與嘗試借助一項技術(shù)解決復雜問(wèn)題不同，更謹慎、更具策略性的全系統振動(dòng)監控視圖可實(shí)現技術(shù)的長(cháng)期價(jià)值。

 

現在，傳感器和傳感器處理方面的技術(shù)發(fā)展可實(shí)現完全嵌入式 自主檢測系統的部署，并且能夠可靠地對設備缺陷、不平衡、 性能變化以及其他異常進(jìn)行檢測和分析，如圖1所示。

 

圖1. 狀態(tài)監控和維護的自動(dòng)化代表無(wú)線(xiàn)檢測網(wǎng)絡(luò )的高價(jià)值目標

 

實(shí)現完全嵌入式自主檢測系統前，必須分析并考慮以下四個(gè)主 要系統設計方面：

 

1. 訪(fǎng)問(wèn)高可信度過(guò)程數據

2. 解析和分配數據

3. 考慮過(guò)程變化

4. 了解最新技術(shù)發(fā)展

 

訪(fǎng)問(wèn)高可信度過(guò)程數據

 

與靈敏電子元件制造業(yè)一樣，過(guò)程監控在高價(jià)值設備的生產(chǎn)設 施中可能極其重要。在這種情況下，裝配線(xiàn)的細微變化也可能 會(huì )導致工廠(chǎng)產(chǎn)量減少，最終設備的主要技術(shù)參數變化。過(guò)去的 方法是利用手持式振動(dòng)探頭，如圖2所示。這種方法的一個(gè)主要 缺點(diǎn)是不能進(jìn)行可重復測量。探頭位置或角度稍有改變，就會(huì ) 產(chǎn)生不一致的振動(dòng)剖面，從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較。該方 法的另一個(gè)局限性是無(wú)法實(shí)時(shí)指出振動(dòng)偏移。

 

圖2. 當前采用的設備變化監控方法缺乏可重復性和可靠性

 

解析和分配數據

 

工廠(chǎng)設備通常有多種振動(dòng)源(軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合)，其 中包括設計帶來(lái)的振動(dòng)源，例如在正常工作過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的 鉆孔機或壓制機?；跁r(shí)間的分析會(huì )產(chǎn)生一個(gè)綜合所有這些振 動(dòng)源的復雜波形，如果不進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析，它提 供的信息難以辨別。借助嵌入式FFT功能，自主傳感器可實(shí)現實(shí) 時(shí)通知。

 

許多既有解決方案以壓電傳感器為基礎，其集成度一般非常低，需要依賴(lài)FFT外部計算和分析。這不僅使得實(shí)時(shí)通知毫無(wú)可能，而且將大部分額外設計工作推給了設備開(kāi)發(fā)人員。但是，如果傳感器內嵌FFT分析功能，就能即時(shí)確定振動(dòng)偏移的具體來(lái)源(圖3)。從完全集成的傳感器開(kāi)始也可將設備開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短6至12個(gè)月。

 

圖3. 帶可編程濾波和調諧控制功能的嵌入式FFT分析

 

既有解決方案的另一個(gè)問(wèn)題是大部分都只有模擬輸出，這會(huì )導致信號在傳輸過(guò)程中衰減，而且離線(xiàn)數據分析非常復雜?？蓮恼駝?dòng)監控受益的大多數工業(yè)設備往往存在于高噪聲、運動(dòng)、無(wú)法接近、甚至危險的環(huán)境中。因此，業(yè)界迫切希望降低接口電纜的復雜性，并且在源端執行盡可能多的數據分析工作，以便捕捉到盡可能準確的設備振動(dòng)狀態(tài)信息。

 

集成式、無(wú)線(xiàn)(最好)的智能傳感器有助于直接使用，并且可在顯著(zhù)降低成本的同時(shí)大幅簡(jiǎn)化傳感器網(wǎng)絡(luò )的部署。但是，部署后仍然存在一些復雜問(wèn)題，如果不提前處理，就可能會(huì )降低系統的完整性。

 

考慮過(guò)程變化

 

在工廠(chǎng)環(huán)境中，振動(dòng)曲線(xiàn)較復雜、有時(shí)間偏移，并且易受設備、材質(zhì)和位置的變化影響。確定在哪里放置傳感器非常重要，其主要決定因素是設備類(lèi)型、環(huán)境和設備的壽命周期。采用高成本傳感器元件時(shí)，探測點(diǎn)僅限于一個(gè)或幾個(gè)，因此這個(gè)問(wèn)題顯得更加重要。更重要的考慮因素是傳感器數據本身的完整性。如果沒(méi)有可靠的傳感器，識別出的性能變化可能是由于設備或傳感器產(chǎn)生。

 

基線(xiàn)設備響應是針對設備壽命周期變化調整傳感器分析程序時(shí)的一個(gè)重要工具。利用簡(jiǎn)單的模擬傳感器就能獲得基線(xiàn)設備響應，即讓操作人員進(jìn)行測量，執行離線(xiàn)分析，并將此數據與適當的標志一起離線(xiàn)存儲在特定設備和探頭位置上。更好且更不易出錯的方法是將基線(xiàn)FFT存儲在傳感器頭部，這樣數據永遠不會(huì )誤放?；€(xiàn)數據還有助于確定報警電平，該值最好也直接在傳感器上編程。這樣的話(huà)，隨后的數據分析和采集中，如果檢測到警告或故障條件，就可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。

 

無(wú)論是何種技術(shù)方法，適用的振動(dòng)分析程序都應該要能夠監控數十甚至數百個(gè)位置。在一臺設備的整個(gè)壽命周期中，可能需要獲得成千上萬(wàn)條記錄。預見(jiàn)性維護程序的完整性取決于傳感器采集點(diǎn)的位置和時(shí)間的適當映射。為將風(fēng)險降至最低，以及獲得最有價(jià)值的數據，傳感器應具有唯一的序列號和嵌入式存儲器，并且能夠給數據添加時(shí)間戳。

 

即使具有如前所述的良好可追溯性，也存在更具挑戰性的問(wèn)題，即如何以最優(yōu)方式捕捉到設備性能的細微變化，并使傳感器適應各種設備。由于信號和傳感器調理和處理取決于具體的設備及其壽命濁氣，因此傳感器設計過(guò)程中存在多個(gè)重要考慮因素。

 

例如，設計人員需要確定，傳感器應針對設備故障可能性較小的早期階段進(jìn)行配置，還是針對故障可能性較大且更具危害性的晚期階段進(jìn)行配置？最好使用可在系統內編程的傳感器，以便能夠在壽命周期內根據變化調整配置。例如，相對較稀疏的監控(功耗最低)應在早期使用，觀(guān)察到變化(警告閾值)后，應重新配置為頻繁(監控周期由用戶(hù)設置)監控。

 

嵌入式模數轉換和處理(例如在傳感器頭部和設備之外)可實(shí)現系統內配置和調諧，如圖4所示。理想的傳感器應提供一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過(guò)快速基線(xiàn)數據采集來(lái)簡(jiǎn)化設備設置、濾波操作、報警編程和不同傳感器位置的試驗。這種相同的可調諧性與嵌入式基線(xiàn)性能數據結合后，便可在系統內對設備的壽命周期使用嵌入式傳感器特性。

 

圖4. 完全嵌入式智能振動(dòng)監控系統的典型集成方式

 

了解最新技術(shù)發(fā)展

 

上文重點(diǎn)討論了現有與過(guò)程控制和預見(jiàn)性維護相關(guān)的傳感器振動(dòng)監控方法的改善之道。由于容錯能力和監控是問(wèn)題的核心所在，應嚴格審核傳感器本身的可靠性。如果傳感器發(fā)生故障(性能變化)，而不是設備發(fā)生故障，該怎么辦呢？或者，如果采用完全自治工作的傳感器，我們對傳感器持續正常工作能有多大信心呢？對于許多傳感器，如壓電傳感器等，這些情況確實(shí)會(huì )造成嚴重的限制，因為它們無(wú)法提供任何系統內自測。高可信度預見(jiàn)性過(guò)程控制程序的基本要求是能夠對傳感器進(jìn)行遠程自測。這一點(diǎn)現可使用部分MEMS傳感器(圖5)做到，其中的嵌入式數字自測能夠填補可靠振動(dòng)監控系統的最后空白。

 

圖5. MEMS振動(dòng)傳感器可提供傳感器自測的附加優(yōu)勢

 

通過(guò)將MEMS振動(dòng)檢測與無(wú)線(xiàn)連接相結合，解決方案現可使多個(gè)遠程檢測接點(diǎn)通過(guò)各種無(wú)線(xiàn)標準接口與網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)通信，從而能夠整合數據并進(jìn)行進(jìn)一步離線(xiàn)趨勢分析和學(xué)習(圖6)。

 

圖6. 六個(gè)遠程傳感器接點(diǎn)自主檢測、收集、處理數據并無(wú)線(xiàn)傳送至中央控制器節點(diǎn)

 

無(wú)線(xiàn)連接還可確保振動(dòng)檢測的部署更具普遍性。此類(lèi)完全集成的傳感器無(wú)需依賴(lài)于翻新接線(xiàn)/基礎設施，不僅能夠更精確可靠地檢測出性能變化，而且能夠顯著(zhù)降低預付和重復維護成本。

 

最后，通過(guò)將轉換與具有基于云的分析系統的嵌入式連續監控系統耦合，可對當前的設備監控領(lǐng)域中的信息和專(zhuān)門(mén)技術(shù)產(chǎn)生成倍的影響。借助由MEMS方法實(shí)現的更加可靠、功能更強的傳感器接點(diǎn)，此傳感器到云模型將幫助實(shí)現期待已久的實(shí)時(shí)潛力，以及基于條件的預測性維護。

 

 

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