無線加速計和溫度傳感器可簡化 IIoT 機器監(jiān)控能力的部署

作者：Art Pini

機械監(jiān)測是一項眾所周知的工廠機械維護技術(shù)，它是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 或工業(yè) 4.0計劃的主要組成部分。該計劃正在推動更高水平的自動化，包括提高生產(chǎn)作業(yè)和分布式信號處理中的數(shù)據(jù)交換水平。IIoT的一個要素是擴展測量和記錄大量工作參數(shù)數(shù)據(jù)的能力，這些參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)機械的振動水平和溫度。這樣就可以了解機器的當(dāng)前狀態(tài)，并洞悉即將發(fā)生的故障機理，從而實現(xiàn)計劃性維護，而避免災(zāi)難性故障。

IIoT 的“障礙”是需要在整個工廠車間或外部設(shè)施（例如石油鉆機或天然氣管道和儲存設(shè)施）的多臺機器上安裝和連接加速計、溫度和其他傳感器。

接線問題的解決方法是使用智能無線傳感器，收集并組合振動和溫度數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)通過低功耗、大覆蓋范圍的廣域網(wǎng)鏈接至控制室或云。為基于邊緣的處理增加內(nèi)置計算功能，有助于解讀所有數(shù)據(jù)并僅傳輸必要的數(shù)據(jù)，從而讓設(shè)計人員可以利用IIoT 的全部優(yōu)勢。

本文首先討論機器維護基礎(chǔ)知識，接著介紹來自 TE Connectivity Measurement Specialties
的無線加速計/溫度傳感器。然后說明如何選擇和應(yīng)用這些器件。

為什么機器維護至關(guān)重要

工廠車間中的機器需要保持運轉(zhuǎn)，以確保不會出現(xiàn)中斷和成本高昂或災(zāi)難性的停機。這就要求對關(guān)鍵機器進行主動或被動的維護和維修。尤其關(guān)注工業(yè) 4.0的現(xiàn)代制造商往往會主動出擊，將關(guān)鍵路徑上的機器納入預(yù)防性維護計劃。這需要檢測、記錄數(shù)據(jù)和分析機器的關(guān)鍵參數(shù)，如振動水平和溫度，這些參數(shù)是機器當(dāng)前運行狀態(tài)的關(guān)鍵指標。這就要求將所有機器相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制室、云或其他中心位置，以進行監(jiān)測和分析。過去，這是通過在受監(jiān)測機器與控制室之間布設(shè)電纜來實現(xiàn)。這種方法成本高昂，并且需要大量的維護工作。IIoT的發(fā)展使機器到控制室的傳感器不再需要硬接線，取而代之的是網(wǎng)絡(luò)無線連接。

下面以一個傳統(tǒng)機器監(jiān)測應(yīng)用為例：一臺配備加速度計的典型機器。來自變送器的所有振動數(shù)據(jù)都會傳送至控制室，并分析是否有任何非常明顯的問題，而且可以存檔以供參考，以分析表明需要維護的長期變化。請考慮一下從安裝在風(fēng)扇框架上的加速計獲得的三葉冷卻風(fēng)扇振動特征（圖1）。

加速計信號顯示在右側(cè)網(wǎng)格中。這是一項時間記錄，顯示了以 gs 為單位的加速度與時間的關(guān)系，并包含 100，000個樣本。加速計的輸出是電信號，其比例系數(shù)或靈敏度為每 g 100 毫伏 （mV/g）。該電壓信號經(jīng)測量儀器重調(diào)，從而以 gs 讀取。

加速度時間記錄看似隨機，但是通過執(zhí)行快速傅里葉變換 （FFT）并將加速度信號視為頻率的函數(shù)（頻譜），如左側(cè)網(wǎng)格所示，解讀會變得更加清晰。該頻譜描繪了信號線性幅度 （gs） 與頻率 （Hz）之間的關(guān)系。該頻譜上標記了七個峰。這些峰與風(fēng)扇的特性（即轉(zhuǎn)速和電源線頻率）有關(guān)。

27.8 Hz 處的峰（左起第二個）是風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速，27.8 Hz 對應(yīng)于每分鐘 1，668 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。此外，還標出了 55.6、83.6 和194.7 Hz 處的轉(zhuǎn)速諧波，這些信號的相對電平指示諸如機械松動等問題。83.6 Hz
處的三次諧波具有更高的幅度，因為它也是葉片通過頻率。電機每次轉(zhuǎn)動引起振動時，風(fēng)扇葉片會通過支撐結(jié)構(gòu)三次。這加入到旋轉(zhuǎn)的三次諧波中，使其幅度高于其他諧波。120 Hz 處的大峰值歸因于感應(yīng)電機的旋轉(zhuǎn)磁場。其在 92 和 148 Hz 處具有來自機械旋轉(zhuǎn)的邊帶。

很明顯，F(xiàn)FT 大幅減少了必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。振動信號的 100，000個樣本可以分解為此機器需要傳輸?shù)钠邆€關(guān)鍵峰。如果此處理在變送器中進行，則僅需要發(fā)送有關(guān)譜峰的信息，從而降低通信通道上的負載。

加速計

加速計是一種振動傳感器，其產(chǎn)生與機械加速度成比例的電壓輸出。壓電式加速計使用已知質(zhì)量來壓縮壓電元件，例如陶瓷或石英元件，以產(chǎn)生與傳感器加速度成比例的電壓。無線壓電式加速計的示例包括
TE Connectivity Measurement Specialties 的型號 8911-A 和8911-E。這些單一的電池供電器件將兩個傳感器、數(shù)據(jù)收集器、數(shù)字信號處理器和無線電組合到一個緊湊型器件中，可同時測量振動和溫度（圖 2）。

加速計的最大加速度范圍為 ±50 g，靈敏度為 100 mV/g，以及大于 10 千赫 （kHz） 的 ±1 分貝 （dB）帶寬。所有這些均包含在環(huán)境密封的不銹鋼和聚合物外殼中，工作溫度范圍為 -20° 至 60°C。該加速計由一節(jié)可更換的 3 伏 CR123 電池供電。

微處理器負責(zé)運行控制和振動數(shù)據(jù)的信號處理。溫度數(shù)據(jù)來自微處理器中的嵌入式溫度傳感器。微處理器對獲取的振動數(shù)據(jù)執(zhí)行 FFT 分析。FFT的評估顯示了振動數(shù)據(jù)中八個最重要加速度峰值的中心頻率、峰值幅度和總頻譜含量百分比。如前所述，峰值頻率和幅度是機器診斷所需的關(guān)鍵參數(shù)。若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減少，則可減少通信信道帶寬、增加覆蓋范圍并降低8911 加速計的功耗。該加速計的典型電池壽命為五年。如此長的電池壽命減少了加速計的必要維護工作，這是一種非常理想的情況。

通信通道

該加速計使用 LoRaWAN A 類通信協(xié)議，該協(xié)議在歐洲利用 868 兆赫茲 （MHz） （8911-E）、在美國利用 915 MHz （8911-A）無牌照無線電頻率。LoRaWAN A 類協(xié)議提供了一種簡單、可靠且安全的通信通道，允許將機械診斷擴展至禁止安裝有線系統(tǒng)的工廠區(qū)域。

LoRaWAN 是 LoRa 聯(lián)盟所管理的開放標準。采用的是來自 Semtech Corporation的專有擴頻技術(shù)。該標準使用可輕松生成的調(diào)頻式“啁啾”來產(chǎn)生具有高抗擾度的擴頻信道，能夠提供 5 至 15 公里 （km）的可靠通信范圍。根據(jù)范圍的不同，數(shù)據(jù)速率可高達 50 kbps。

8911
無線加速計能夠進行雙向通信。除了傳輸振動和溫度測量值，變送器還可以接收遠程控制信號，從而可將加速計的采樣周期設(shè)置為每分鐘一次到每天一次。工作時，8911加速計會在啟動時執(zhí)行自診斷程序。然后，它會嘗試使用空中激活 （OTAA） 加入 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。該器件將在內(nèi)部“加入”計時器的控制下，按照預(yù)先計劃的時間表重復(fù)這一操作。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，它將進入采樣模式并開始處理振動和溫度數(shù)據(jù)。

程序化的工作流程包括采集振動信號、對采集到的信號進行 FFT、檢測并提取重要的振動峰，最后將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)。

使用的數(shù)據(jù)協(xié)議是固定的（圖 3）。

電池狀態(tài)是所傳輸?shù)牡谝粋€數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是電池容量，以百分比為單位。緊隨其后的是 FFT頻譜峰值的數(shù)目，當(dāng)前設(shè)置為八個。第三個數(shù)據(jù)元素是溫度，以兩個字節(jié)發(fā)送。接下來，發(fā)送所測頻段中的總頻譜能量，同樣為兩個字節(jié)。積分大小與在峰值檢測算法中確定的峰寬有關(guān)，還是兩個字節(jié)。然后是峰值數(shù)據(jù)，從第一個峰開始：兩個字節(jié)代表頻率，兩個字節(jié)代表幅度，然后是一個字節(jié)代表該峰值幅度與總頻譜幅度之比。對于剩余的七個峰值，每一個都會重復(fù)最后三個數(shù)據(jù)值。同樣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，因此電池壽命長，所需通信帶寬窄。

使用加速計

加速計可采用任何方向安裝；常見的安裝方向是垂直或水平。加速計可使用三種方法中的任何一種安裝到機器上（圖 4）。加速計的底座帶有 ?-28 NF螺紋，可使用制造商提供的三種雙螺柱（?-28：?-28、?-28:M6 或?-28:M5）中的任何一種來安裝。此外，還有粘合安裝螺柱和磁吸安裝螺柱。在所有情況下，加速計都必須牢固安裝，因為任何松動都會影響振動測量。

粘合劑安裝需要具有機械剛性的粘合劑。不建議使用壓敏粘合劑或泡棉膠帶，因為柔性安裝會導(dǎo)致加速度讀數(shù)錯誤。推薦使用會在機械上“固化”的環(huán)氧或氰基丙烯酸酯粘合劑。

磁吸安裝的拉力為 30 lb，與鐵類材料制成的機架兼容。

傳感器控件和狀態(tài)指示燈

傳感器具有一個復(fù)位按鈕和兩個 LED（一個藍色和一個紅色），用于指示其狀態(tài)。透過聚合物蓋可看到這兩個LED。擰下聚合物蓋即可接觸這些控件和指示器。

傳感器上的按鈕將在變送器工作周期的任何時間點，自動啟動新的捕獲和數(shù)據(jù)分析。

藍色 LED 指示燈點亮 2 秒，表示傳感器已成功啟動并加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)。然后，每當(dāng)成功傳輸并確認傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，它會閃爍。

如果傳感器無法加入網(wǎng)絡(luò)，則紅色 LED 會點亮 2 秒。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包未確認，它也會閃爍。

結(jié)語

工廠自動化工程師和設(shè)計人員在為 IIoT 做準備時，需要一種快速有效的方法來為設(shè)備裝備監(jiān)測功能。如上所述，8911型加速度計/溫度傳感器提供了一種簡單、可靠且安全的方法，可在有線傳感器不容易支持的工廠區(qū)域增加機器監(jiān)測功能。內(nèi)置的信號處理功能為繪制和監(jiān)測機械性能提供了必要的數(shù)據(jù)，同時將網(wǎng)絡(luò)通信負載降至最低。該產(chǎn)品基于LoRaWAN，其通信范圍廣、電池壽命長，并內(nèi)置信號處理功能，使其成為 IIoT 或工業(yè) 4.0 應(yīng)用的理想之選。