【導讀】探索基于壓電陶瓷的傳感器和手持式數據收集工具在用于基于狀態(tài)的預測性維護時(shí)的優(yōu)勢和局限性，以及完全集成和可靠的振動(dòng)傳感器的優(yōu)勢。
探索基于壓電陶瓷的傳感器和手持式數據收集工具在用于基于狀態(tài)的預測性維護時(shí)的優(yōu)勢和局限性，以及完全集成和可靠的振動(dòng)傳感器的優(yōu)勢。
精密工業(yè)過(guò)程越來(lái)越依賴(lài)于電機和相關(guān)機械的高效和一致運行。機械中的不平衡、缺陷、配件松動(dòng)和其他異常通常會(huì )轉化為振動(dòng)，然后是精度損失以及安全問(wèn)題。如果不加以解決，除了性能和安全問(wèn)題外，如果設備需要離線(xiàn)維修，生產(chǎn)力損失將不可避免。
基于狀態(tài)的預測性維護是避免生產(chǎn)力損失的已知且經(jīng)過(guò)驗證的方法，但這種方法的價(jià)值與其復雜性相匹配?，F有方法存在局限性，特別是在分析振動(dòng)數據（無(wú)論如何收集）和隔離誤差源時(shí)。
現有的數據收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收集工具。這些方法有許多局限性，特別是與可以嵌入機器上或機器中并自主行動(dòng)的完整檢測和分析系統的理想解決方案相比。本文將進(jìn)一步探討這些局限性以及與理想的比較。
測量的可重復性
手持式振動(dòng)探頭具有一些實(shí)現優(yōu)勢，例如不需要對終端設備進(jìn)行任何修改，并且鑒于其大（磚）尺寸，它們相對高度集成，允許足夠的處理和存儲。然而，一個(gè)主要的限制是測量的可重復性。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(xiàn)，使時(shí)間比較不準確。因此，維護技術(shù)人員面臨的問(wèn)題是，觀(guān)察到的任何振動(dòng)偏移是由于機器內部的實(shí)際變化，還是僅僅是測量技術(shù)的變化。理想情況下，傳感器既緊湊又集成，足以允許直接和永久嵌入感興趣的設備中。
測量時(shí)間表
手持式探頭方法的另一個(gè)限制是缺乏對麻煩的振動(dòng)偏移的實(shí)時(shí)通知。大多數基于壓電陶瓷的傳感器也是如此，這些傳感器通常處于非常低的集成度（在某些情況下僅為傳感器），數據傳輸到其他地方以供以后分析。這些設備需要外部干預，因此為錯過(guò)事件/班次提供了機會(huì )。另一方面，自主傳感器處理系統包括傳感器、分析、存儲和報警功能，并且仍然足夠小，可以嵌入，提供最快的振動(dòng)偏移通知，以及顯示基于時(shí)間的趨勢的最佳能力。
了解數據
只有采用頻域分析，才能實(shí)現嵌入式傳感器實(shí)時(shí)通知的理想（如前所述）。任何給定的設備通常具有多個(gè)振動(dòng)源，例如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合，以及設計來(lái)源，例如鉆頭或機械壓力機在其正常運行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。對設備進(jìn)行基于時(shí)間的分析會(huì )產(chǎn)生復雜的波形，將多個(gè)源組合在一起，在FFT分析之前提供很少的可識別信息。大多數基于壓電陶瓷的傳感器解決方案依賴(lài)于FFT的外部計算和分析。這不僅消除了實(shí)時(shí)通知的可能性，而且還給設備開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了巨大的額外設計負擔。通過(guò)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(lái)源。鑒于完全集成和自主傳感器的完整性和簡(jiǎn)單性，這種完全集成的傳感器元件還可以將設備設計人員的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短 6 到 12 個(gè)月。
訪(fǎng)問(wèn)數據
嵌入式FFT分析假設模擬傳感器數據已經(jīng)過(guò)調理并轉換為數字數據，因此數據傳輸大大簡(jiǎn)化。事實(shí)上，目前使用的大多數振動(dòng)傳感器解決方案都是模擬輸出，導致傳輸過(guò)程中信號衰減，更不用說(shuō)已經(jīng)討論過(guò)的離線(xiàn)數據分析的復雜性。鑒于大多數需要振動(dòng)監測的工業(yè)設備往往存在于嘈雜、移動(dòng)、難以接近甚至危險的環(huán)境中，人們強烈希望不僅要降低接口布線(xiàn)的復雜性，還要在源頭執行盡可能多的數據分析，以盡可能準確地捕獲設備振動(dòng)的表示。
多少數據
許多現有的傳感器解決方案都是單軸壓電傳感器。這些壓電傳感器不提供方向性信息，因此限制了對設備振動(dòng)曲線(xiàn)的理解。缺乏方向性意味著(zhù)需要非常低噪聲的傳感器，這也會(huì )影響成本?；谌SMEMS的傳感器的可用性，如果每個(gè)軸的精度對齊，可以顯著(zhù)提高隔離振動(dòng)源的能力，同時(shí)可能降低成本。
探測點(diǎn)
傳感器的放置位置問(wèn)題至關(guān)重要，但高度依賴(lài)于設備類(lèi)型、環(huán)境甚至設備的生命周期。由于現有的高成本傳感器元件將探測點(diǎn)的數量限制在幾個(gè)或一個(gè)，因此放置更加關(guān)鍵。這意味著(zhù)要么需要大量的前期開(kāi)發(fā)時(shí)間，要么通過(guò)實(shí)驗確定最佳放置，要么在大多數情況下會(huì )導致要捕獲的數據的數量和質(zhì)量有所妥協(xié)。以現有成本的一小部分存在更完全集成的傳感器探頭，可以允許每個(gè)系統放置多個(gè)探頭，減少前期開(kāi)發(fā)時(shí)間/成本，或者只是更少和更便宜的傳感器。
設備生命周期轉變
無(wú)論采用何種技術(shù)，傳感器元件都是一個(gè)重要的考慮因素，但通常更關(guān)鍵的是傳感器信號調理和處理。信號調理和處理不僅特定于獨特的設備，而且特定于設備的生命周期。這轉化為傳感器設計中的幾個(gè)重要考慮因素。早期的模數轉換（即，在傳感器頭，而不是在設備外）允許在系統內配置/調整。理想的傳感器將提供一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過(guò)快速基線(xiàn)數據捕獲、過(guò)濾操作、警報編程和不同傳感器位置的實(shí)驗來(lái)簡(jiǎn)化設備設置。對于現有的簡(jiǎn)單傳感器，只要它們可在設備設置中配置，仍然必須在傳感器設置中做出一些妥協(xié)，以適應設備生命周期內維護問(wèn)題的變化。例如，傳感器是否應配置為設備故障可能性較小的早期使用壽命，還是在故障不僅可能而且可能更有害時(shí)配置為使用壽命結束？首選方法是系統內可編程傳感器，它允許對生命周期中的變化進(jìn)行配置。例如，在早期生命期間不經(jīng)常監測最低功耗;一旦觀(guān)察到偏移（警告閾值），則重新配置為頻繁（用戶(hù)編程周期）監控;除了對用戶(hù)編程的報警閾值進(jìn)行連續監控和中斷驅動(dòng)通知外。
識別變化/趨勢
之前關(guān)于使傳感器適應設備生命周期變化的討論在某種程度上取決于對基線(xiàn)設備響應的了解。即使是簡(jiǎn)單的模擬傳感器也可以做到這一點(diǎn)，假設操作員進(jìn)行測量，進(jìn)行離線(xiàn)分析，并將這些數據離線(xiàn)存儲，并正確標記到特定設備和探頭位置。一種首選且不易出錯的方法將允許在傳感器頭存儲基線(xiàn)FFT，從而消除任何錯放數據的可能性?；€(xiàn)數據還有助于建立報警級別，理想情況下，該級別將直接在傳感器上進(jìn)行編程，因此在檢測到警告或故障條件的任何后續數據分析/捕獲中，可以生成實(shí)時(shí)中斷。
文檔/可追溯性
在出廠(chǎng)設置中，適當的振動(dòng)分析程序可以通過(guò)手持式探頭或嵌入式傳感器監測數十甚至數百個(gè)位置。在給定的設備生命周期內，這可能會(huì )產(chǎn)生捕獲數千條記錄的需求。預測性維護計劃的完整性取決于與傳感器收集點(diǎn)的位置和時(shí)間的正確映射。為了獲得最低風(fēng)險和最有價(jià)值的數據，除了嵌入式存儲外，傳感器還應具有唯一的序列號和為數據添加時(shí)間戳的能力。
可靠性
前面的討論重點(diǎn)介紹了改進(jìn)現有基于傳感器的振動(dòng)監測方法的方法，以實(shí)現預測性維護。但是，如果傳感器出現故障（性能偏移），而不是設備，該怎么辦？或者，如果使用完全自主的傳感器（如理想情況所述）進(jìn)行操作，我們對傳感器繼續工作的信心有多大？對于許多現有的傳感器，例如基于壓電陶瓷的傳感器，這些情況存在嚴重的限制，因為簡(jiǎn)單的壓電傳感器無(wú)法提供系統內自檢。人們總是對隨時(shí)間記錄的數據的一致性缺乏信心，在報廢關(guān)鍵監控階段，實(shí)時(shí)故障通知對時(shí)間和成本至關(guān)重要，并且可能是一個(gè)重大的安全問(wèn)題，因此總是擔心傳感器可能無(wú)法正常工作。高置信度預測性維護計劃的一個(gè)基本要求是能夠遠程自檢傳感器。幸運的是，這可以通過(guò)一些基于MEMS的傳感器來(lái)實(shí)現。嵌入式數字自檢功能將縮小可靠振動(dòng)監測系統的最后差距。
ADI公司的ADIS16227是完全自主頻域振動(dòng)監測器的一個(gè)例子，能夠解決前面討論的所有十個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。ADIS16227具有嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和板載存儲功能，能夠識別和分類(lèi)各個(gè)振動(dòng)源，監控其隨時(shí)間的變化，并對可編程閾值電平做出反應。該器件提供可配置的頻譜報警頻段和窗口選項，允許通過(guò)配置6個(gè)頻段（警報1（警告閾值）和警報2（故障閾值）來(lái)分析全頻譜，以便更早、更準確地檢測問(wèn)題。其核心是基于MEMS的三軸寬帶寬（22 kHz諧振）傳感器，具有可配置的采樣率（高達100 kHz）和平均/抽取選項，可以更準確地評估微小的振動(dòng)曲線(xiàn)變化。MEMS傳感器提供數字自檢模式，為功能和數據完整性提供持續的信心。其緊湊的 15 mm 立方體配置完全嵌入且可編程，可以放置在靠近振動(dòng)源的位置，并以可重復的方式早期檢測小信號。這避免了由于使用手持設備進(jìn)行測量時(shí)的位置/耦合差異而導致的數據差異。
引入完全集成且可靠的振動(dòng)傳感器，具有自主和可配置操作的能力，使預測性維護計劃開(kāi)發(fā)人員能夠顯著(zhù)提高數據收集過(guò)程的質(zhì)量和完整性，而不受過(guò)去振動(dòng)分析方法的限制和妥協(xié)。憑借高集成度和簡(jiǎn)化的可編程接口，這些新型傳感器可以更輕松地采用振動(dòng)傳感，而以前僅限于少數具有數十年機器振動(dòng)分析經(jīng)驗的高技能技術(shù)人員。
(來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Bob Scannell）
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