無線加速計(jì)和溫度傳感器可簡化 IIoT 機(jī)器監(jiān)控能力的部署

作者：Art Pini

機(jī)械監(jiān)測是一項(xiàng)眾所周知的工廠機(jī)械維護(hù)技術(shù)，它是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 或工業(yè) 4.0計(jì)劃的主要組成部分。該計(jì)劃正在推動(dòng)更高水平的自動(dòng)化，包括提高生產(chǎn)作業(yè)和分布式信號(hào)處理中的數(shù)據(jù)交換水平。IIoT的一個(gè)要素是擴(kuò)展測量和記錄大量工作參數(shù)數(shù)據(jù)的能力，這些參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)水平和溫度。這樣就可以了解機(jī)器的當(dāng)前狀態(tài)，并洞悉即將發(fā)生的故障機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性維護(hù)，而避免災(zāi)難性故障。

IIoT 的“障礙”是需要在整個(gè)工廠車間或外部設(shè)施（例如石油鉆機(jī)或天然氣管道和儲(chǔ)存設(shè)施）的多臺(tái)機(jī)器上安裝和連接加速計(jì)、溫度和其他傳感器。

接線問題的解決方法是使用智能無線傳感器，收集并組合振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)通過低功耗、大覆蓋范圍的廣域網(wǎng)鏈接至控制室或云。為基于邊緣的處理增加內(nèi)置計(jì)算功能，有助于解讀所有數(shù)據(jù)并僅傳輸必要的數(shù)據(jù)，從而讓設(shè)計(jì)人員可以利用IIoT 的全部優(yōu)勢。

本文首先討論機(jī)器維護(hù)基礎(chǔ)知識(shí)，接著介紹來自 TE Connectivity Measurement Specialties
的無線加速計(jì)/溫度傳感器。然后說明如何選擇和應(yīng)用這些器件。

為什么機(jī)器維護(hù)至關(guān)重要

工廠車間中的機(jī)器需要保持運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保不會(huì)出現(xiàn)中斷和成本高昂或?yàn)?zāi)難性的停機(jī)。這就要求對(duì)關(guān)鍵機(jī)器進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)的維護(hù)和維修。尤其關(guān)注工業(yè) 4.0的現(xiàn)代制造商往往會(huì)主動(dòng)出擊，將關(guān)鍵路徑上的機(jī)器納入預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃。這需要檢測、記錄數(shù)據(jù)和分析機(jī)器的關(guān)鍵參數(shù)，如振動(dòng)水平和溫度，這些參數(shù)是機(jī)器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。這就要求將所有機(jī)器相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制室、云或其他中心位置，以進(jìn)行監(jiān)測和分析。過去，這是通過在受監(jiān)測機(jī)器與控制室之間布設(shè)電纜來實(shí)現(xiàn)。這種方法成本高昂，并且需要大量的維護(hù)工作。IIoT的發(fā)展使機(jī)器到控制室的傳感器不再需要硬接線，取而代之的是網(wǎng)絡(luò)無線連接。

下面以一個(gè)傳統(tǒng)機(jī)器監(jiān)測應(yīng)用為例：一臺(tái)配備加速度計(jì)的典型機(jī)器。來自變送器的所有振動(dòng)數(shù)據(jù)都會(huì)傳送至控制室，并分析是否有任何非常明顯的問題，而且可以存檔以供參考，以分析表明需要維護(hù)的長期變化。請考慮一下從安裝在風(fēng)扇框架上的加速計(jì)獲得的三葉冷卻風(fēng)扇振動(dòng)特征（圖1）。

加速計(jì)信號(hào)顯示在右側(cè)網(wǎng)格中。這是一項(xiàng)時(shí)間記錄，顯示了以 gs 為單位的加速度與時(shí)間的關(guān)系，并包含 100，000個(gè)樣本。加速計(jì)的輸出是電信號(hào)，其比例系數(shù)或靈敏度為每 g 100 毫伏 （mV/g）。該電壓信號(hào)經(jīng)測量儀器重調(diào)，從而以 gs 讀取。

加速度時(shí)間記錄看似隨機(jī)，但是通過執(zhí)行快速傅里葉變換 （FFT）并將加速度信號(hào)視為頻率的函數(shù)（頻譜），如左側(cè)網(wǎng)格所示，解讀會(huì)變得更加清晰。該頻譜描繪了信號(hào)線性幅度 （gs） 與頻率 （Hz）之間的關(guān)系。該頻譜上標(biāo)記了七個(gè)峰。這些峰與風(fēng)扇的特性（即轉(zhuǎn)速和電源線頻率）有關(guān)。

27.8 Hz 處的峰（左起第二個(gè)）是風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，27.8 Hz 對(duì)應(yīng)于每分鐘 1，668 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。此外，還標(biāo)出了 55.6、83.6 和194.7 Hz 處的轉(zhuǎn)速諧波，這些信號(hào)的相對(duì)電平指示諸如機(jī)械松動(dòng)等問題。83.6 Hz
處的三次諧波具有更高的幅度，因?yàn)樗彩侨~片通過頻率。電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)引起振動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇葉片會(huì)通過支撐結(jié)構(gòu)三次。這加入到旋轉(zhuǎn)的三次諧波中，使其幅度高于其他諧波。120 Hz 處的大峰值歸因于感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場。其在 92 和 148 Hz 處具有來自機(jī)械旋轉(zhuǎn)的邊帶。

很明顯，F(xiàn)FT 大幅減少了必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。振動(dòng)信號(hào)的 100，000個(gè)樣本可以分解為此機(jī)器需要傳輸?shù)钠邆€(gè)關(guān)鍵峰。如果此處理在變送器中進(jìn)行，則僅需要發(fā)送有關(guān)譜峰的信息，從而降低通信通道上的負(fù)載。

加速計(jì)

加速計(jì)是一種振動(dòng)傳感器，其產(chǎn)生與機(jī)械加速度成比例的電壓輸出。壓電式加速計(jì)使用已知質(zhì)量來壓縮壓電元件，例如陶瓷或石英元件，以產(chǎn)生與傳感器加速度成比例的電壓。無線壓電式加速計(jì)的示例包括
TE Connectivity Measurement Specialties 的型號(hào) 8911-A 和8911-E。這些單一的電池供電器件將兩個(gè)傳感器、數(shù)據(jù)收集器、數(shù)字信號(hào)處理器和無線電組合到一個(gè)緊湊型器件中，可同時(shí)測量振動(dòng)和溫度（圖 2）。

加速計(jì)的最大加速度范圍為 ±50 g，靈敏度為 100 mV/g，以及大于 10 千赫 （kHz） 的 ±1 分貝 （dB）帶寬。所有這些均包含在環(huán)境密封的不銹鋼和聚合物外殼中，工作溫度范圍為 -20° 至 60°C。該加速計(jì)由一節(jié)可更換的 3 伏 CR123 電池供電。

微處理器負(fù)責(zé)運(yùn)行控制和振動(dòng)數(shù)據(jù)的信號(hào)處理。溫度數(shù)據(jù)來自微處理器中的嵌入式溫度傳感器。微處理器對(duì)獲取的振動(dòng)數(shù)據(jù)執(zhí)行 FFT 分析。FFT的評(píng)估顯示了振動(dòng)數(shù)據(jù)中八個(gè)最重要加速度峰值的中心頻率、峰值幅度和總頻譜含量百分比。如前所述，峰值頻率和幅度是機(jī)器診斷所需的關(guān)鍵參數(shù)。若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減少，則可減少通信信道帶寬、增加覆蓋范圍并降低8911 加速計(jì)的功耗。該加速計(jì)的典型電池壽命為五年。如此長的電池壽命減少了加速計(jì)的必要維護(hù)工作，這是一種非常理想的情況。

通信通道

該加速計(jì)使用 LoRaWAN A 類通信協(xié)議，該協(xié)議在歐洲利用 868 兆赫茲 （MHz） （8911-E）、在美國利用 915 MHz （8911-A）無牌照無線電頻率。LoRaWAN A 類協(xié)議提供了一種簡單、可靠且安全的通信通道，允許將機(jī)械診斷擴(kuò)展至禁止安裝有線系統(tǒng)的工廠區(qū)域。

LoRaWAN 是 LoRa 聯(lián)盟所管理的開放標(biāo)準(zhǔn)。采用的是來自 Semtech Corporation的專有擴(kuò)頻技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)使用可輕松生成的調(diào)頻式“啁啾”來產(chǎn)生具有高抗擾度的擴(kuò)頻信道，能夠提供 5 至 15 公里 （km）的可靠通信范圍。根據(jù)范圍的不同，數(shù)據(jù)速率可高達(dá) 50 kbps。

8911
無線加速計(jì)能夠進(jìn)行雙向通信。除了傳輸振動(dòng)和溫度測量值，變送器還可以接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)，從而可將加速計(jì)的采樣周期設(shè)置為每分鐘一次到每天一次。工作時(shí)，8911加速計(jì)會(huì)在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行自診斷程序。然后，它會(huì)嘗試使用空中激活 （OTAA） 加入 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。該器件將在內(nèi)部“加入”計(jì)時(shí)器的控制下，按照預(yù)先計(jì)劃的時(shí)間表重復(fù)這一操作。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，它將進(jìn)入采樣模式并開始處理振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)。

程序化的工作流程包括采集振動(dòng)信號(hào)、對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行 FFT、檢測并提取重要的振動(dòng)峰，最后將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)。

使用的數(shù)據(jù)協(xié)議是固定的（圖 3）。

電池狀態(tài)是所傳輸?shù)牡谝粋€(gè)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是電池容量，以百分比為單位。緊隨其后的是 FFT頻譜峰值的數(shù)目，當(dāng)前設(shè)置為八個(gè)。第三個(gè)數(shù)據(jù)元素是溫度，以兩個(gè)字節(jié)發(fā)送。接下來，發(fā)送所測頻段中的總頻譜能量，同樣為兩個(gè)字節(jié)。積分大小與在峰值檢測算法中確定的峰寬有關(guān)，還是兩個(gè)字節(jié)。然后是峰值數(shù)據(jù)，從第一個(gè)峰開始：兩個(gè)字節(jié)代表頻率，兩個(gè)字節(jié)代表幅度，然后是一個(gè)字節(jié)代表該峰值幅度與總頻譜幅度之比。對(duì)于剩余的七個(gè)峰值，每一個(gè)都會(huì)重復(fù)最后三個(gè)數(shù)據(jù)值。同樣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，因此電池壽命長，所需通信帶寬窄。

使用加速計(jì)

加速計(jì)可采用任何方向安裝；常見的安裝方向是垂直或水平。加速計(jì)可使用三種方法中的任何一種安裝到機(jī)器上（圖 4）。加速計(jì)的底座帶有 ?-28 NF螺紋，可使用制造商提供的三種雙螺柱（?-28：?-28、?-28:M6 或?-28:M5）中的任何一種來安裝。此外，還有粘合安裝螺柱和磁吸安裝螺柱。在所有情況下，加速計(jì)都必須牢固安裝，因?yàn)槿魏嗡蓜?dòng)都會(huì)影響振動(dòng)測量。

粘合劑安裝需要具有機(jī)械剛性的粘合劑。不建議使用壓敏粘合劑或泡棉膠帶，因?yàn)槿嵝园惭b會(huì)導(dǎo)致加速度讀數(shù)錯(cuò)誤。推薦使用會(huì)在機(jī)械上“固化”的環(huán)氧或氰基丙烯酸酯粘合劑。

磁吸安裝的拉力為 30 lb，與鐵類材料制成的機(jī)架兼容。

傳感器控件和狀態(tài)指示燈

傳感器具有一個(gè)復(fù)位按鈕和兩個(gè) LED（一個(gè)藍(lán)色和一個(gè)紅色），用于指示其狀態(tài)。透過聚合物蓋可看到這兩個(gè)LED。擰下聚合物蓋即可接觸這些控件和指示器。

傳感器上的按鈕將在變送器工作周期的任何時(shí)間點(diǎn)，自動(dòng)啟動(dòng)新的捕獲和數(shù)據(jù)分析。

藍(lán)色 LED 指示燈點(diǎn)亮 2 秒，表示傳感器已成功啟動(dòng)并加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)。然后，每當(dāng)成功傳輸并確認(rèn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)閃爍。

如果傳感器無法加入網(wǎng)絡(luò)，則紅色 LED 會(huì)點(diǎn)亮 2 秒。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包未確認(rèn)，它也會(huì)閃爍。

結(jié)語

工廠自動(dòng)化工程師和設(shè)計(jì)人員在為 IIoT 做準(zhǔn)備時(shí)，需要一種快速有效的方法來為設(shè)備裝備監(jiān)測功能。如上所述，8911型加速度計(jì)/溫度傳感器提供了一種簡單、可靠且安全的方法，可在有線傳感器不容易支持的工廠區(qū)域增加機(jī)器監(jiān)測功能。內(nèi)置的信號(hào)處理功能為繪制和監(jiān)測機(jī)械性能提供了必要的數(shù)據(jù)，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載降至最低。該產(chǎn)品基于LoRaWAN，其通信范圍廣、電池壽命長，并內(nèi)置信號(hào)處理功能，使其成為 IIoT 或工業(yè) 4.0 應(yīng)用的理想之選。