狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)及其對信號鏈實(shí)施方案的影響

本文深入探討狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器接口數(shù)據(jù)采集(DAQ)信號鏈設(shè)計(jì)考量。我們將會(huì)分析系統(tǒng)架構(gòu)、傳感器類型和分析方法等設(shè)計(jì)選項(xiàng)會(huì)如何影響DAQ信號鏈設(shè)計(jì)，并通過詳細(xì)論證兩種DAQ信號鏈設(shè)計(jì)示例，將這些理論應(yīng)用于實(shí)踐。

簡介

狀態(tài)監(jiān)控的核心價(jià)值在于能長期節(jié)省成本。通過提供預(yù)測性維護(hù)，可以降低維護(hù)成本，并消除意外的生產(chǎn)停機(jī)，從而節(jié)省成本。能否實(shí)現(xiàn)這一價(jià)值，取決于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在開發(fā)早期階段準(zhǔn)確檢測并識別故障問題的能力。

與開發(fā)后期非常明顯且易于檢測的災(zāi)難性故障不同，開發(fā)早期的故障只會(huì)使資產(chǎn)的正常運(yùn)作行為產(chǎn)生微小偏差。這種偏差也可能是暫時(shí)的。要正確檢測和分類早期故障特征，通常需要使用傳感方式各異的高性能傳感器來作為整個(gè)監(jiān)控解決方案的組成部分。這些傳感器需要與性能匹配的DAQ信號鏈連接，以充分利用其傳感能力。然后，可以使用專用算法來組合和處理這些數(shù)據(jù)，以確定所監(jiān)控資產(chǎn)的整體狀況。

與所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，在設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)需要做出許多選擇。每種選擇都會(huì)伴隨相應(yīng)的權(quán)衡和取舍，可能會(huì)徹底改變DAQ信號鏈設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)級考慮因素

系統(tǒng)架構(gòu)

對于狀態(tài)監(jiān)控(CM)系統(tǒng)，要考慮的第一層因素是系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)傳感器和DAQ信號鏈之間的相對位置，可以使用幾種常見的CM系統(tǒng)架構(gòu)選項(xiàng)，每種都有一定的優(yōu)勢。

以DAQ為中心

典型的DAQ集中式系統(tǒng)將多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道集中部署在某個(gè)位置，通常是以柜式/架式儀器的形式。傳感器部署在較遠(yuǎn)位置，使用模擬電纜連接至DAQ系統(tǒng)。

圖1. DAQ集中式系統(tǒng)架構(gòu)。

現(xiàn)有的許多測量解決方案廣泛使用DAQ集中式架構(gòu)。大部分臺式振動(dòng)監(jiān)控儀器和工業(yè)模擬輸入模塊都使用這種架構(gòu)。在設(shè)計(jì)帶內(nèi)置CM功能的資產(chǎn)時(shí)，也適合使用這種架構(gòu)，例如，在電機(jī)和泵中集成CM功能時(shí)。

這種架構(gòu)的一些重要優(yōu)勢包括：

低布線成本。通常使用低成本同軸電纜和雙絞線在傳感器和DAQ之間遠(yuǎn)距離傳輸信號。

魯棒的接口。設(shè)計(jì)采用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議（例如IEPE和4 mA至20 mA電流環(huán)路）來確保在嘈雜環(huán)境中提供魯棒的傳感器接口。

靈活的傳感器支持。可以根據(jù)不同的測量要求，將同一個(gè)DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)為支持多種傳感器類型。

支持嚴(yán)苛的操作環(huán)境。傳感器和DAQ信號鏈之間物理分隔使得某些傳感器能夠在電子元件通常不支持的條件下運(yùn)行，例如在極高/極低工作溫度下。

更高效的DAQ信號鏈配置。信號鏈設(shè)計(jì)可以共用更多公共模塊，以提高效率和降低成本。

采用DAQ集中式架構(gòu)的CM系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)采集信號鏈設(shè)計(jì)要求：

性能。大部分DAQ集中式系統(tǒng)設(shè)計(jì)都支持多種傳感器類型。其中一些具有雙重功能，也能作為通用DAQ儀器使用。這些需求提高了DAQ信號鏈的性能要求，以及寬動(dòng)態(tài)范圍、可調(diào)帶寬、交流線性度和直流精度等需求指標(biāo)。

輸入保護(hù)。由于DAQ集中式系統(tǒng)的輸入終端經(jīng)常暴露在外部接入環(huán)境中，所以很容易受到錯(cuò)誤接線、信號傳輸距離過遠(yuǎn)和ESD等因素的影響而損壞。通常需要額外的保護(hù)電路來保護(hù)DAQ輸入。

混疊抑制。使用DAQ集中式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)供應(yīng)商并不總是控制傳感器和系統(tǒng)要使用的輸入信號。因此，這些系統(tǒng)需要能夠抵抗目標(biāo)測量頻帶之外的信號混疊和噪聲。其中許多系統(tǒng)都要求DAQ能夠完全抑制所有帶外信號。

功率和區(qū)域。與其他系統(tǒng)架構(gòu)相比，DAQ集中式架構(gòu)對DAQ信號鏈的功耗和解決方案尺寸的限制較少。但是，一些較新的系統(tǒng)開始要求更高的通道密度，使得DAQ信號鏈解決方案的大小和熱密度成為更加重要的設(shè)計(jì)考慮因素。

邊緣節(jié)點(diǎn)

與DAQ集中式架構(gòu)相比，邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)處于解決方案集成級別的另一端。在基于邊緣節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中，傳感器、DAQ信號鏈和信號處理單元彼此非常靠近。信號檢測、獲取和處理都在邊緣進(jìn)行。處理后的數(shù)據(jù)通過有線或無線通信鏈路發(fā)送到主機(jī)。

圖2. 邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)。

許多由電池供電的智能狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

易于安裝。特別是對于無線系統(tǒng)，安裝邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)，在傳感節(jié)點(diǎn)之間部署長電纜時(shí)要更加容易。

優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于整個(gè)系統(tǒng)定義更明確、更獨(dú)立，所以更易于設(shè)計(jì)出優(yōu)化的信號鏈。

采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的CM系統(tǒng)的典型DAQ信號鏈設(shè)計(jì)要求：

性能。明確知道需要將哪些傳感器連接至DAQ，就可以定制DAQ信號鏈設(shè)計(jì)和改善效率。但是，有限的功率預(yù)算（尤其在電池供電式系統(tǒng)中）會(huì)限制傳感器和信號鏈的性能。

輸入保護(hù)。由于系統(tǒng)獨(dú)立自足，模擬DAQ信號鏈不會(huì)暴露在外界中，所以模擬DAQ信號鏈輸入保護(hù)要求也相對放寬。

混疊抑制。同樣，傳感器和DAQ系統(tǒng)之間的距離很短，加上獨(dú)立式物理結(jié)構(gòu)，使得邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)不太可能接收到帶外干擾。DAQ系統(tǒng)可能仍然需要提供某種程度的濾波保護(hù)，以免受節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的干擾，例如來自傳感器時(shí)鐘器件、電源和通信鏈路的干擾，但所需的抑制等級要低于DAQ集中式系統(tǒng)。

功率和區(qū)域。對邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)來說，低功耗和緊湊的解決方案尺寸是常見要求。對于電池供電式系統(tǒng)，低功耗是關(guān)鍵。系統(tǒng)的尺寸會(huì)影響系統(tǒng)外殼的材料成本、安裝的難度，對于振動(dòng)傳感系統(tǒng)還會(huì)影響傳感器的機(jī)械特性。

DAQ分布式系統(tǒng)

DAQ分布式架構(gòu)位于DAQ集中式架構(gòu)和邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)之間。在這種架構(gòu)中，DAQ信號鏈位于傳感器一側(cè)，數(shù)據(jù)處理能力有限或沒有數(shù)據(jù)處理能力。采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過數(shù)字有線鏈路（例如RS-485或10BASE-T1L以太網(wǎng)）傳輸至集中式主機(jī)進(jìn)行后處理。

圖3. DAQ分布式系統(tǒng)架構(gòu)。

DAQ分布式架構(gòu)的優(yōu)勢包括：更標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口、與大型的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的集成度更高。

DAQ分布式系統(tǒng)的信號鏈設(shè)計(jì)考慮與邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)相似。

傳感器

檢測模塊

選擇狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中使用的傳感器時(shí)需考慮多個(gè)因素，第一個(gè)是要支持的檢測模塊。就像醫(yī)生通過監(jiān)控患者的多項(xiàng)生命體征來更好地診斷他們的健康狀況一樣，監(jiān)控資產(chǎn)的多項(xiàng)參數(shù)也可以提高故障檢測的準(zhǔn)確性。例如，已經(jīng)證明在開發(fā)的早期階段，振動(dòng)監(jiān)控是檢測機(jī)械故障的可靠方法。溫度是狀態(tài)監(jiān)控中的另一個(gè)重要輔助參數(shù)，因?yàn)樵S多故障類型都會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。狀態(tài)監(jiān)控中使用的其他常見檢測模塊包括：聲音、電能質(zhì)量、應(yīng)變、扭矩和位移。給定的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)具體組合使用哪些檢測模塊，還取決于所監(jiān)控的資產(chǎn)類型和要檢測的故障類型。

傳感器類型

同樣的檢測模塊也可以選擇多種傳感器類型。不同類型的傳感器可能有不同的屬性和接口要求，沒有一種傳感器適合所有狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

以振動(dòng)監(jiān)測為例。常見的振動(dòng)傳感器類型包括MEMS、壓電式（壓電）和壓阻式（動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀）。MEMS加速度計(jì)功耗低、重量輕、體積小，非常適合采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的系統(tǒng)。壓電式加速度計(jì)可以支持非常寬的帶寬并具有高動(dòng)態(tài)范圍。帶有IEPE接口的壓電傳感器與許多振動(dòng)監(jiān)控儀器兼容，通過搭配使用，可以構(gòu)建采用DAQ集中式架構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

這兩種傳感器對接口的要求也有很大不同。有些MEMS加速度計(jì)提供數(shù)字輸出，可以直接連接到微處理器上。大多數(shù)高性能MEMS加速度計(jì)都提供模擬輸出，需要使用數(shù)據(jù)采集信號鏈。MEMS傳感器通常由與DAQ信號鏈共享的單端3.3 V至5 V電源供電。與之相比，帶IEPE接口的壓電式加速度計(jì)通常由24 V電源生成的~4 mA恒定電流源通過雙線電纜供電，傳感器輸出為基于直流偏置電壓（一般為8 V至10 V）的交流信號，該信號一般需要先緩沖、衰減和進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后才能被ADC獲取。

通道數(shù)

另一個(gè)與傳感器相關(guān)的考慮是使用的傳感器數(shù)量，這會(huì)直接影響所需的DAQ通道數(shù)量。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以在多個(gè)位置部署相同類型的傳感器，以更全面地掌握資產(chǎn)的狀況。例如，一對振動(dòng)傳感器可以正交放置，以提供更準(zhǔn)確的資產(chǎn)振動(dòng)幅度信息。三軸振動(dòng)傳感器可以安裝在任何角度位置，并且對各個(gè)方向的振動(dòng)仍具有充分的靈敏度。某些故障診斷方法也依靠多個(gè)信號之間的相位差來三角測量故障位置。這要求狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)從多個(gè)相同類型的傳感器獲取信號，可以轉(zhuǎn)化成對DAQ信號鏈的同步采樣、相位匹配和通道采樣同步要求。

分析方法

分析方法的選擇也是影響DAQ信號鏈設(shè)計(jì)決策的重要因素。

頻域分析

頻域分析是一種常用的狀態(tài)監(jiān)控方法，用于監(jiān)控移動(dòng)機(jī)械。旋轉(zhuǎn)機(jī)器基頻倍數(shù)的諧波可以通過振動(dòng)、聲音和電能質(zhì)量等檢測模塊進(jìn)行檢測。確定這些諧波的振幅和頻率是分析機(jī)器運(yùn)行狀況的第一個(gè)基本步驟。

利用快速傅立葉變換(FFT)對時(shí)域樣本實(shí)施轉(zhuǎn)換，可以得到頻域信息。在實(shí)施頻率分析時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵DAQ信號鏈設(shè)計(jì)參數(shù)包括：

目標(biāo)帶寬。目標(biāo)帶寬測量取決于被監(jiān)控資產(chǎn)的屬性和故障覆蓋類型。監(jiān)控齒輪箱軸承所需的振動(dòng)監(jiān)控帶寬可能遠(yuǎn)高于監(jiān)控風(fēng)塔結(jié)構(gòu)擺動(dòng)所需的帶寬。整個(gè)監(jiān)控信號鏈應(yīng)具有足夠帶寬，足以涵蓋最高目標(biāo)能量譜分量。

振幅平坦度。要實(shí)施頻率分析，通常要求目標(biāo)頻率上的振幅響應(yīng)保持平坦，即增益在頻率上保持恒定。傳感器響應(yīng)和DAQ信號鏈內(nèi)部的濾波響應(yīng)可能使得振幅響應(yīng)隨頻率變化。通過選擇在目標(biāo)頻帶上具有平坦響應(yīng)的傳感器，并將濾波器設(shè)計(jì)為具有平坦的通帶響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)良好的平坦度。

帶外信號抑制。目標(biāo)頻帶外的信號對狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)無用，可能會(huì)消耗寶貴的處理資源，甚至是污染目標(biāo)信號。對于DAQ信號鏈來說，最好去除目標(biāo)頻帶外的所有信號。

噪聲。與信號平坦度一樣，測量系統(tǒng)要求在目標(biāo)頻帶上具有均勻平坦的噪聲譜密度(NSD)。本底噪聲應(yīng)低于最小的目標(biāo)信號幅度。因?yàn)檎{(diào)制增益，F(xiàn)FT處理功能還具有一個(gè)額外優(yōu)勢，即可以降低頻率輸出中的總體本底噪聲。簡單的說，就是處理的樣本越多，bin的尺寸就越窄，每個(gè)bin內(nèi)的功率噪聲就越低。這使得測量系統(tǒng)能夠人為地增大其測量動(dòng)態(tài)范圍（僅在頻域中），以檢查原本將會(huì)低于本底噪聲的信號。調(diào)制增益的限制在于：需要很大的內(nèi)存和更長的處理時(shí)間。測量信號鏈的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SDFR)也可以設(shè)置要測量的最小的有意義的信號幅度。

動(dòng)態(tài)線性。在實(shí)施頻域諧波分析時(shí)，低諧波失真非常重要。測量信號鏈的非線性引起的額外諧波會(huì)掩蓋故障條件引起的真實(shí)諧波信號的偏差。

時(shí)域分析

頻域分析只能監(jiān)控周期性信號，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)器本身產(chǎn)生的信號。要監(jiān)控以非周期性方式運(yùn)行的資產(chǎn)，例如進(jìn)行線性和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的資產(chǎn)，以及基于特定時(shí)序運(yùn)行的資產(chǎn)，例如液壓/氣缸，則需要采用時(shí)域分析。即使是監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)器，某些分析方法（例如沖擊脈沖法）也依賴于時(shí)域數(shù)據(jù)分析。

通過簡單分析采樣得到的數(shù)據(jù)波形，即可獲得時(shí)域信息。在實(shí)施時(shí)域分析時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵的DAQ信號鏈設(shè)計(jì)參數(shù)包括：

目標(biāo)帶寬。測量信號鏈的帶寬應(yīng)足夠?qū)挘悦庾罡吣繕?biāo)頻率下的信號波形失真。測量帶寬要求通常不是由瞬態(tài)事件發(fā)生的頻率決定的，而是由瞬態(tài)事件導(dǎo)致的信號的振蕩頻率決定的。在某些情況下，例如使用沖擊脈沖法實(shí)施監(jiān)控時(shí)，瞬態(tài)事件引起的信號振蕩由傳感器的諧振頻率決定。

采樣速率。與頻率分析（原則上，有效信號采樣速率無需高于要監(jiān)控的最高能量譜分量的兩倍）相反，時(shí)域分析可能要求采樣速率遠(yuǎn)高于最高目標(biāo)輸入信號頻率。這是被監(jiān)控信號的瞬態(tài)特性造成的。對瞬態(tài)信號進(jìn)行過采樣，以便分析信號波形的特征，包括其峰谷幅度和變化率。峰值比最大誤差可以由1–cos (π/OS)推導(dǎo)出來，其中OS為過采樣率，等于輸入信號頻率范圍內(nèi)的有效采樣速率。以10倍瞬態(tài)信號振蕩頻率進(jìn)行過采樣，可以將峰值檢測精度限制在±5%以內(nèi)。

噪聲。由于每個(gè)樣本中所包含的噪聲會(huì)直接影響時(shí)域波形的幅度檢測精度，所以在時(shí)域分析中，總均方根噪聲值非常重要。噪聲譜密度的平坦度并不重要，只要有效噪聲帶寬上的總積分噪聲滿足要求的測量精度即可。在時(shí)域分析中，噪聲改善DSP技術(shù)（例如FFT處理增益）不再可用。

階躍響應(yīng)。測量信號鏈需要具有良好的階躍響應(yīng)，以便復(fù)制瞬態(tài)信號輸入的特征。這會(huì)影響DAQ信號鏈中的濾波器設(shè)計(jì)和選擇。

DAQ信號鏈設(shè)計(jì)示例

在本節(jié)中，我們將使用兩個(gè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)DAQ信號鏈?zhǔn)纠齺碚故救绾螌⑾到y(tǒng)需求轉(zhuǎn)化為信號鏈設(shè)計(jì)。

示例1

系統(tǒng)要求

采用邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)、由3 V至3.6 V電池供電的系統(tǒng)

±50 g范圍的單軸振動(dòng)檢測

支持高達(dá)10 kHz（平坦）帶寬的頻率分析

在10 kHz帶寬下，動(dòng)態(tài)范圍>80 dB

支持采樣速率為128 kSPS的時(shí)域分析，包括沖擊脈沖法

在滿量程范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)非線性度等于或小于0.1%

能夠在高噪聲環(huán)境中工作，且能夠抑制電磁干擾(EMI)

傳感器選擇

選擇使用ADXL1002MEMS加速度計(jì)來實(shí)施振動(dòng)檢測。它滿足關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、小尺寸，非常適合邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

ADXL1002具有11 kHz平坦響應(yīng)帶寬，非常適合用于在10 kHz目標(biāo)帶寬上實(shí)施頻率分析。傳感器的諧振頻率為21 kHz?？梢詫υ擃l率下的信號進(jìn)行過采樣，以支持沖擊脈沖法等時(shí)域分析方法。

圖5. ADXL1002加速度計(jì)的頻率響應(yīng)劃分。

該傳感器的噪聲密度為25 μg/√Hz，最高可達(dá)10 kHz。如果10 kHz帶寬以上的總均方根噪聲為25 × √(10e3) = 2.5 mg rms，輸入范圍為±50 g，可使用以下公式計(jì)算傳感器的動(dòng)態(tài)范圍

ADXL1002的輸出是一個(gè)緩沖電壓信號，其幅度與傳感加速度和傳感器的電源電壓成正比。輸出信號在直流電壓（等于傳感器電源電壓的一半）下偏置。采用5 V電源時(shí)，ADXL1002的靈敏度為40 mV/g。采用3.3 V電源時(shí)，±50 g輸入范圍中的最大傳感器輸出信號擺幅為±50 × 40e–3/5 × 3.3 = ±1.32 V，以

為中心

圖6. ADXL1002的滿量程輸出信號。

DAQ要求

與ADXL1002傳感器連接的DAQ信號鏈需要滿足以下要求：

支持傳感器的整個(gè)輸出電壓范圍

在11 kHz以上的頻率下具有平坦的頻率響應(yīng)

能夠?qū)χC振頻率進(jìn)行至少5倍的過采樣

允許傳感器主導(dǎo)整個(gè)交流和直流性能

對目標(biāo)頻段外的信號提供充分的混疊抑制

低功耗

小尺寸解決方案

建議使用的解決方案如圖7所示。它由單通道精密Σ-Δ ADC AD7768-1和ADC驅(qū)動(dòng)放大器 ADA4805-1組成。

圖7. 支持使用ADXL1002加速度計(jì)實(shí)施單軸振動(dòng)檢測、由電池供電的邊緣節(jié)點(diǎn)傳感器解決方案的DAQ信號鏈?zhǔn)纠?/strong>