RECOM技術(shù)應(yīng)用：狀態(tài)檢測(cè)傳感器供電

有效地維護(hù)復(fù)雜的工業(yè)過程對(duì)保持生產(chǎn)力和降低成本至關(guān)重要。狀態(tài)檢測(cè) （CBM） 是定期維護(hù)計(jì)劃的替代方案，使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生之前監(jiān)測(cè)性能上的惡化趨勢(shì)。本文將探討這個(gè)主題，并為傳感器節(jié)點(diǎn)推薦合適的電源模塊。

發(fā)展中國(guó)家正朝向高水平的工業(yè)自動(dòng)化邁進(jìn)，以高靈活性和低成本實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出。同樣地，數(shù)據(jù)中心、配送倉(cāng)庫(kù)和基礎(chǔ)設(shè)施的目標(biāo)是在幾乎沒有人工的情況下「關(guān)燈」運(yùn)作 （無人工廠） 以減少人工費(fèi)用。「工業(yè) 4.0」或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 是其中不可或缺的一環(huán)，將智能推至流程的「邊緣」，靠近需要監(jiān)控和控制的位置來加快反應(yīng)時(shí)間，因此在監(jiān)控和傳感器與中央控制之間需要一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。這可能是通過「云端」，經(jīng)由收集和分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)套進(jìn)控制算法來優(yōu)化所謂的智能工廠的流程。

智能工廠的好處有很多，不但可以實(shí)現(xiàn)低成本的產(chǎn)品和服務(wù)還能大幅減少能源消耗。但如果出現(xiàn)問題該怎么辦？我們?cè)谶@里不是在談?wù)摗笝C(jī)器的崛起」，只是在談一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械損壞，或因?yàn)樵馐苡钪嫔渚€干擾而導(dǎo)致處理器虛假故障，又或者無數(shù)種原因所造成的「偶然故障」。全球大部分電力基礎(chǔ)設(shè)施的使用年限超過 25 年，因此不斷升高的故障率令人擔(dān)憂?；诖?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供關(guān)鍵器件所需的冗余以應(yīng)付單一或雙重故障，根據(jù)不同的應(yīng)用選擇大余量器件來實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。然而，「磨損」是機(jī)械部件甚至電子產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)，電容器會(huì)變干老化、浪涌限制器會(huì)受損，而半導(dǎo)體會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生晶格缺陷。

必須持續(xù)維護(hù)

我們可以等待故障發(fā)生之后從源頭解決問題，采取「如果沒壞就別修」的態(tài)度，但是故障很少只在方便的時(shí)候才發(fā)生。 這種「矯正」維護(hù)對(duì)非關(guān)鍵功能是一種很有吸引力的方法，例如照明燈具組有一個(gè) LED 熔斷，或者就如我們之前多重冗余系統(tǒng)的例子，系統(tǒng)不會(huì)受到單一故障的影響。當(dāng)然這個(gè)前提是您必須知道故障發(fā)生了，因此監(jiān)控是關(guān)鍵。無時(shí)無刻都要確保充足的零件庫(kù)存和人力，也必須隨時(shí)待命「以防萬一」。

大多數(shù)的流程為了更好地保持生產(chǎn)量依靠定期的「預(yù)防性」維護(hù)和檢查。簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)要定期更換過濾器和機(jī)油、檢查軸承或調(diào)整間隙等。在電子產(chǎn)品方面，可能會(huì)更換正常運(yùn)作但老舊的保險(xiǎn)絲、避雷器和電解電容器。決定何時(shí)采取行動(dòng)并不容易，太晚執(zhí)行可能導(dǎo)致破壞性故障，太早更換可能將好的零件丟棄造成不必要的工作和成本浪費(fèi)。因此時(shí)間安排是一個(gè)挑戰(zhàn)，根據(jù)使用時(shí)間、使用情況或只是靠直覺和經(jīng)驗(yàn)來安排工作。高可用性系統(tǒng)通常會(huì)進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析 （FMECA），在科學(xué)的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)故障頻率及影響。這樣可以盡可能減少零件庫(kù)存并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間安排維護(hù)工作。

以狀態(tài)為基礎(chǔ)的維護(hù)是理想的做法

面對(duì)大型又復(fù)雜的流程時(shí)很難準(zhǔn)確設(shè)定預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，因此替代方案是狀態(tài)維護(hù)（CBM）。根據(jù)量測(cè)后的剩余使用壽命來進(jìn)行更換或調(diào)整才是理想的方式。這包含了解零件的當(dāng)前狀況，雖然它仍表現(xiàn)良好但已經(jīng)開始進(jìn)入「磨損」階段。例如，今天機(jī)油濾清器可能有足夠的潤(rùn)滑油流量，但損失 10% 的過濾效果，但如果您知道損失 50% 是不可以的并且還要 10 周才會(huì)達(dá)到這個(gè)狀態(tài)，那么您可以安排在 8 周后更換。同樣地，實(shí)時(shí)分析電機(jī)或機(jī)器振動(dòng)特征的變化就可以推算軸承何時(shí)會(huì)發(fā)生故障。

性能變化和趨勢(shì)能通過偵測(cè)獲得參數(shù)，例如液位變化、振動(dòng)特征、非接觸式溫度測(cè)量的紅外熱成像、油混濁度、電源設(shè)備的電流和電壓特征、超聲波泄漏檢測(cè)、電弧和電暈的臭氧傳感器 等。如果在現(xiàn)有的系統(tǒng)上實(shí)施 CBM，增加這種級(jí)別的密集監(jiān)測(cè)的成本在短期看來可能令人卻步，但長(zhǎng)期下來的節(jié)省是非常明確的。幸運(yùn)的是，實(shí)施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的排程和優(yōu)化也會(huì)產(chǎn)出數(shù)據(jù)給 CBM 分析。CBM 所需的任何傳感器特定功能都相對(duì)容易連接到在現(xiàn)有流程邊緣的處理器節(jié)點(diǎn)。CBM 數(shù)據(jù)在本質(zhì)上變化緩慢，而且增加到IIoT計(jì)算和通信的要求小到可以忽略不計(jì)，無論是有線或無線。維護(hù)制度的不同如圖 1 所示。

圖 1：維護(hù)制度對(duì)過程性能和可靠性的影響

CBM 需要為傳感器提供可靠的電源

IIoT 節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)有遠(yuǎn)程傳感器及數(shù)據(jù)接口所需的電源，可能來自有線直流電源、車載電池、本地能量收集器或 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。傳感器、IIoT 節(jié)點(diǎn)及電源所處的環(huán)境可能惡劣且多變，每當(dāng)重型機(jī)械啟動(dòng)或停止時(shí)都會(huì)出現(xiàn)高電涌，因此需要對(duì)直流和交流電源進(jìn)行隔離。此外，當(dāng)過程本身退化，比如有更高的溫度和振動(dòng)水平，此時(shí)監(jiān)控功能必須繼續(xù)可靠工作，因?yàn)槿绻?CBM 本身需要定期維護(hù)或使用壽命很有限，那就毫無意義了。因此CBM的穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其電源轉(zhuǎn)換器必須有高效率、低能耗低和低熱應(yīng)力才不會(huì)縮短使用壽命。

RECOM 的 RxxCT（E）xx 系列是一款具有高環(huán)境溫度額定值（最高 140°C）的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器， 5V標(biāo)稱輸入轉(zhuǎn)5V 或 3.3V 輸出，功率為 0.5W 或 1W，全在一個(gè)薄型 SOIC-16 封裝中實(shí)現(xiàn)。輸出電壓與有源傳感器和微控制器或數(shù)據(jù)分析的 DSP 前端兼容。隔離式 CANBusTM、MODBus TM 或 PROFIBusTM 接口電源提供 5kVac 增強(qiáng)隔離，應(yīng)用要求不高時(shí)也可以選擇基本隔離3kVDC的版本。

如果可用電源變化很大，例如為電池充電的太陽(yáng)能，則需要穩(wěn)壓直流輸出。簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器的效率太低會(huì)很快耗盡電池電量。在這種情況下，RECOM 的 R-78Exx-1.0 是理想的開關(guān)穩(wěn)壓器模塊，在戶外的太陽(yáng)能應(yīng)用中效率高達(dá) 97% 也適合用來監(jiān)測(cè)移動(dòng)設(shè)備，例如鐵路車軸軸承。

使用本地 AC 電源的節(jié)點(diǎn)電源的解決方案通常選擇小型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，有時(shí)可達(dá)277VAC。這些可以與即將推出的 IO-Link 工業(yè)傳感器系統(tǒng)結(jié)合使用，這是一種使用標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器的數(shù)字雙向串行接口。該系統(tǒng)需要 24V且每個(gè)節(jié)點(diǎn)最大負(fù)載為 410mA，因此RECOM 的RAC10、RAC20 和 RACM40 系列的板載 AC/DC 轉(zhuǎn)換器符合四個(gè) IO-Link 端口的 40W 要求。較低功率的 RAC03 系列還能用在無線連接過程控制器，可以遠(yuǎn)程控制過程并在溫度超規(guī)時(shí)發(fā)出信號(hào)。

圖 2 所示的例子在完成制造后的體積僅 40x25x25mm。過程反饋不僅限于溫度；噪聲、流體流量或氣體傳感器可以很容易地結(jié)合在一起。

圖 2：小型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器為傳感器、微控制器和雙向無線電路供電

氣體泄漏、噪聲和 IR 溫度傳感器一般是安裝在天花板上，照明電路提供合適的交流電源 115V、230V 或 277VAC，即480V 三相系統(tǒng)中的相電壓。使用遠(yuǎn)程 LPWAN 無線電（LoRa、sigfox、KNX-RF 等）或蜂窩網(wǎng)絡(luò)（5G、NB-IoT、GSM 等）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于功率要求通常較低，因此RECOM的通用輸入、5W板載 RAC05-K/277 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

為了達(dá)到自治的目標(biāo)，一些傳感器節(jié)點(diǎn)可以由收集能源供電，這有可能是太陽(yáng)能也可能是聲學(xué)、射頻、振動(dòng)或溫度梯度。電壓源可能非常低因此需要高效的電源轉(zhuǎn)換以升壓至適合傳感器和處理器的電壓。RECOM REH-3-31.8 模塊專為這項(xiàng)工作而設(shè)計(jì)，可在低至 50mV 的輸入電壓下運(yùn)行同時(shí)實(shí)現(xiàn)3.3V/1.8V 雙輸出。該部件包括光伏電池的最大功率點(diǎn) （MPP） 追蹤功能，并可與電池或超級(jí)電容器耦合以進(jìn)行能量存儲(chǔ)。

狀態(tài)監(jiān)控是一個(gè)以最低成本保持過程可用性的理想方式，同時(shí)容易與 IIoT 結(jié)合在一起。可靠且經(jīng)濟(jì)的電源轉(zhuǎn)換是 CBM 的重要元素，RECOM 提供的各種產(chǎn)品組合能滿足應(yīng)用的所有要求。