嵌入式智能和通信可實(shí)現(xiàn)可靠和連續(xù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)

基于傳感器的過程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)保證了零停機(jī)時(shí)間、降低維護(hù)成本和提高工人安全性的承諾。這些長(zhǎng)期尋求的好處一直難以捉摸，因?yàn)橐郧暗募夹g(shù)產(chǎn)品有局限性，或者有自己的間接成本或風(fēng)險(xiǎn)，超過了優(yōu)勢(shì)。

與其試圖利用單個(gè)技術(shù)來解決復(fù)雜問題，不如對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行更深思熟慮和戰(zhàn)略性的全系統(tǒng)視圖，從而產(chǎn)生該技術(shù)長(zhǎng)期尋求的價(jià)值。

傳感器和傳感器處理技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在允許部署完全嵌入式和自主傳感系統(tǒng)，能夠可靠地檢測(cè)和分析設(shè)備缺陷、不平衡、性能變化和其他異常情況。

在實(shí)施完全嵌入式和自主傳感系統(tǒng)之前，分析和考慮以下四個(gè)主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面非常重要：

訪問高可信度過程數(shù)據(jù)

解釋和分發(fā)數(shù)據(jù)

考慮過程變化

了解最新的技術(shù)進(jìn)步

訪問高可信度過程數(shù)據(jù)

過程監(jiān)控在高價(jià)值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中特別有價(jià)值，例如在敏感電子元件的制造中。在這種情況下，裝配線的細(xì)微變化可能會(huì)導(dǎo)致工廠產(chǎn)量下降，以及關(guān)鍵的終端設(shè)備規(guī)格變化。過去的方法利用手持式振動(dòng)探頭。這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是缺乏可重復(fù)的測(cè)量。探頭位置或角度的微小差異會(huì)產(chǎn)生不一致的振動(dòng)曲線，使時(shí)間比較不準(zhǔn)確。另一個(gè)限制是缺乏振動(dòng)變化的實(shí)時(shí)通知。

更理想的傳感器應(yīng)既緊湊又集成，足以允許直接和永久嵌入設(shè)備中，消除測(cè)量位置偏移的任何顧慮，并允許完全靈活地安排測(cè)量。這種傳感器將是一個(gè)完全自主的傳感器處理系統(tǒng)，包括傳感器、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，所有這些都在一個(gè)小尺寸中，提供最快的振動(dòng)偏移通知和提供基于時(shí)間的趨勢(shì)的能力。因此，必須從根本上改變方法。使能技術(shù)今天已經(jīng)存在，但問題并不止于此。

解釋和分發(fā)數(shù)據(jù)

工廠設(shè)備通常具有多個(gè)振動(dòng)源（軸承缺陷、不平衡、齒輪嚙合），包括那些設(shè)計(jì)使然的來源，例如在標(biāo)準(zhǔn)操作期間產(chǎn)生振動(dòng)的鉆頭或機(jī)械壓力機(jī)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行基于時(shí)間的分析會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波形，將多個(gè)源組合在一起，在沒有后續(xù)快速傅里葉變換（FFT）分析的情況下提供很少可識(shí)別的信息。借助嵌入式FFT功能，自主傳感器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通知。

許多現(xiàn)有解決方案基于壓電傳感器，這些傳感器的集成度通常較低，依賴于FFT的外部計(jì)算和分析。這不僅消除了實(shí)時(shí)通知的可能性，還給設(shè)備開發(fā)人員帶來了巨大的額外設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。通過在傳感器上嵌入FFT分析，可以立即將振動(dòng)偏移隔離到特定來源（圖3）。從完全集成的傳感器開始，還可以將設(shè)備設(shè)計(jì)人員的開發(fā)時(shí)間縮短 6 到 12 個(gè)月。

圖3.具有可編程濾波和調(diào)諧控制的嵌入式FFT分析。

現(xiàn)有解決方案的另一個(gè)復(fù)雜性是大多數(shù)只是模擬輸出，導(dǎo)致傳輸過程中的信號(hào)衰減和復(fù)雜的離線數(shù)據(jù)分析。大多數(shù)可以從振動(dòng)監(jiān)測(cè)中受益的工業(yè)設(shè)備示例往往存在于嘈雜、移動(dòng)、無法接近甚至危險(xiǎn)的環(huán)境中。在這些情況下，人們強(qiáng)烈希望降低接口布線的復(fù)雜性，并在源頭執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析，以捕獲設(shè)備振動(dòng)的最準(zhǔn)確表示。

集成的（最好是無線的）智能振動(dòng)傳感器便于即時(shí)訪問，并以顯著降低成本，極大地簡(jiǎn)化了傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。然而，一旦部署，仍然存在復(fù)雜性，如果不提前解決，可能會(huì)降低系統(tǒng)的完整性。

考慮過程變化

在工廠環(huán)境中，振動(dòng)曲線是復(fù)雜的、時(shí)移的，并且容易受到基于設(shè)備、材料和位置的差異的影響。傳感器的放置位置問題至關(guān)重要，但也高度依賴于設(shè)備類型、環(huán)境，甚至設(shè)備的生命周期。由于傳感器元件的高成本將探測(cè)點(diǎn)的數(shù)量限制在一個(gè)或幾個(gè)，這個(gè)問題更為關(guān)鍵。一個(gè)更嚴(yán)肅的考慮因素是傳感器數(shù)據(jù)本身的完整性。如果沒有可靠的傳感器，識(shí)別出的性能變化可能歸因于設(shè)備或傳感器。

基線設(shè)備響應(yīng)是使傳感器分析程序適應(yīng)設(shè)備生命周期變化的有用工具。即使是簡(jiǎn)單的模擬傳感器也可以做到這一點(diǎn)，假設(shè)操作員進(jìn)行測(cè)量，執(zhí)行離線分析，離線存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并以某種方式正確標(biāo)記到特定設(shè)備和探頭位置。首選且不易出錯(cuò)的方法將允許在傳感器頭存儲(chǔ)基線FFT，從而消除任何數(shù)據(jù)錯(cuò)放的可能性?；€數(shù)據(jù)還有助于建立警報(bào)級(jí)別，理想情況下，該級(jí)別將直接在傳感器上進(jìn)行編程。因此，在檢測(cè)到警告或故障條件的任何后續(xù)數(shù)據(jù)分析和捕獲中，都可以生成實(shí)時(shí)中斷。

無論采用何種技術(shù)方法，適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)分析程序都可以監(jiān)測(cè)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)位置。在給定設(shè)備的生命周期中，這可能需要捕獲數(shù)千條記錄。預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃的完整性取決于傳感器收集點(diǎn)的位置和時(shí)間的正確映射。為了獲得最低風(fēng)險(xiǎn)和最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，除了嵌入式存儲(chǔ)外，傳感器還應(yīng)具有唯一的序列號(hào)和為數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳的能力。

即使如前所述具有良好的可追溯性，更具挑戰(zhàn)性的問題是，如何最好地捕獲設(shè)備性能的細(xì)微差異，并使傳感器適應(yīng)各種設(shè)備。由于信號(hào)和傳感器調(diào)理和處理特定于獨(dú)特的設(shè)備及其生命周期，因此在傳感器設(shè)計(jì)中有幾個(gè)重要的考慮因素。

例如，設(shè)計(jì)人員需要確定傳感器是否應(yīng)配置為早期使用，當(dāng)設(shè)備故障的可能性較小時(shí)，還是在使用壽命結(jié)束時(shí)，當(dāng)故障不僅可能而且可能更有害時(shí)。首選方法是系統(tǒng)內(nèi)可編程傳感器，該傳感器可根據(jù)生命周期內(nèi)的變化進(jìn)行配置。例如，應(yīng)在生命周期早期使用相對(duì)不頻繁的監(jiān)控（用于最低功耗），然后在觀察到偏移（警告閾值）后重新配置為頻繁（用戶編程周期）監(jiān)控。

嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理（例如，在傳感器頭與關(guān)閉設(shè)備）允許在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行配置和調(diào)諧，如圖4所示。理想的傳感器將提供一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過快速基線數(shù)據(jù)捕獲、過濾操作、警報(bào)編程和不同傳感器位置的實(shí)驗(yàn)來簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)置。這種相同的可調(diào)性與嵌入式基線性能數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以在系統(tǒng)內(nèi)使嵌入式傳感器特性適應(yīng)設(shè)備的生命周期。

圖4.具有代表性的完全嵌入式智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成。

了解最新的技術(shù)進(jìn)步

前面的討論重點(diǎn)介紹了改進(jìn)與過程控制和預(yù)測(cè)性維護(hù)相關(guān)的現(xiàn)有基于傳感器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的方法。由于容錯(cuò)和監(jiān)控是問題的核心，因此應(yīng)仔細(xì)檢查傳感器本身的可靠性。如果傳感器出現(xiàn)故障（性能偏移）而不是設(shè)備，該怎么辦？此外，當(dāng)使用完全自主的傳感器運(yùn)行時(shí)，我們對(duì)傳感器繼續(xù)工作有多大信心？對(duì)于許多傳感器，例如基于壓電陶瓷的傳感器，這帶來了嚴(yán)重的限制，因?yàn)樗鼈儫o法提供任何類型的系統(tǒng)內(nèi)自檢。高置信度過程控制程序的基本要求必須是能夠遠(yuǎn)程自檢傳感器。現(xiàn)在，一些基于MEMS的傳感器可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)（圖5），其中嵌入式數(shù)字自檢可以縮小可靠振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的最終差距。

圖5.基于MEMS的振動(dòng)傳感器提供了傳感器自檢的額外優(yōu)勢(shì)。

將基于 MEMS 的振動(dòng)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)與無線連接相結(jié)合，當(dāng)今的解決方案允許多個(gè)遙感節(jié)點(diǎn)通過各種無線標(biāo)準(zhǔn)接口與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，從而提供數(shù)據(jù)聚合和進(jìn)一步的離線趨勢(shì)分析和學(xué)習(xí)（圖 6）。

圖6.六個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)自主檢測(cè)、收集和處理數(shù)據(jù)，并將其無線傳輸?shù)街醒?a target="_blank">控制器節(jié)點(diǎn)。

無線連接還有望更普遍地部署振動(dòng)傳感。這種完全集成的傳感器不依賴于改裝的布線/基礎(chǔ)設(shè)施，可以更精確、更可靠地檢測(cè)性能變化，從而大大降低前期和經(jīng)常性維護(hù)成本。

最后，將向嵌入式和連續(xù)監(jiān)控的過渡與基于云的分析相結(jié)合，為當(dāng)今設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域的智能和專業(yè)知識(shí)提供了倍增效應(yīng)。借助MEMS方法實(shí)現(xiàn)的更可靠、更強(qiáng)大的傳感器節(jié)點(diǎn)，這種傳感器到云的模型將有助于實(shí)現(xiàn)期待已久的實(shí)時(shí)、基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維護(hù)的全部潛力。

審核編輯：郭婷