關(guān)于利用無線振動傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)可靠過程監(jiān)控的技術(shù)點(diǎn)介紹

工廠自動化和總體效率理所當(dāng)然地受到巨大的關(guān)注，原因不僅是生產(chǎn)率提高(哪怕一點(diǎn)點(diǎn))能帶來正面效益，而 且同樣重要的是，它能降低或消除設(shè)備停工造成的嚴(yán)重?fù)p失?，F(xiàn)在，我們可以不用仰賴分析技術(shù)的進(jìn)步來洞察可用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以預(yù)測維護(hù)需求，或者簡單地依靠加強(qiáng)對技術(shù)人員的培訓(xùn)，而是可以通過檢測與無線傳輸技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)的分析和控制。

精密的工業(yè)生產(chǎn)過程(參見圖1)越來越依賴于電機(jī)和相關(guān)機(jī)械設(shè)備高效可靠、始終如一的運(yùn)作。機(jī)器設(shè)備的不平衡、缺陷、緊固件松動和其它異?，F(xiàn)象往往會轉(zhuǎn)化為振動，導(dǎo)致精度下降，并且引發(fā)安全問題。如果置之不理，除了性能和安全問題外，若導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)修理，也必然會帶來生產(chǎn)率損失。即使設(shè)備性能發(fā)生微小的改變,這通常很難及時(shí)預(yù)測，也會迅速轉(zhuǎn)化為重大的生產(chǎn)率損失。

眾所周知，過程監(jiān)控和基于狀態(tài)的預(yù)見性維護(hù)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(fù)雜性與其價(jià)值不相上下?，F(xiàn)有方法存在局限性，特別是涉及到分析振動數(shù)據(jù)(無論以何種方式獲得)和確定誤差源時(shí)。

圖1：工廠環(huán)境下的過程控制與維護(hù)自動化; 無線檢測網(wǎng)絡(luò)的高價(jià)值目標(biāo)

典型的數(shù)據(jù)收集方法包括安裝在機(jī)器上的簡單壓電式傳感器和手持?jǐn)?shù)據(jù)采集工具。這些方法有很多的限制，特別是與理想的可嵌入機(jī)器內(nèi)或表面并自主運(yùn)行的完全檢測與分析系統(tǒng)相比較時(shí)。這些限制以及與理想方案——一個(gè)自主的無線嵌入式傳感器——的比較將在這里進(jìn)一步探討。轉(zhuǎn)向完全嵌入和自主傳感元件復(fù)雜系統(tǒng)目標(biāo)選擇的分析可以拆分為十個(gè)單獨(dú)問題，包括制造高度可重復(fù)的測量、精確地評估所捕獲的數(shù)據(jù)，以及適當(dāng)?shù)奈臋n和可跟蹤性，其中的每一個(gè)問題都在下文有可用方法與理想方案的討論。

一、精確且可重復(fù)的測量

現(xiàn)有手持式振動探頭(參見圖2)在實(shí)現(xiàn)方法上具備一些優(yōu)勢,包括不需要對終端設(shè)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(jié)果不可重復(fù)。探頭位置或角度稍有改變，就會產(chǎn)生不一致的振動剖面,從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較。因此,維護(hù)技術(shù)人員首先需要弄清所觀察到的振動偏移是由機(jī)器內(nèi)部的實(shí) 際變化所致，還是僅僅因?yàn)闇y量技術(shù)的變化所致。理想情況下，傳感器應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)緊湊并且充分集成,能夠直接 永久性地嵌入目標(biāo)設(shè)備內(nèi)部，從而消除測量位置偏移問題,并且可以完全靈活地安排測量時(shí)間。

圖2. 現(xiàn)有的設(shè)備振動偏移監(jiān)控手動探頭方法缺乏可重復(fù)性和可靠性

二、測量的頻率和時(shí)間安排

在高價(jià)值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中，例如制造敏感電子器件時(shí)，過程監(jiān)控極為有益。這種情況下，裝配線的微小偏移不僅可能導(dǎo)致工廠生產(chǎn)率下降,而且可能使最終設(shè)備的關(guān)鍵規(guī)格發(fā)生偏移。手持式探頭方法的另一個(gè)明顯的局限是無法實(shí)時(shí)指出有問題的振動偏移。多數(shù)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(shù)據(jù)傳送到其它地方進(jìn)行分析。這些器件需要外部干預(yù)，因此可能會錯(cuò)過一些事件和振動 偏移。自治傳感器處理系統(tǒng)則不然,它內(nèi)置傳感器、分析、存儲和報(bào)警功能,同時(shí)仍然小到足以嵌入設(shè)備中，能夠在第一時(shí)間告知振動偏移,并且最佳地顯示基于時(shí)間的狀態(tài)趨勢。

三、了解數(shù)據(jù)

上述嵌入式傳感器發(fā)出實(shí)時(shí)通知的構(gòu)想，只有采用頻域分析才能實(shí)現(xiàn)。通常，任何設(shè)備都有多種振動源，如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合等，此外還有設(shè)計(jì)帶來的振動源,例如鉆孔機(jī)或壓制機(jī)在正常工作過程中產(chǎn)生的振動?；跁r(shí)間的分析會產(chǎn)生一個(gè)綜合所有這些振動源的復(fù)雜波形，在進(jìn)行FFT分析之前，它提供的信息難以辨別。多數(shù)壓電傳感器解決方案依賴外部FFT計(jì)算和分析。這不僅使得實(shí)時(shí)通知毫無可能,而且將大部分額外設(shè)計(jì)工作推給了設(shè)備開發(fā)商。但是，如果傳感器內(nèi)嵌FFT分析功能,就能即時(shí)確定振動偏移的具體來源。這樣一種完全集成的傳感器元件還能縮短設(shè)備開發(fā)商6到12個(gè)月的開發(fā)時(shí)間，因?yàn)樗δ芡陚?、簡單有效、自治工作?/p>

四、數(shù)據(jù)訪問和傳輸

嵌入式檢測能夠完美地提供精確實(shí)時(shí)的趨勢數(shù)據(jù)，但這并不會提高向遠(yuǎn)程過程控制器或操作員傳輸數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。嵌入式FFT分析的前提顯然也是模擬傳感器數(shù)據(jù)已經(jīng)過調(diào)理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便簡化數(shù)據(jù)傳輸。事實(shí)上，目前使用的多數(shù)振動傳感器解決方案僅提供模擬輸出,導(dǎo)致信號質(zhì)量在傳輸過程中降低，更不用說離線數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性(上文已討論)?？紤]到要求振動監(jiān)控的數(shù)工業(yè)設(shè)備往往存在于高噪聲、運(yùn)動、無法接近、甚至危險(xiǎn)的環(huán)境中,因此業(yè)界迫切希望降低接口線纜的復(fù)雜性，并且同樣在源端執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析工作，以便捕捉到盡可能準(zhǔn)確的設(shè)備振動狀態(tài)信息。具有無線傳輸能力的傳感器節(jié)點(diǎn)不僅有利于立即訪問，而且可大大簡化傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署并顯著降低成本。

五、數(shù)據(jù)方向性

現(xiàn)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,因而會限制我們對設(shè)備振動剖面 的了解。缺乏方向性導(dǎo)致需要噪聲非常低的傳感器以便提供所需的分辨能力,這又會影響成本。多軸MEMS傳感器則不同,如果各軸精密對準(zhǔn)，確定振動源的能力將 大幅提高，同時(shí)也有助于降低成本。

六、傳感器的位置和分布

設(shè)備的振動剖面非常復(fù)雜,隨時(shí)間而變化,并且還會因設(shè)備材料和位置不同而有所差異。確定在哪里放置傳感器當(dāng)然非常重要,其主要決定因素是設(shè)備類型、環(huán)境和設(shè)備的壽命周期。采用現(xiàn)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)問題顯得更加重要。這會導(dǎo)致前期開發(fā)時(shí)間顯著延長,因?yàn)樾枰ㄟ^反復(fù)實(shí)驗(yàn)來確定最佳位置。但在大多數(shù)情況下，其后果是采集的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量會受到影響。幸運(yùn)的是,現(xiàn)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(tǒng)可以放置多個(gè)探頭,從而縮短前期開發(fā)時(shí)間和成本，或者使用數(shù)量更少、成本更低的探頭就能滿足要求。

七、適應(yīng)壽命周期變化

手持式監(jiān)控系統(tǒng)方法可以根據(jù)時(shí)間變化(周期、數(shù)據(jù)量等)進(jìn)行調(diào)整，而要在嵌入式傳感器中提供同樣的基于壽命周期的調(diào)整,必須在前期設(shè)計(jì)和部署階段就給予關(guān)，實(shí)現(xiàn)所需的可調(diào)整功能。無論采用何種技術(shù)，傳感器元件都是很重要的，但更重要的是傳感器周圍的信號調(diào)理和處理電路。信號/傳感器調(diào)理和處理不僅取決于具體的設(shè)備，而且取決于設(shè)備的壽命周期。這在傳感器設(shè)計(jì)中涉及到多種重要考慮因素。首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換處理最好盡早進(jìn)行(在傳感器頭部,而不是在設(shè)備之外)，以便支持系統(tǒng)內(nèi)配置和調(diào)整。理想的傳感器應(yīng)提供一個(gè)簡單的可編程接口，通過快速基線數(shù)據(jù)采集來簡化設(shè)備設(shè)置、濾波操作、報(bào)警編程和不同傳感器位置的試驗(yàn)。對于現(xiàn)有的簡單傳感器，即使它們可以在設(shè)備設(shè)置時(shí)進(jìn)行配置,但傳感器設(shè)置仍然必須做出一些犧牲，以便適應(yīng)設(shè)備在整個(gè)壽命期間的維護(hù)重點(diǎn)的變化。例如,傳感器應(yīng)針對設(shè)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(tǒng)內(nèi)編程的傳感器，以便隨著壽命周期的變化而調(diào)整配置。例如,早期的監(jiān)控相對比較稀疏，功耗最低；觀察到變化(警告閾值)后，重新配置為頻繁監(jiān)控模式(監(jiān)控周期由用戶設(shè)置)；除了連續(xù)監(jiān)控以外, 還根據(jù)用戶設(shè)置的報(bào)警閾值提供中斷驅(qū)動的通知。

八、性能變化/趨勢的識別

傳感器適應(yīng)設(shè)備壽命周期中的變化，在一定程度上取決于對基線設(shè)備響應(yīng)的了解。利用簡單的模擬傳感器就能獲得基線設(shè)備響應(yīng)，即讓操作人員進(jìn)行測量，執(zhí)行離線分析,并將此數(shù)據(jù)與適當(dāng)?shù)臉?biāo)志一起離線存儲在特定設(shè)備和探頭位置上。更好且更不易出錯(cuò)的方法是將基線FFT存儲在傳感器頭部，這樣數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不會誤放?；€數(shù)據(jù)還有助于確定報(bào)警電平，該值最好也是直接在傳感器上編程設(shè)置，以便在隨后的數(shù)據(jù)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。

九、數(shù)據(jù)可追溯性和文檔記錄

在工廠環(huán)境中，一個(gè)適用的振動分析程序可能要監(jiān)控?cái)?shù)十甚至數(shù)百個(gè)位置，無論是通過手持式探頭還是通過嵌入式傳感器。在一臺設(shè)備的整個(gè)壽命周期中，可能需要獲得成千上萬條記錄。預(yù)見性維護(hù)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(dāng)映射。為將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，以及獲得最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，傳感器應(yīng)具有唯一的序列號和嵌入式存儲器，并且能夠給數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳。

十、可靠性

上文重點(diǎn)討論了現(xiàn)有針對過程控制和預(yù)見性維護(hù)相關(guān)的傳感器振動監(jiān)控方法的改善之道。就容錯(cuò)和監(jiān)控而言，還應(yīng)當(dāng)細(xì)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(shè)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(xù)正常工作能有多大信心呢？對于許多現(xiàn)有傳感器，如壓電傳感器等，這種情況確實(shí)會造成嚴(yán)重的限制,因?yàn)樗鼈儫o法提供任何系統(tǒng)內(nèi)自測功能。隨著時(shí)間的推移,必然會對所記錄數(shù)據(jù)的一致性缺乏信心。在設(shè)備壽命晚期的關(guān)鍵監(jiān)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)。高可信度過程控制程序的基本要求是能夠?qū)鞲衅鬟M(jìn)行遠(yuǎn)程自測。幸運(yùn)的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點(diǎn)。嵌入式數(shù)字自測能力就此填補(bǔ)了可靠振動監(jiān)控系統(tǒng)的最后空白。

ADI公司的ADIS16229就是一款完全自治的無線頻域振動監(jiān)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源并進(jìn)行歸類,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)。該器件提 供可配置的報(bào)警頻段和窗口選項(xiàng),支持對全頻譜進(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),從而更早、更精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)問題。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(xiàng)支持更精確地評估細(xì)微的振動剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測模式,讓我們對其功能和數(shù)據(jù)完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且 可編程,可以放在振動源附近,并且能以可重復(fù)的方式及早檢測小信號,避免了使用手持式設(shè)備時(shí)各次測量之間由于位置/耦合差異而存在數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。

圖3. MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)(ADIS16229)通過928MHzRF鏈路連接到網(wǎng)關(guān)控制器(ADIS16000)

圖4. 6個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)自治檢測/收集/處理數(shù)據(jù)并無線傳輸?shù)街醒肟刂破鞴?jié)點(diǎn)

該MEMS傳感器提供數(shù)字自測模式,讓我們對其功能和數(shù)據(jù)完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程,可以放在振動源附近，并且能以可重復(fù)的方式及早檢測小信號，避免了使用手持式設(shè)備時(shí)各次測量之 間由于位置/耦合差異而存在數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。

862MHz/928 MHz專有無線協(xié)議接口允許將ADIS16229 傳感器節(jié)點(diǎn)放在遠(yuǎn)端位置,獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)ADIS16000 (參見圖3)則為系統(tǒng)控制設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)SPI接口。如圖4所示,通過該網(wǎng)關(guān)最多可控制6個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。

隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動傳感器的出現(xiàn),預(yù)見性維護(hù)程序開發(fā)人員終于能夠擺脫以往振動分析方法的限制和不足，大幅提高數(shù)據(jù)采集過程的質(zhì)量和完整性。利用這些提供高集成度和簡化可編程無線接口的傳感器,以前只有少數(shù)具備數(shù)十年機(jī)器振動分析經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家才能駕馭的振動檢測工作，現(xiàn)在一般技術(shù)人員就能輕松勝任,有助于振動檢測應(yīng)用的推廣。

這種完全集成的傳感器不需要改造線路和基礎(chǔ)設(shè)施,能夠更精確可靠地檢測性能變化,為大幅降低前期開發(fā)和循環(huán)維護(hù)成本提供了機(jī)會。