精密的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程(參見(jiàn)圖1)越來(lái)越依賴(lài)于電機和相關(guān)機械設備高效可靠、始終如一的運作。機器設備的不平衡、缺陷、緊固件松動(dòng)和其它異?，F象往往會(huì )轉化為振動(dòng)，導致精度下降，并且引發(fā)安全問(wèn)題。如果置之不理，除了性能和安全問(wèn)題外，若導致設備停機修理，也必然會(huì )帶來(lái)生產(chǎn)率損失。即使設備性能發(fā)生微小的改變，這通常很難及時(shí)預測，也會(huì )迅速轉化為重大的生產(chǎn)率損失。

 

圖1. 工廠(chǎng)環(huán)境下的過(guò)程控制與維護自動(dòng)化；無(wú)線(xiàn)檢測網(wǎng)絡(luò )的高價(jià)值目標

 

眾所周知，過(guò)程監控和基于狀態(tài)的預見(jiàn)性維護是一種行之有效的避免生產(chǎn)率損失的方法，但這種方法的復雜性與其價(jià)值不相上下?，F有方法存在局限性，特別是涉及到分析振動(dòng)數據(無(wú)論以何種方式獲得)和確定誤差源時(shí)。

 

典型數據采集方法包括安裝在機器上的簡(jiǎn)單壓電傳感器和手持式數據采集工具等。這些方法存在多種局限性，特別是與理想的全面檢測與分析系統解決方案相比較，后者可以嵌入機器上或機器中，并能自治工作。下面深入討論這些局限性及其與理想解決方案——自治無(wú)線(xiàn)嵌入式傳感器——的對比。對完全嵌入式自治檢測元件的復雜系統目標的選項分析可以分為十個(gè)不同方面，包括實(shí)現高重復度的測量、精確評估采集到的數據、適當的文檔記錄和可追溯性等，下面將對各方面進(jìn)行說(shuō)明并探討可用方法與理想方法。

 

 

現有手持式振動(dòng)探頭(參見(jiàn)圖2)在實(shí)現方法上具備一些優(yōu)勢，包括不需要對終端設備做任何修改，而且其集成度相對較高，尺寸較大，可提供充足的處理能力和存儲空間。然而，它的一個(gè)主要局限是測量結果不可重復。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。因此，維護技術(shù)人員首先需要弄清所觀(guān)察到的振動(dòng)偏移是由機器內部的實(shí)際變化所致，還是僅僅因為測量技術(shù)的變化所致。理想情況下，傳感器應當結構緊湊并且充分集成，能夠直接永久性地嵌入目標設備內部，從而消除測量位置偏移問(wèn)題，并且可以完全靈活地安排測量時(shí)間。

 

圖2. 現有的設備振動(dòng)偏移監控手動(dòng)探頭方法缺乏可重復性和可靠性

 

 

在高價(jià)值設備的生產(chǎn)設施中，例如制造敏感電子器件時(shí)，過(guò)程監控極為有益。這種情況下，裝配線(xiàn)的微小偏移不僅可能導致工廠(chǎng)生產(chǎn)率下降，而且可能使最終設備的關(guān)鍵規格發(fā)生偏移。手持式探頭方法的另一個(gè)明顯的局限是無(wú)法實(shí)時(shí)指出有問(wèn)題的振動(dòng)偏移。多數壓電傳感器同樣如此，其集成度一般非常低(某些情況下僅有一個(gè)傳感器)，需要將數據傳送到其它地方進(jìn)行分析。這些器件需要外部干預，因此可能會(huì )錯過(guò)一些事件和振動(dòng)偏移。自治傳感器處理系統則不然，它內置傳感器、分析、存儲和報警功能，同時(shí)仍然小到足以嵌入設備中，能夠在第一時(shí)間告知振動(dòng)偏移，并且最佳地顯示基于時(shí)間的狀態(tài)趨勢。

 

 

上述嵌入式傳感器發(fā)出實(shí)時(shí)通知的構想，只有采用頻域分析才能實(shí)現。通常，任何設備都有多種振動(dòng)源，如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合等，此外還有設計帶來(lái)的振動(dòng)源，例如鉆孔機或壓制機在正常工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)?；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，在進(jìn)行FFT分析之前，它提供的信息難以辨別。多數壓電傳感器解決方案依賴(lài)外部FFT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)商。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。這樣一種完全集成的傳感器元件還能縮短設備開(kāi)發(fā)商6到12個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為它功能完備、簡(jiǎn)單有效、自治工作。

 

 

嵌入式檢測能夠完美地提供精確實(shí)時(shí)的趨勢數據，但這并不會(huì )提高向遠程過(guò)程控制器或操作員傳輸數據的復雜性。嵌入式FFT分析的前提顯然也是模擬傳感器數據已經(jīng)過(guò)調理并轉換為數字數據，以便簡(jiǎn)化數據傳輸。事實(shí)上，目前使用的多數振動(dòng)傳感器解決方案僅提供模擬輸出，導致信號質(zhì)量在傳輸過(guò)程中降低，更不用說(shuō)離線(xiàn)數據分析的復雜性(上文已討論)?？紤]到要求振動(dòng)監控的多數工業(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線(xiàn)纜的復雜性，并且同樣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。具有無(wú)線(xiàn)傳輸能力的傳感器節點(diǎn)不僅有利于立即訪(fǎng)問(wèn)，而且可大大簡(jiǎn)化傳感器網(wǎng)絡(luò )的部署并顯著(zhù)降低成本。

 

 

現有的許多傳感器解決方案是單軸壓電傳感器。這些傳感器不提供方向信息，因而會(huì )限制我們對設備振動(dòng)剖面的了解。缺乏方向性導致需要噪聲非常低的傳感器以便提供所需的分辨能力，這又會(huì )影響成本。多軸MEMS傳感器則不同，如果各軸精密對準，確定振動(dòng)源的能力將大幅提高，同時(shí)也有助于降低成本。

 

 

設備的振動(dòng)剖面非常復雜，隨時(shí)間而變化，并且還會(huì )因設備材料和位置不同而有所差異。確定在哪里放置傳感器當然非常重要，其主要決定因素是設備類(lèi)型、環(huán)境和設備的壽命周期。采用現有的高成本傳感器元件時(shí)，探測點(diǎn)僅限于幾個(gè)或一個(gè)，這個(gè)問(wèn)題顯得更加重要。這會(huì )導致前期開(kāi)發(fā)時(shí)間顯著(zhù)延長(cháng)，因為需要通過(guò)反復實(shí)驗來(lái)確定最佳位置。但在大多數情況下，其后果是采集的數據量和數據質(zhì)量會(huì )受到影響。幸運的是，現在已有集成度更高而成本大幅降低的傳感器探頭可用，每個(gè)系統可以放置多個(gè)探頭，從而縮短前期開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，或者使用數量更少、成本更低的探頭就能滿(mǎn)足要求。

 

 

手持式監控系統方法可以根據時(shí)間變化(周期、數據量等)進(jìn)行調整，而要在嵌入式傳感器中提供同樣的基于壽命周期的調整，必須在前期設計和部署階段就給予關(guān)注，實(shí)現所需的可調整功能。無(wú)論采用何種技術(shù)，傳感器元件都是很重要的，但更重要的是傳感器周?chē)男盘栒{理和處理電路。信號/傳感器調理和處理不僅取決于具體的設備，而且取決于設備的壽命周期。這在傳感器設計中涉及到多種重要考慮因素。首先，模數轉換處理最好盡早進(jìn)行(在傳感器頭部，而不是在設備之外)，以便支持系統內配置和調整。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。對于現有的簡(jiǎn)單傳感器，即使它們可以在設備設置時(shí)進(jìn)行配置，但傳感器設置仍然必須做出一些犧牲，以便適應設備在整個(gè)壽命期間的維護重點(diǎn)的變化。例如，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，以便隨著(zhù)壽命周期的變化而調整配置。例如，早期的監控相對比較稀疏，功耗最低；觀(guān)察到變化(警告閾值)后，重新配置為頻繁監控模式(監控周期由用戶(hù)設置)；除了連續監控以外，還根據用戶(hù)設置的報警閾值提供中斷驅動(dòng)的通知。

 

 

傳感器適應設備壽命周期中的變化，在一定程度上取決于對基線(xiàn)設備響應的了解。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，該值最好也是直接在傳感器上編程設置，以便在隨后的數據分析和采集中，如果檢測到警告或故障條件，可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。

 

 

在工廠(chǎng)環(huán)境中，一個(gè)適用的振動(dòng)分析程序可能要監控數十甚至數百個(gè)位置，無(wú)論是通過(guò)手持式探頭還是通過(guò)嵌入式傳感器。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。

 

 

上文重點(diǎn)討論了現有針對過(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。就容錯和監控而言，還應當細致審查傳感器本身。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(即上文所述的理想方法)，我們對傳感器持續正常工作能有多大信心呢？對于許多現有傳感器，如壓電傳感器等，這種情況確實(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功能。隨著(zhù)時(shí)間的推移，必然會(huì )對所記錄數據的一致性缺乏信心。在設備壽命晚期的關(guān)鍵監控階段，實(shí)時(shí)故障通知在時(shí)間、成本和安全上都具有十分重要的意義，傳感器是否仍然正常工作必然是關(guān)注的重點(diǎn)。高可信度過(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。幸運的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點(diǎn)。嵌入式數字自測能力就此填補了可靠振動(dòng)監控系統的最后空白。

 

ADI公司的ADIS16229就是一款完全自治的無(wú)線(xiàn)頻域振動(dòng)監控器，具有上述十個(gè)關(guān)鍵方面所列的所有優(yōu)勢。ADIS16229提供嵌入式頻域處理和512點(diǎn)實(shí)值FFT，片上存儲器能夠識別各種振動(dòng)源并進(jìn)行歸類(lèi)，監控其隨時(shí)間的變化情況，并根據可編程的閾值做出反應。該器件提供可配置的報警頻段和窗口選項，支持對全頻譜進(jìn)行分析，并配置6個(gè)頻段、報警1(警告閾值)和報警2(故障閾值)，從而更早、更精準地發(fā)現問(wèn)題。其核心是一個(gè)多軸寬帶寬MEMS傳感器，可配置的采樣速率(最高20 kSPS)和均值/抽取選項支持更精確地評估細微的振動(dòng)剖面變化。該MEMS傳感器提供數字自測模式，讓我們對其功能和數據完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程，可以放在振動(dòng)源附近，并且能以可重復的方式及早檢測小信號，避免了使用手持式設備時(shí)各次測量之間由于位置/耦合差異而存在數據不一致的現象。

 

和均值/抽取選項支持更精確地評估細微的振動(dòng)剖面變化。該MEMS傳感器提供數字自測模式，讓我們對其功能和數據完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程，可以放在振動(dòng)源附近，并且能以可重復的方式及早檢測小信號，避免了使用手持式設備時(shí)各次測量之間由于位置/耦合差異而存在數據不一致的現象。

 

862 MHz/928 MHz專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議接口允許將ADIS16229傳感器節點(diǎn)放在遠端位置，獨立的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)ADIS16000(參見(jiàn)圖3)則為系統控制設備提供標準SPI接口。如圖4所示，通過(guò)該網(wǎng)關(guān)最多可控制6個(gè)遠程傳感器節點(diǎn)。

 

圖3. MEMS傳感器節點(diǎn)(ADIS16229)，通過(guò)928 MHz RF鏈路連接到網(wǎng)關(guān)控制器(ADIS16000)

 

圖4. 6個(gè)遠程傳感器節點(diǎn)自治檢測/收集/處理數據并無(wú)線(xiàn)傳輸到中央控制器節點(diǎn)

 

隨著(zhù)完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動(dòng)傳感器的出現，預見(jiàn)性維護程序開(kāi)發(fā)人員終于能夠擺脫以往振動(dòng)分析方法的限制和不足，大幅提高數據采集過(guò)程的質(zhì)量和完整性。利用這些提供高集成度和簡(jiǎn)化可編程無(wú)線(xiàn)接口的傳感器，以前只有少數具備數十年機器振動(dòng)分析經(jīng)驗的技術(shù)專(zhuān)家才能駕馭的振動(dòng)檢測工作，現在一般技術(shù)人員就能輕松勝任，有助于振動(dòng)檢測應用的推廣。這種完全集成的傳感器不需要改造線(xiàn)路和基礎設施，能夠更精確可靠地檢測性能變化，為大幅降低前期開(kāi)發(fā)和循環(huán)維護成本提供了機會(huì )。

 

本文轉載自亞德諾半導體。