponentów i podsystemów z wyższymi poziomami integracji, aby umożliwić konstruktorom systemów urzeczywistnienie zwiększonej czułości systemów i wprowadzenie w życie przyszłości wykrywania usterek już teraz.
Pozyskiwanie danych
Aby uzyskać jak najwcześniejsze wskazanie dotyczące zużycia maszyny, trzeba spojrzeć w przyszłość. W dziedzinie analizy monitorowania stanu osiąga się to, szukając najdrobniejszych zmian w systemie, czy to temperatury, poziomu wibracji, czy sygnatury akustycznej. Aby wykryć te małe zmiany, potrzebne są czujniki i systemy akwizycji danych, które potrafią wyraźnie dostrzec małe zmiany przy najniższych poziomach wykrywalności, nawet przy wysokich poziomach wibracji lub temperatury. Wymaga to łańcuchów sygnałowych o wyjątkowo wysokim zakresie dynamicznym, co oznacza, że systemy te muszą się charakteryzować wyjątkowo niskim poziomem szumów, a jednocześnie muszą być w stanie poradzić sobie z dużymi zmianami poziomu sygnału. Na przykład wykrycie początku zużycia w pompie tłokowej może wymagać wykrycia zmiany mniejszej niż 1/10 mm położenia krańcowego suwu tłoka, którym porusza się ogólnie do 300 mm. Aby upewnić się, że możemy zobaczyć tę zmianę, szum systemu musi być niższy, co najmniej 10-krotnie niż próg wykrycia. To podnosi poziom wymagań, co do detekcji do 1:300 000 lub 109 dB i wymaga wykorzystania 18-bitowych lub dokładniejszych systemów analogowo-cyfrowych do akwizycji danych.
Inną kwestią jest potrzeba uzyskania szerokiego pasma pomiaru. Osie silnika i wiele innych układów, np. przekładnie mają charakterystyczne wibracje przy stosunkowo niskich częstotliwościach, przy częstotliwościach zbliżonych do prędkości obrotowej osi lub jej niskich wielokrotności. Istnieją jednak inne elementy w tych systemach, które oscylują przy wyższej częstotliwości. Aby wykryć zmiany zużycia elementów o wyższej charakterystyce częstotliwości, takich jak łożyska kulowe czy olejowe, czujnik musi być w stanie osiągnąć wysoką rozdzielczość i duży zakres dynamiki przy częstotliwościach powyżej 10 kHz, aż do 80 kHz.
Rys.2.Typowe widmo wibracyjne z oznaczonymi
podstawowymi zjawiskamiSpecyfikacje systemu wykrywania muszą obejmować wysoki zakres dynamiki (DR), a także wyjątkowo niskie całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD), aby uzyskać dokładność wymaganą do wykrywania niewielkich zmian w dziedzinie częstotliwości w profilu wibracji systemu. W systemach tych stosuje się najnowsze precyzyjne, szerokopasmowe przetworniki sigma-delta (Σ-Δ). Są one wykorzystywane do konwersji analogowo-cyfrowej. Istnieją niezwykle dokładne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), które spełniają kluczowe wymagania tych systemów. Przetworniki wykorzystywane w tej klasie mają najwyższy zakres dynamiki i niskie THD (zazwyczaj DR na poziomie 108 dB i THD poniżej −120 dB), co osiąga się w paśmie od prądu stałego do co najmniej 80 kHz, w połączeniu z łatwymi w użyciu funkcjami, takimi jak analogowe bufory wejściowa dla ładowania wstępnego wejścia ADC, zintegrowane filtry cyfrowe i synchronizacja na różnych urządzeniach do wielokanałowego pomiaru z synchronizacją fazy. Dodatki te czynią te kluczowe elementy niezastąpionymi w budowaniu systemów akwizycji danych CbM o najwyższej sprawności. Funkcje skalowania mocy pozwalają na dostrojenie tego samego fizycznego układu do różnych poziomów wymagań dotyczących poboru prądu, gdzie zakres dynamiki lub przepustowość mogą być mniejsze, oferując redukcję poboru mocy. Zapewnienie dokładności dla prądu stałego i szerszej przepustowości pozwala kanałom wejściowym na zaspokojenie potrzeb związanych z pomiarem temperatury, odkształcenia czy przepływu prądu stałego na tej samej platformie. Upraszcza to ogólną architekturę i złożoność systemu monitorowania stanu - pojedyncza platforma dobra jest dla wszystkich typów czujników CbM.
Próbkowanie symultaniczne
W systemach CbM stosuje się jednoczesne próbkowanie, aby zachować relacje fazowe między zestawami danych w dziedzinie czasu. Na przykład, gdy stosowane są dwa prostopadle rozmieszczone czujniki drgań, umożliwia to wykrycie kierunku i amplitudy fazorów drgań. Idealnie, opóźnienia fazowe na każdej ścieżce wejściowej czujnika powinno być tak dobrane, by wszystkie tory pomiarowe były do siebie dopasowane i by zapewniały równą fazę wszystkich pomiarów.
W przypadku systemów CbM, które wymagają jeszcze większej elastyczności w projektowaniu w celu uzyskania szerszego zakresu częstotliwości próbkowania, przepustowości lub skalowania mocy, odpowiednie są również układy ADC o sukcesywnej aproksymacji (SAR). Urządzenia te oferują również wysoki zakres dynamiki i THD, przy typowej przepustowości do 2 MSPS. Układy te zawierają także dodatkowe funkcje, ułatwiające ich używanie, czy zmniejszające zużycie energii w torze sygnałowym, czy jego poziom złożoności. Przekłada się to na mniejszy rozmiar kanału pomiarowego, a co za tym idzie - możliwość stworzenia gęściej upakowanych systemów. Przetworniki z podwyższoną impedancją wejściową poszerzają możliwości i zakres pracy precyzyjnych wzmacniaczy małej mocy, które mogą bezpośrednio sterować wejściami przetworników ADC, bez konieczności stosowania dodatkowych buforów, osiągając optymalne parametry pracy.
Rys.3. Render 3D wnętrza układu typu μModuleAby umożliwić konstruktorom systemów osiągnięcie możliwie najwyższej gęstości kanałów w bardziej zwartych lub rozproszonych systemach akwizycji oraz w celu redukcji czasu wprowadzania nowych rozwiązań na rynek, powstały systemy typu μModule® - układy z całym łańcuchem sygnałowym o wyższym niż kiedykolwiek wcześniej poziomie integracji. Urządzenia μModule łączą w sobie kluczowe elementy powszechnie stosowane w projektach torów sygnałowych systemów akwizycji danych w bardzo kompaktowej formie, podobnej do układu scalonego.
Wykorzystanie μModule przenosi obciążenie projektowe związane z wyborem, optymalizacją i projektem układu komponentów analogowych i cyfrowych z projektanta na samo urządzenie, co skraca całkowity czas projektowania i rozwiązywania problemów z systemem, a ostatecznie skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Umieszczone w małych pakietach układy μModule dobrze nadają się do systemów rozproszonych o małej liczbie kanałów, kompaktowych systemów CbM, a także do dużych systemów o większej liczbie kanałów, dedykowanych do instalacji w szafach rack.
Czujniki
Zapewnienie wysokiego zakresu dynamicznego, szerszych pasm, większej sprawności energetycznej i wyższych gęstości kanałów w części akwizycji danych w torze pomiarowym rozwiązuje tylko część problemów związanych z projektowaniem układu dla systemów CbM. Tradycyjne, zintegrowane piezoelektryczne czujniki wibracji (IEPE) są duże, nieporęczne i drogie. Zazwyczaj wymagają one stosunkowo wysokiego napięcia zasilania, w porównaniu do pozostałej części systemu akwizycji danych. Typowe czujniki piezoelektryczne wykorzystują pojedyncze zasilanie -24 V, zużywające 2 mA lub więcej i są umieszczone w metalowych obudowach. Ponieważ zasilanie czujników jest zwykle dostarczane przez moduł akwizycji danych, zwiększenie gęstości kanałów w danej przestrzeni systemu staje się problemem z uwagi na konieczność zwiększenia gęstości mocy i ilości komponentów na PCB. Dodając do tego potrzebę bateryjnego zasilania bezprzewodowych punktów akwizycyjnych, tradycyjny piezoelektryczny czujnik drgań nie spełnia wymagań nowoczesnych systemów.
Czujniki wibracji i sensory inercyjne MEMS spełniają wymagania tych systemów. Najnowsze szerokopasmowe urządzenia MEMS charakteryzują się parametrami szumu i przepustowości, która są idealne do zastosowań w układach CbM. Elementy te osiągają te parametry w małych, standardowych obudowach do montażu powierzchniowego (SMD) z poborem mocy na poziomie 20 razy niższym niż porównywalne czujniki IEPE. Mały rozmiar i niski pobór mocy czujników MEMS pozwala na opracowanie bardzo małych, wieloosiowych systemów pomiarowych, które mogą być zasilane z baterii i zapewniać stałe monitorowanie stanu urządzenia.
Zasilanie i łączność
Pomiar temperatury, wibracji czy szumu urządzenia i przekształcanie tych danych w informacje cyfrowe jest kluczową częścią zadania monitorowania, ale czynności te nie zapewniają pełnego obrazu. Aby zbudować systemy monitorowania stanu maszyny, należy zwrócić uwagę na wszystkie komponenty analogowe, cyfrowe i mieszane w projekcie. Osiągnięcie niskiego poziomu szumu w łańcuchu akwizycji danych wymaga nie tylko czujników o niskim poziomie szumu i precyzyjnych komponentów w torze przetwarzania analogowo-cyfrowego, ale także konstrukcji o niskim ogólnym poziomie szumu. Osiągnięcie niskiego poboru mocy w systemie wymaga również odpowiednich komponentów mocy, które w wydajny sposób pobierają energię z akumulatora lub innego źródła energii, bez zwiększania poziomu skomplikowania projektu.
Potrzeby systemu łączności będą zależeć od konkretnego środowiska działania danej aplikacji. Wiele obiektów przemysłowych ma już rozbudowane okablowanie, wykorzystywane do kontroli procesów lub istniejących czujników środowiskowych, takich jak temperatura. Jednakże duża część istniejącej infrastruktury może nie być w stanie poradzić sobie z dużą ilością surowych danych lub szybkościami transmisji danych, wymaganymi do szczegółowego monitorowania urządzeń, opartego na ich stanie.
Jednym z podejść jest zwiększenie możliwości istniejącego okablowania poprzez dodanie możliwości przesyłu większej ilości danych w sposób, który nie wpływa na istniejące funkcje. Na przykład technologia HART®, która jest używana do dodawania informacji diagnostycznych w formie cyfrowej do wszechobecnego interfejsu analogowego 4 - 20 mA. Podobnie, przemysłowy Ethernet – dodaje on determinizm i możliwość komunikacji w czasie rzeczywistym wszędzie tam, gdzie istnieje już okablowanie sieci Ethernet. Wykorzystanie tego interfejsu pozwala na uzyskiwanie deterministycznego opóźnienia w aplikacjach sterujących, ale także na zwiększenie szerokości pasma transmisji tam, gdzie wymagane są dokładniejsze dane – np. dla wibracji czy FFT. Rozwiązanie to pozwala także na zwiększenie ilości węzłów pomiarowych na pojedynczym łączu.
Innym podejściem jest bezprzewodowe przesyłanie informacji. W środowiskach przemysłowych wymagana jest niezawodna i bezpieczna sieć bezprzewodowa. Najnowsze inteligentne produkty radiowe z systemami typu mesh to bezprzewodowe układy scalone i wstępnie certyfikowane moduły, które umożliwiają komunikację przy niskim poborze mocy niezawodność przesyłu danych na poziomie powyżej 99,999%, nawet w trudnych, dynamicznie zmieniających się środowiskach. W przypadku monitorowania opartego na warunkach oznacza to, że informacje o wystąpieniu błędu czy inne dane na pewno dotrą do odbiornika, dzięki czemu może on zareagować na zmieniającą się sytuację w możliwie najkrótszym czasie.
Rys.4. Schemat blokowy pokazujący poszczególne
elementy typowego systemu akwizycji danych.Przyszłość CbMMonitorowanie warunkowe jest absolutną potrzebą dla sprzętu o dużych kosztach kapitałowych, takiego jak systemy generacji energii elektrycznej czy przetwórnie petrochemiczne. W ich przypadku nieplanowane przestoje mają bezpośredni wpływ na koszty produkcji. Coraz ważniejsze staje się to także na ‘klasycznej’ hali produkcyjnej, gdzie mogą być stosowane zarówno jako proaktywne podejście do konserwacji maszyny, ale także jako sposób na zapewnienie, że systemy wytwarzają produkt w sposób spójny podczas całej swojej normalnej pracy. Gdy wartość biznesowa tych możliwości monitorowania stanie się bardziej widoczna, technologia ta zacznie być stosowana na coraz większą skalę i w szerszym gronie systemów, z których korzystamy na co dzień - nie zachowując tego rozwiązania tylko do turbin wiatrowych czy dużych zakładów przetwórczości. Niebawem zobaczymy systemy CbM w pociągach, samolotach, a także w samochodach oraz ostatecznie w pralkach i jeszcze mniejszych urządzeniach.
Producenci elementów systemów zintegrują czujnik, a nawet cały kanał, z monitorowanym elementem. Silniki będą dostarczane już z czujnikami wibracji i poboru prądu, podobnie może się stać w przypadku łożysk i skrzyń biegów. Będą również dostępne niezależne węzły czujnikowe, które będą zgłaszać się na urządzeniach mobilnych - umieść jeden w swojej bramie garażowej, aby ostrzegał Cię, zanim samochód utknie w środku z powodu awarii silnika drzwi!
Aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na pomiary w tych wielu różnych scenariuszach, producenci sprzętu będą musieli zastosować podejście oparte na gotowej platformie, gdzie mniejszy zestaw dodatkowych platform może służyć większemu zróżnicowaniu dostępnych funkcji. Kanały pomiarowe takiego systemu będą musiały obsługiwać różne typy czujników, aby można było ponownie przypisać poszczególne kanały pomiarowe w szafie sterowniczej do różnych kombinacji czujników. W mniejszym sprzęcie systemy te będą musiały być przystosowane do różnych profili poboru mocy, aby ten sam węzeł monitorujący mógł być używany tak w pralce, jak i w narzędziach zasilanych bateryjnie.
Podsumowanie
Monitorowanie warunkowe ma na celu oszacowanie stanu technicznego maszyny poprzez pomiar różnych mierzalnych parametrów urządzenia. Zwiększenie dokładności i czułości tych pomiarów, a także zmniejszenie wielkości, ciężaru i pobieranej przez urządzenia mocy, pozwala zarządzającemu fabryką zastosować tą technologię na całej hali produkcyjnej.
Fabryka ma teraz swój monitor stanu zdrowia – jak opaska fitness u biegacza - który zapewnia nowy poziom wglądu w działanie instalacji przemysłowej. Kierowników poszczególnych odcinków systemu można na bieżąco informować o drobnych zmianach w działaniu maszyn, za które odpowiadają. Umożliwia im to wcześniejsze podejmowanie świadomych decyzji na podstawie tych informacji.
Planowanie konserwacji z wyprzedzeniem i tylko dla tych maszyn, które naprawdę tego wymagają, może znacznie obniżyć koszty konserwacji. Koszty związane z nagłym wzywaniem serwisu czy technika można zredukować do zera.
Koszty inwestycji w sprzęt pomiarowy można zmniejszyć dzięki większej kontroli fabryki. Dodatkowo, wcześniejsze wykrycie i wymiana zużytych elementów maszyn chroni ogólny stan urządzenia. Bliższe monitorowanie zmniejsza występowanie katastrofalnych awarii. Żywotność sprzętu można w ten sposób wydłużyć, ponieważ maszyny są starannie monitorowane do końca swojego czasu eksploatacji.
Dzięki wykorzystaniu CbM można także zmniejszyć koszty produkcji docelowego produktu fabryki. Dzięki wglądowi w stan maszyny pojawia się możliwość utrzymania kontroli tolerancji na maszynach. Jakość wyjściowa produktu końcowego jest bardziej spójna w obrębie całej partii. Występowanie przestoju maszyn lub nagłego zatrzymania pracy fabryki jest zredukowane niemalże do zera (oprócz planowanych przerw konserwacyjnych). Dlatego zmniejszone jest marnotrawstwo czasu i zasobów.
Jak Analog Devices pomaga rozwiązać ten problem
Analog Devices (ADI) rozumie potrzeby w zakresie wykrywania i pomiarów u klientów końcowych, którzy chcą zmaksymalizować wydajność i żywotność zainstalowanego u siebie sprzętu lub którzy dostarczają te rozwiązania pomiarowe i analityczne użytkownikom końcowym.
Zadania wykrywania i pomiaru wymagane przez CbM można rozwiązać za pomocą układów z szerokiej oferty technologicznej dostępnej w ADI poprzez wybranie odpowiednich komponentów – to wszyscy wiemy. Jednakże obecnie sięgnąć można także po układy o wyższym poziomie integracji, takie jak systemy μModule i produkty μModule mocy, które dzięki integracji wielu elementów w jednej zoptymalizowanej obudowie, umożliwiają szybsze tworzenie prototypów i projektowanie realnego produktu dla produktów naszych klientów.
ADI może dostarczyć pełen tor sygnałowy, od czujników MEMS o niskiej mocy, wysokiej wydajności i energooszczędnych przetworników analogowo-cyfrowych, po rozwiązania łączności bezprzewodowej i zarządzania zasilaniem. Technologia ADI oferuje obecnie najlepsze opcje wydajności dla centralnych systemów rack, a także wychodzi naprzeciw potrzebom rozproszonych węzłów monitorujących. Świat analogowy to miejsce, w którym rodzą się dane, a Analog Devices zawsze był na pierwszym planie w rozwoju systemów dla tego świata, aby móc w optymalny sposób przekształcić te dane w prawdziwe informacje, które są znaczące i przydatne.
Aby uzyskać więcej informacji na temat rozwiązań monitorowania opartych na warunkach z
Analog Devices, odwiedź stronę analog.com/cbm.
Aby uzyskać jeszcze więcej informacji, sprawdź artykuł - Wybierz odpowiedni akcelerometr dla konserwacji predykcyjnej.
Nieplanowane przestoje mogą kosztować tysiące dolarów za godzinę. W jednym badaniu z 2017 roku stwierdzono, że firmy zgłosiły średnie straty na poziomie 2 milionów dolarów z powodu samych tylko przestojów, a nieplanowane przestoje są znacznie bardziej kosztowne niż planowana konserwacja, ponieważ maszyna musi być w wyłączona na czas diagnozowania, zamawiania części i naprawy.
Na działanie maszyn w ramach specyfikacji oraz oczekiwany pozostały im czas sprawnego działania wpływ mają różne zmienne, takie jak czas pracy, obciążenia i środowiska operacyjne, a także zdarzenia losowe powodujące uszkodzenia. Monitorowanie oparte na warunkach (CbM) ma na celu oszacowanie tych wpływów, alarmowanie, gdy wymagana jest natychmiastowa uwaga i dokładne przewidywanie, kiedy konieczna będzie interwencja.
Każda maszyna jest inna i każda maszyna starzeje się w inny sposób, chociaż proces starzenia jest zwykle powolny i niezauważalny. O ile nie będziemy aktywnie szukać oznak subtelnych zmian w czasie, starzenie się może pozostać niezauważone przez długi czas. Nagle jednak dochodzi do awarii, być może katastrofalnej, co oznacza, że maszyna jest niesprawna i wymaga naprawy. Użytkownicy końcowi domagają się wcześniejszego powiadomienia o zbliżającej się awarii, celem planowania przestojów z dużym wyprzedzeniem. Szukają również wskaźników bardziej subtelnych zmian w maszynach, które mogą wpłynąć na jakość ich produktów końcowych, na przykład takich jak papier czy blacha, które wymagają bardzo precyzyjnej obróbki.
Rys.1. Manualna inspekcja maszyny z wykorzystaniem
ręcznego logera i sensora piezoelektrycznego.
Rosnące rozpowszechnienie węzłów pomiarowych i zwiększenie modalności oznacza, że ręczne procedury kontrolne i pomiarowe oparte na manualnym okresowym pomiarze parametrów pracy maszyny nie są już w stanie nadążyć za potrzebami sektora. Systemy muszą być wdrażane w hali produkcyjnej lub w odległej lokalizacji, z łącznością przy użyciu istniejącej infrastruktury przewodowej lub bezprzewodowo przy użyciu solidnych i bezpiecznych systemów komunikacji bezprzewodowej. Duże i kosztowne czujniki i agregatory danych muszą być mniejsze, tańsze i bardziej energooszczędne, aby pasowały do tych nowoczesnych środowisk.
Istnieją nowe precyzyjne rozwiązania na poziomie komponentów i podsystemów z wyższymi poziomami integracji, aby umożliwić konstruktorom systemów urzeczywistnienie zwiększonej czułości systemów i wprowadzenie w życie przyszłości wykrywania usterek już teraz.
Pozyskiwanie danych
Aby uzyskać jak najwcześniejsze wskazanie dotyczące zużycia maszyny, trzeba spojrzeć w przyszłość. W dziedzinie analizy monitorowania stanu osiąga się to, szukając najdrobniejszych zmian w systemie, czy to temperatury, poziomu wibracji, czy sygnatury akustycznej. Aby wykryć te małe zmiany, potrzebne są czujniki i systemy akwizycji danych, które potrafią wyraźnie dostrzec małe zmiany przy najniższych poziomach wykrywalności, nawet przy wysokich poziomach wibracji lub temperatury. Wymaga to łańcuchów sygnałowych o wyjątkowo wysokim zakresie dynamicznym, co oznacza, że systemy te muszą się charakteryzować wyjątkowo niskim poziomem szumów, a jednocześnie muszą być w stanie poradzić sobie z dużymi zmianami poziomu sygnału. Na przykład wykrycie początku zużycia w pompie tłokowej może wymagać wykrycia zmiany mniejszej niż 1/10 mm położenia krańcowego suwu tłoka, którym porusza się ogólnie do 300 mm. Aby upewnić się, że możemy zobaczyć tę zmianę, szum systemu musi być niższy, co najmniej 10-krotnie niż próg wykrycia. To podnosi poziom wymagań, co do detekcji do 1:300 000 lub 109 dB i wymaga wykorzystania 18-bitowych lub dokładniejszych systemów analogowo-cyfrowych do akwizycji danych.
Inną kwestią jest potrzeba uzyskania szerokiego pasma pomiaru. Osie silnika i wiele innych układów, np. przekładnie mają charakterystyczne wibracje przy stosunkowo niskich częstotliwościach, przy częstotliwościach zbliżonych do prędkości obrotowej osi lub jej niskich wielokrotności. Istnieją jednak inne elementy w tych systemach, które oscylują przy wyższej częstotliwości. Aby wykryć zmiany zużycia elementów o wyższej charakterystyce częstotliwości, takich jak łożyska kulowe czy olejowe, czujnik musi być w stanie osiągnąć wysoką rozdzielczość i duży zakres dynamiki przy częstotliwościach powyżej 10 kHz, aż do 80 kHz.
Rys.2.Typowe widmo wibracyjne z oznaczonymi
podstawowymi zjawiskami
Próbkowanie symultaniczne
W systemach CbM stosuje się jednoczesne próbkowanie, aby zachować relacje fazowe między zestawami danych w dziedzinie czasu. Na przykład, gdy stosowane są dwa prostopadle rozmieszczone czujniki drgań, umożliwia to wykrycie kierunku i amplitudy fazorów drgań. Idealnie, opóźnienia fazowe na każdej ścieżce wejściowej czujnika powinno być tak dobrane, by wszystkie tory pomiarowe były do siebie dopasowane i by zapewniały równą fazę wszystkich pomiarów.
W przypadku systemów CbM, które wymagają jeszcze większej elastyczności w projektowaniu w celu uzyskania szerszego zakresu częstotliwości próbkowania, przepustowości lub skalowania mocy, odpowiednie są również układy ADC o sukcesywnej aproksymacji (SAR). Urządzenia te oferują również wysoki zakres dynamiki i THD, przy typowej przepustowości do 2 MSPS. Układy te zawierają także dodatkowe funkcje, ułatwiające ich używanie, czy zmniejszające zużycie energii w torze sygnałowym, czy jego poziom złożoności. Przekłada się to na mniejszy rozmiar kanału pomiarowego, a co za tym idzie - możliwość stworzenia gęściej upakowanych systemów. Przetworniki z podwyższoną impedancją wejściową poszerzają możliwości i zakres pracy precyzyjnych wzmacniaczy małej mocy, które mogą bezpośrednio sterować wejściami przetworników ADC, bez konieczności stosowania dodatkowych buforów, osiągając optymalne parametry pracy.
Rys.3. Render 3D wnętrza układu typu μModule
Wykorzystanie μModule przenosi obciążenie projektowe związane z wyborem, optymalizacją i projektem układu komponentów analogowych i cyfrowych z projektanta na samo urządzenie, co skraca całkowity czas projektowania i rozwiązywania problemów z systemem, a ostatecznie skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Umieszczone w małych pakietach układy μModule dobrze nadają się do systemów rozproszonych o małej liczbie kanałów, kompaktowych systemów CbM, a także do dużych systemów o większej liczbie kanałów, dedykowanych do instalacji w szafach rack.
Czujniki
Zapewnienie wysokiego zakresu dynamicznego, szerszych pasm, większej sprawności energetycznej i wyższych gęstości kanałów w części akwizycji danych w torze pomiarowym rozwiązuje tylko część problemów związanych z projektowaniem układu dla systemów CbM. Tradycyjne, zintegrowane piezoelektryczne czujniki wibracji (IEPE) są duże, nieporęczne i drogie. Zazwyczaj wymagają one stosunkowo wysokiego napięcia zasilania, w porównaniu do pozostałej części systemu akwizycji danych. Typowe czujniki piezoelektryczne wykorzystują pojedyncze zasilanie -24 V, zużywające 2 mA lub więcej i są umieszczone w metalowych obudowach. Ponieważ zasilanie czujników jest zwykle dostarczane przez moduł akwizycji danych, zwiększenie gęstości kanałów w danej przestrzeni systemu staje się problemem z uwagi na konieczność zwiększenia gęstości mocy i ilości komponentów na PCB. Dodając do tego potrzebę bateryjnego zasilania bezprzewodowych punktów akwizycyjnych, tradycyjny piezoelektryczny czujnik drgań nie spełnia wymagań nowoczesnych systemów.
Czujniki wibracji i sensory inercyjne MEMS spełniają wymagania tych systemów. Najnowsze szerokopasmowe urządzenia MEMS charakteryzują się parametrami szumu i przepustowości, która są idealne do zastosowań w układach CbM. Elementy te osiągają te parametry w małych, standardowych obudowach do montażu powierzchniowego (SMD) z poborem mocy na poziomie 20 razy niższym niż porównywalne czujniki IEPE. Mały rozmiar i niski pobór mocy czujników MEMS pozwala na opracowanie bardzo małych, wieloosiowych systemów pomiarowych, które mogą być zasilane z baterii i zapewniać stałe monitorowanie stanu urządzenia.
Zasilanie i łączność
Pomiar temperatury, wibracji czy szumu urządzenia i przekształcanie tych danych w informacje cyfrowe jest kluczową częścią zadania monitorowania, ale czynności te nie zapewniają pełnego obrazu. Aby zbudować systemy monitorowania stanu maszyny, należy zwrócić uwagę na wszystkie komponenty analogowe, cyfrowe i mieszane w projekcie. Osiągnięcie niskiego poziomu szumu w łańcuchu akwizycji danych wymaga nie tylko czujników o niskim poziomie szumu i precyzyjnych komponentów w torze przetwarzania analogowo-cyfrowego, ale także konstrukcji o niskim ogólnym poziomie szumu. Osiągnięcie niskiego poboru mocy w systemie wymaga również odpowiednich komponentów mocy, które w wydajny sposób pobierają energię z akumulatora lub innego źródła energii, bez zwiększania poziomu skomplikowania projektu.
Potrzeby systemu łączności będą zależeć od konkretnego środowiska działania danej aplikacji. Wiele obiektów przemysłowych ma już rozbudowane okablowanie, wykorzystywane do kontroli procesów lub istniejących czujników środowiskowych, takich jak temperatura. Jednakże duża część istniejącej infrastruktury może nie być w stanie poradzić sobie z dużą ilością surowych danych lub szybkościami transmisji danych, wymaganymi do szczegółowego monitorowania urządzeń, opartego na ich stanie.
Jednym z podejść jest zwiększenie możliwości istniejącego okablowania poprzez dodanie możliwości przesyłu większej ilości danych w sposób, który nie wpływa na istniejące funkcje. Na przykład technologia HART®, która jest używana do dodawania informacji diagnostycznych w formie cyfrowej do wszechobecnego interfejsu analogowego 4 - 20 mA. Podobnie, przemysłowy Ethernet – dodaje on determinizm i możliwość komunikacji w czasie rzeczywistym wszędzie tam, gdzie istnieje już okablowanie sieci Ethernet. Wykorzystanie tego interfejsu pozwala na uzyskiwanie deterministycznego opóźnienia w aplikacjach sterujących, ale także na zwiększenie szerokości pasma transmisji tam, gdzie wymagane są dokładniejsze dane – np. dla wibracji czy FFT. Rozwiązanie to pozwala także na zwiększenie ilości węzłów pomiarowych na pojedynczym łączu.
Innym podejściem jest bezprzewodowe przesyłanie informacji. W środowiskach przemysłowych wymagana jest niezawodna i bezpieczna sieć bezprzewodowa. Najnowsze inteligentne produkty radiowe z systemami typu mesh to bezprzewodowe układy scalone i wstępnie certyfikowane moduły, które umożliwiają komunikację przy niskim poborze mocy niezawodność przesyłu danych na poziomie powyżej 99,999%, nawet w trudnych, dynamicznie zmieniających się środowiskach. W przypadku monitorowania opartego na warunkach oznacza to, że informacje o wystąpieniu błędu czy inne dane na pewno dotrą do odbiornika, dzięki czemu może on zareagować na zmieniającą się sytuację w możliwie najkrótszym czasie.
Rys.4. Schemat blokowy pokazujący poszczególne
elementy typowego systemu akwizycji danych.
Producenci elementów systemów zintegrują czujnik, a nawet cały kanał, z monitorowanym elementem. Silniki będą dostarczane już z czujnikami wibracji i poboru prądu, podobnie może się stać w przypadku łożysk i skrzyń biegów. Będą również dostępne niezależne węzły czujnikowe, które będą zgłaszać się na urządzeniach mobilnych - umieść jeden w swojej bramie garażowej, aby ostrzegał Cię, zanim samochód utknie w środku z powodu awarii silnika drzwi!
Aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na pomiary w tych wielu różnych scenariuszach, producenci sprzętu będą musieli zastosować podejście oparte na gotowej platformie, gdzie mniejszy zestaw dodatkowych platform może służyć większemu zróżnicowaniu dostępnych funkcji. Kanały pomiarowe takiego systemu będą musiały obsługiwać różne typy czujników, aby można było ponownie przypisać poszczególne kanały pomiarowe w szafie sterowniczej do różnych kombinacji czujników. W mniejszym sprzęcie systemy te będą musiały być przystosowane do różnych profili poboru mocy, aby ten sam węzeł monitorujący mógł być używany tak w pralce, jak i w narzędziach zasilanych bateryjnie.
Podsumowanie
Monitorowanie warunkowe ma na celu oszacowanie stanu technicznego maszyny poprzez pomiar różnych mierzalnych parametrów urządzenia. Zwiększenie dokładności i czułości tych pomiarów, a także zmniejszenie wielkości, ciężaru i pobieranej przez urządzenia mocy, pozwala zarządzającemu fabryką zastosować tą technologię na całej hali produkcyjnej.
Fabryka ma teraz swój monitor stanu zdrowia – jak opaska fitness u biegacza - który zapewnia nowy poziom wglądu w działanie instalacji przemysłowej. Kierowników poszczególnych odcinków systemu można na bieżąco informować o drobnych zmianach w działaniu maszyn, za które odpowiadają. Umożliwia im to wcześniejsze podejmowanie świadomych decyzji na podstawie tych informacji.
Planowanie konserwacji z wyprzedzeniem i tylko dla tych maszyn, które naprawdę tego wymagają, może znacznie obniżyć koszty konserwacji. Koszty związane z nagłym wzywaniem serwisu czy technika można zredukować do zera.
Koszty inwestycji w sprzęt pomiarowy można zmniejszyć dzięki większej kontroli fabryki. Dodatkowo, wcześniejsze wykrycie i wymiana zużytych elementów maszyn chroni ogólny stan urządzenia. Bliższe monitorowanie zmniejsza występowanie katastrofalnych awarii. Żywotność sprzętu można w ten sposób wydłużyć, ponieważ maszyny są starannie monitorowane do końca swojego czasu eksploatacji.
Dzięki wykorzystaniu CbM można także zmniejszyć koszty produkcji docelowego produktu fabryki. Dzięki wglądowi w stan maszyny pojawia się możliwość utrzymania kontroli tolerancji na maszynach. Jakość wyjściowa produktu końcowego jest bardziej spójna w obrębie całej partii. Występowanie przestoju maszyn lub nagłego zatrzymania pracy fabryki jest zredukowane niemalże do zera (oprócz planowanych przerw konserwacyjnych). Dlatego zmniejszone jest marnotrawstwo czasu i zasobów.
Jak Analog Devices pomaga rozwiązać ten problem
Analog Devices (ADI) rozumie potrzeby w zakresie wykrywania i pomiarów u klientów końcowych, którzy chcą zmaksymalizować wydajność i żywotność zainstalowanego u siebie sprzętu lub którzy dostarczają te rozwiązania pomiarowe i analityczne użytkownikom końcowym.
Zadania wykrywania i pomiaru wymagane przez CbM można rozwiązać za pomocą układów z szerokiej oferty technologicznej dostępnej w ADI poprzez wybranie odpowiednich komponentów – to wszyscy wiemy. Jednakże obecnie sięgnąć można także po układy o wyższym poziomie integracji, takie jak systemy μModule i produkty μModule mocy, które dzięki integracji wielu elementów w jednej zoptymalizowanej obudowie, umożliwiają szybsze tworzenie prototypów i projektowanie realnego produktu dla produktów naszych klientów.
ADI może dostarczyć pełen tor sygnałowy, od czujników MEMS o niskiej mocy, wysokiej wydajności i energooszczędnych przetworników analogowo-cyfrowych, po rozwiązania łączności bezprzewodowej i zarządzania zasilaniem. Technologia ADI oferuje obecnie najlepsze opcje wydajności dla centralnych systemów rack, a także wychodzi naprzeciw potrzebom rozproszonych węzłów monitorujących. Świat analogowy to miejsce, w którym rodzą się dane, a Analog Devices zawsze był na pierwszym planie w rozwoju systemów dla tego świata, aby móc w optymalny sposób przekształcić te dane w prawdziwe informacje, które są znaczące i przydatne.
Aby uzyskać więcej informacji na temat rozwiązań monitorowania opartych na warunkach z
Analog Devices, odwiedź stronę analog.com/cbm.
Aby uzyskać jeszcze więcej informacji, sprawdź artykuł - Wybierz odpowiedni akcelerometr dla konserwacji predykcyjnej.
Cool? Ranking DIY
