MEMS傳感器技術(shù)優(yōu)化制造業(yè)預(yù)測(cè)維護(hù)手段

在工業(yè)制造運(yùn)營(yíng)中，被動(dòng)的設(shè)備維修是造成生產(chǎn)能力喪失的一個(gè)主要因素，這種維修本來(lái)是可以避免的。平均售價(jià)僅幾美元的零部件，一旦發(fā)生故障，維修成本和由此導(dǎo)致的收入損失可能是其售價(jià)的好多倍。在最不利的情況下，未檢測(cè)到的故障可能在系統(tǒng)中引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積損壞，觸發(fā)生產(chǎn)停運(yùn)，造成慘痛損失。傳統(tǒng)上，制造商借助預(yù)防措施來(lái)保持生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

相比事后維修，預(yù)防維護(hù)是一大進(jìn)步，但與其相關(guān)的服務(wù)合同成本高昂，而且其確保設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行的能力也是有限的?？紤]讓一臺(tái)200英尺風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子軸承。緊急維修和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的成本會(huì)非常高，甚至可能有危險(xiǎn)，因?yàn)榧夹g(shù)人員需要在高空作業(yè)。另外，如果該渦輪機(jī)接入到本地市政電網(wǎng)，計(jì)劃之外的停機(jī)可能引起能源生產(chǎn)損失，甚至電力服務(wù)中斷。

一種新的工業(yè)檢測(cè)技術(shù)正在幫助制造商們優(yōu)化設(shè)備，它通過(guò)預(yù)測(cè)維護(hù)手段來(lái)預(yù)料零部件故障。雖然工業(yè)檢測(cè)的形式有很多，但振動(dòng)檢測(cè)可能是最有效且最經(jīng)濟(jì)的。根據(jù)Lindsay Engineering(一家位于美國(guó)加州卡馬里奧的預(yù)測(cè)維護(hù)產(chǎn)品和服務(wù)提供商)的研究，振動(dòng)檢測(cè)的投資回報(bào)是定期更換齒輪或電機(jī)油等措施的投資回報(bào)的三倍(參見(jiàn)圖1)。

圖1. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的典型振動(dòng)頻率范圍是6 KHz到10 KHz

振動(dòng)分析的優(yōu)勢(shì)

振動(dòng)分析常用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，用以檢測(cè)可能引起振動(dòng)變化的軸承松動(dòng)或磨損、設(shè)備未對(duì)準(zhǔn)、液位偏低等。通常，這種振動(dòng)的頻率介于6 kHz到10 kHz。在更高頻率也有一些數(shù)據(jù)可用，但受限于響應(yīng)幅度而非常難以測(cè)量，并且需要超聲等成本高昂的技術(shù)。通過(guò)測(cè)量該頻率范圍并監(jiān)控響應(yīng)的變化，制造商可以安排維護(hù)時(shí)間，或者在零部件損壞達(dá)到一定程度之前的最有利時(shí)間關(guān)停設(shè)備，防止損失引起更大的次生系統(tǒng)故障。

另外還可以利用各種統(tǒng)計(jì)公式來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)壽命，例如平均無(wú)故障時(shí)間(MTTF)和平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。利用這些公式和來(lái)自系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，客戶便可直接處理潛在問(wèn)題。例如，通過(guò)MTTF，您發(fā)現(xiàn)某種軸承的失效率較高。您可以利用振動(dòng)傳感器來(lái)密切監(jiān)視該特定機(jī)器和軸承，確保失效不會(huì)發(fā)生。

實(shí)現(xiàn)工業(yè)振動(dòng)檢測(cè)的最常見(jiàn)方式有兩種：一是用傳感器系統(tǒng)改造現(xiàn)有設(shè)備；二是與第三方服務(wù)商簽約，按照計(jì)劃定期執(zhí)行設(shè)備測(cè)試。后一種方案的成本可能很高，而且定期檢查的效果比不上直接將傳感器安裝在設(shè)備上。利用系統(tǒng)安裝方法，制造商可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，但也存在傳統(tǒng)上的限制。

當(dāng)今大部分振動(dòng)傳感器的典型工作帶寬低于5 kHz，比檢測(cè)大多數(shù)設(shè)備故障所需的頻率要低一大截。另外，常規(guī)傳感器大多基于高壓壓電技術(shù)，需要體積很大的金屬罐封裝，而且要求頻繁校準(zhǔn)，不太容易大批量生產(chǎn)。還有一個(gè)問(wèn)題是，其集成度通常較低，需要經(jīng)過(guò)大量外部調(diào)理和處理才能提取有用信息。

MEMS方法

業(yè)界越來(lái)越需要其它能夠更早檢測(cè)到預(yù)測(cè)維護(hù)征兆且成本更低的方法，因此，基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的振動(dòng)傳感器正在成為替代常規(guī)檢測(cè)的重要方法。更重要的是，任何替代方案都必須以更高和更寬的頻率范圍工作，這是早期檢測(cè)的關(guān)健。ADI公司提供一系列寬帶寬MEMS傳感器(ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227)，其具有22 kHz諧振帶寬和高采樣速率，是機(jī)器健康檢測(cè)應(yīng)用的理想選擇。利用這些傳感器，系統(tǒng)操作員可以及早發(fā)現(xiàn)要失效的設(shè)備，避免遭受重大損失。

振動(dòng)監(jiān)控錯(cuò)綜復(fù)雜，準(zhǔn)確捕捉振動(dòng)剖面并正確解讀數(shù)據(jù)更是需要高度復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。對(duì)于許多希望實(shí)施振動(dòng)監(jiān)控的廠商，最佳解決方案遠(yuǎn)不限于傳感器元件。復(fù)雜性的很大一部分在于數(shù)據(jù)分析，對(duì)設(shè)備的典型時(shí)基分析會(huì)產(chǎn)生一個(gè)包含多種誤差源的復(fù)雜波形，只有經(jīng)過(guò)FFT分析之后才能獲得可以分辨的信息。

多數(shù)壓電傳感器解決方案依賴外部FFT計(jì)算和分析。這種方法不僅使得實(shí)時(shí)通知毫無(wú)可能，而且大大增加了設(shè)備開(kāi)發(fā)商的設(shè)計(jì)工作量。像ADI公司的ADIS16227等專(zhuān)業(yè)化MEMS傳感器降低了這種復(fù)雜性，其提供嵌入式頻域處理和512點(diǎn)實(shí)值FFT，片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各種振動(dòng)源并進(jìn)行歸類(lèi)，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

該器件還具有可配置的報(bào)警頻段和窗選項(xiàng)，支持對(duì)全頻譜進(jìn)行分析，并配置6個(gè)頻段、報(bào)警1(警告閾值)和報(bào)警2(故障閾值)，以便能夠更早、更精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

為了確保準(zhǔn)確捕捉數(shù)據(jù)，人們強(qiáng)烈要求實(shí)現(xiàn)嵌入式和自主檢測(cè)。集成度合適的話(即集成傳感器分析、存儲(chǔ)器和報(bào)警功能)，傳感器系統(tǒng)可以嵌入到離潛在誤差源更近的地方，從而更準(zhǔn)確地反映機(jī)器振動(dòng)情況，并顯著降低接口復(fù)雜度，如線纜連接、場(chǎng)外分析和數(shù)據(jù)捕捉計(jì)劃等。ADIS16227等器件是完整的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳感器處理解決方案，用戶可通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI)獲得經(jīng)處理的寬帶寬傳感器數(shù)據(jù)。這些器件可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，并在達(dá)到用戶設(shè)置的報(bào)警閾值時(shí)提供中斷驅(qū)動(dòng)的通知。如果關(guān)心功耗，它們還能按照用戶制定的計(jì)劃定期喚醒和記錄。

圖2. 諸如ADI公司的ADIS16227等MEMS傳感器可以在高達(dá)22 kHz的頻率檢測(cè)零部件故障，從而提供關(guān)于設(shè)備故障的早期預(yù)警