MEMS-kiihtyvyysanturit nopeuttavat antureiden käyttöönottoa IIoT-pohjaisessa ennakoivassa huollossa

Koneiden kunnonvalvonta värähtelyantureita käyttämällä on avainelementtejä Teollisen esineiden internetin (IIoT) (tai Teollisuus 4.0:n) tavoitteena olevassa ennakoivassa huollossa. Sen avulla valmistustilat voivat identifioida ja ratkaista koneiden ongelmia ennen kuin niistä tulee katastrofaalisia konerikkoja, jotka saattaisivat pysäyttää tuotannon hätäkorjausten ajaksi. Suunnittelijoille perinteinen lähestymistapa on käyttää pietsosähköisiä (PE) värähtelyantureita, mutta se lisää BOM-kustannuksia samoin kuin johdotuksen kustannuksia. Se myös tekee toteutuksesta kompleksisemman. Nämä tekijät saattavat rajoittaa kyseisen vaihtoehdon käyttöönottoa.

Suunnittelijat voivat harkita niiden sijasta kapasitiivisia MEMS (microelectromechanical systems) -antureita, jotka laskevat kustannuksia ja yksinkertaistavat käyttöönottoa. Näiden antureiden suorituskyvyssä viimeaikoina tapahtuneet parannukset ovat tuoneet ne vastaavalle tasolle PE-antureiden kanssa. Ne ovat kuitenkin edullisempia, niiden integrointi on helpompaa ja niiden CMOS-perusta tarjoaa etuja teollisien toleranssien muodossa. Näihin parannuksiin kuuluvat integroidut analogia-digitaali-muuntimet (ADC), suodattimet ja jopa sulautetut rakennuselementit koneoppimista varten. Niiden ansiosta kyseisten laitteiden ominaisuudet ovat kustannustehokkaita, mikä selittää niiden suosiota lukuisissa asennuskohteissa.

Tässä artikkelissa käsitellään kapasitiivisten MEMS-kiihtyvyysantureiden etuja värähtelynseurantasovelluksissa. Tämän jälkeen artikkelissa esitellään Analog Devices- ja STMicroelectronics-yritysten laitteita ja näytetään miten niitä voidaan käyttää nopeasti laajassa anturiverkossa kattavampaan ja kustannustehokkaampaan mittaukseen teollisuuden koneiden ennakoivassa huollossa.

Miksi käyttää värähtelyä ennakoivassa huollossa

Värähtelyä on käytetty pitkän aikaa indikaattorina teollisuuden koneiden kunnonvalvonnassa, diagnostiikassa ja ennakoivassa huollossa. Oikeaa anturia ja sopivaa prosessointia voidaan käyttää esimerkiksi tunnistettaessa sellaisia ongelmia kuten kuorman epätasapaino, kohdistusvirheet ja kuulalaakerin vikaantuminen. Värähtelyn erilaiset amplitudit ja taajuudet saattavat indikoida toisentyyppisen vikaantumistilan kehittymistä (kuva 1).

Kuva 1: Oikea anturi ja sopiva prosessointi saattavat tunnistaa sellaisia ongelmia kuten kuorman tai moottorin epätasapaino ja kuulalaakereiden vikaantuminen, samoin kuin värähtelyt, jotka saattavat ennakoida toisentyyppisen vikaantumistilan kehittymistä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Onneksi värähtelyn seurannassa käytettäviä anturijärjestelmiä varten on muodostettu standardeja. ISO 2954:2012 -standardi, “Pyörivien ja edestakaisin liikkuvien koneiden mekaaninen värähtely – Vaatimukset värähtelyn kriittisyyden mittauslaitteille“ on hyvä esimerkki tästä. Tällaisissa instrumenteissa kiihtyvyysanturit toimivat avainkomponenttina. Tyypillisessä ratkaisussa antureiden signaaleja ei kuitenkaan käytetä suoraan.

Nykyaikaisissa järjestelmissä ensimmäinen vaihe värähtelyn seurannassa on muuntaa kiihtyvyysanturin signaali digitaaliseksi käyttämällä AD-muunninta. Digitoinnin jälkeen kiihtyvyysmittaus on paljon vähemmän herkkä sähköiselle melulle ja tarve tarkan analogisen signaalin parannukselle voidaan eliminoida. Värähtelyn seuranta vaatii tämän jälkeen useita suodatus- ja esikäsittelyvaiheita käsittelemättömälle kiihtyvyysanturidatalle käsittelemiseksi ja kohinan eliminoimiseksi diagnostisesti hyödyllisen tiedon saamiseksi.

Vaatimukset kiihtyvyysanturisignaalin esikäsittelylle

Kiihtyvyysanturin signaalit on ensin suodatettava ylipäästösuodattimella kaikkien DC-komponenttien poistamiseksi, esimerkkinä anturin biasointi ja painovoiman vaikutukset. Suodatettua signaalia voidaan tämän jälkeen käyttää kahdella tavalla: yksi on käyttää kiihtyvyystietoja sellaisenaan, toinen on käyttää värähtelynopeutta, joka saadaan integroimalla suodatettu signaali ajan mukaan. Myös saatava nopeussignaali vaatii ylipäästösuodatusta, jotta järjestelmän alkunopeutta ei tarvitse tietää (jatkuva integrointi) nopeusinformaatiota analysoitaessa (kuva 2).

Kuva 2: Käsittelemätön kiihtyvyysanturidata on esikäsiteltävä biaksen poistamiseksi. Se on myös integroitava värähtelynopeuden mittaamiseksi ennen kuin sitä voidaan käyttää seurannassa ja ennen kuin siitä voidaan saada diagnostiikkainformaatiota. (Kuvan lähde: Richard A. Quinnell)

Näille kiihtyvyys- ja nopeussignaaleille voidaan käyttää sovelluksesta riippuen useita analyysitekniikoita koneiston kuntoa koskevan kattavan tiedon saamiseksi. Eräs yleisimmistä ja käytetyimmistä tekniikoista on laskea värähtelynopeuden tehollisarvo (RMS-nopeus) ja määrittää sen trendi ajan suhteen. Kun koneet kuluvat, osien liikkumistila kasvaa. Tämän seurauksena myös niiden värähtelynopeus kasvaa. RMS-nopeustrendien seuraaminen antaa näin ollen kulumista kuvaavan indikaattorin. Tätä voidaan verrata etukäteen asetettuihin kynnysarvoihin huoltotarpeen tunnistamiseksi.

Myös kiihtyvyyttä voidaan verrata etukäteen asetettuihin kynnysarvoihin. Tällöin voidaan havaita mekanismien taipuminen ja vikaantuminen, erityisesti pyörivissä koneissa. Tällaiset viat näkyvät tavallisesti jaksollisina piikkeinä signaalissa. Myös kiihtyvyysprofiilin ajan myötä kasvava kiihtyvyys- tai epästabiilisuustrendi toimii kulumisesta ja vaurioista kertovana indikaattorina.

Spektrianalyysi antaa enemmän tietoa

Kiihtyvyys- ja nopeusdatan muuntaminen aikatasosta taajuustasoon nopeaa Fourier-muunnosta (FFT) käyttämällä avaa oven yhä tarkempaan ymmärrykseen koneen kunnosta. Esimerkiksi pyörivissä koneissa voimakas signaali yhdellä pyörimisnopeuteen suhteellisella taajuudella indikoi akselin olevan epätasapainossa tai taipunut. Yleinen väljyys tai rikkoutunut hammaspyörä toisaalta synnyttää pulssisignaalin, jossa on runsaasti harmonisia taajuuksia. Voimakas alemman taajuuden amplitudimoduloima signaali on tehokas diagnostinen työkalu hammaskosketuksen analyysissä.

Näiden erilaisten diagnostisointitekniikoiden menestyksellinen käyttö asettaa lähtötiedot toimittavalle kiihtyvyysanturille useita vaatimuksia. Esimerkiksi sen kaistanleveyden tulisi olla riittävän leveä, jotta se voisi helposti moduloida moottorin peruspyörimisen samoin kuin korkeamman asteen harmoniset taajuudet. Synkroniset AC-moottorit pyörivät tyypillisesti 3600 kierrosta minuutissa (rpm) ja DC-moottorien kierrosnopeus voi vaihdella välillä 10 rpm – 7000 rpm tai enemmän, joten sopivan anturin kaistanleveyden täytyy ehkä ulottua niinkin alas kuin 0,1 hertsiä (Hz) ja niinkin ylös kuin viidestä kymmeneen kilohertsiin (kHz) koneen rakenteesta riippuen.

Myös herkkyys on tärkeää. Anturin koosta riippuen ainoa mahdollinen asennuskohta liikkuvan koneen kunnonvalvontaa varten saattaa olla laitteen kotelo, joka on kaukana värähtelyn varsinaisesta syntypaikasta koneen sisällä. Tämä etäisyys heikentää värähtelyä ja johtaa heikkoon signaaliin. Tämän seurauksena sekä anturin signaalin että signaalireitin anturilta AD-muuntimelle on oltava kohinaltaan mahdollisimman alhaisia, jotteivät sähköiset häiriöt – esimerkiksi moottorin käämityksen synnyttämät häiriöt – hukuta mielenkiinnon kohteena olevaa signaalia.

Värähtelyn seurannassa käytettävien anturien on oltava stabiileja ajan ja lämpötilan suhteen. Stabiilisuus on erityisen tärkeää kun diagnostiikkatyökaluna käytetään RMS-nopeustrendiä. Kiihtyvyyslukemien muutokset ajan ja lämpötilan mukaan kumuloituvat integrointivaiheessa nopeustietoja generoitaessa. Tämä vaarantaa trendimittauksen.

Näiden suorituskykyä koskevien vaatimusten lisäksi on useita antureita koskevia attribuutteja, jotka ovat järjestelmäsuunnittelun kannalta tärkeitä. Anturin tulisi olla mahdollisimman pieni sijoitusvaihtoehtojen maksimoimiseksi seurattavassa koneessa. Myös alhainen paino on tärkeää, ettei anturin massa vaikuta koneen värähtelyominaisuuksiin.

Jotta kalliin kohinaltaan alhaisen koaksiaalikaapelin tarve voitaisiin minimoida analogisen anturin ja digitoijan välillä, moniin teolliseen kunnonvalvontaan tarkoitettuihin kiihtyvyysantureihin on yhdistetty AD-muunnin, viestintäpiirit ja mahdollisesti myös digitaalinen signaalin prosessointi. Näistä on muodostettu anturimoduuleja. Tällaisten moduulien pieni koko ja alhainen virrankulutus mahdollistavat akku- tai paristokäytön sekä langattomat yhteydet, jotka entisestään yksinkertaistavat niiden sijoittelua ja vähentävät johdotukseen liittyviä kustannuksia ja kompleksisuutta. Anturimoduulin kokonaiskustannuksien minimointi parantaa kunnonvalvonnan kustannustehokkuutta ja tarjoaa lisää mahdollisuuksia ennakoivan huollon käyttöön.

MEMS-kiihtyvyysanturit vastaavat suorituskyky-, kustannus- ja integrointihaasteisiin

CMOS-suunnittelun ja -valmistusteknologian kehittyminen on mahdollistanut sen, että kapasitiiviset MEMS-kiihtyvyysanturit täyttävät nämä suorituskyky- ja järjestelmäsuunnitteluattribuutit lukuisissa erilaisissa teollisuuden kunnonvalvontasovelluksissa. Koska ne valmistetaan käyttäen samankaltaisia prosesseja kuin integroitujen CMOS-piirien valmistuksessa käytetään, MEMS-kiihtyvyysantureilla on huomattavia etuja perinteisiin pietsosähköisiin kiihtyvyysantureihin verrattuna – MEMS-laitteet voivat integroida useita kokonaisen anturimoduulin toimintoja sirukokoiseen koteloon.

HUOMAA: On tärkeää panna tässä vaiheessa merkille, että pietsosähköisillä antureilla on yhä paikkansa ja ne dominoivat sovelluksia, joiden vaaditaan kestävän äärimmäisiä lämpötiloja tai joissa yli 50 g:n värähtelyt ovat todennäköisiä.

STMicroelectronicsin kolmiakselinen IIS3DWBTR -MEMS-kiihtyvyysanturi on hyvä esimerkki (kuva 3). Tämä laite sisältää kolme kiihtyvyysanturia erittäin laajalla kaistanleveydellä (DC – 6 kHz) sekä AD-muuntimen, käyttäjän konfiguroitavan digitaalisen suodatinketjun, lämpötila-anturin, 3 kilotavun (Kb) FIFO:n sekä SPI-sarjaliitännän, kaikki pintaliitospakkauksessa, jonka koko on vain 2,5 x 3 x 0,83 millimetriä (mm). Piiri on vähävirtainen, sitä voidaan käyttää 2,1 – 3,6 voltin jännitteellä ja se kuluttaa täydellä teholla vain 1,1 milliampeeria (mA). Piiri herää 5 mikroampeerin (µA) lepotilasta automaattisesti havaitessaan aktiviteettia. Se on myös lujatekoinen ja sen toiminta-lämpötila-alue on -40 °C – +105 °C ja sen iskunkestävyys on 10 000 g. Valittavan herkkyyden (±2, ±4, ±8 tai ±16 g) ansiosta se voidaan räätälöidä erilaisten sovellusvaatimusten mukaisesti.

Kuva 3: CMOS MEMS -teknologia mahdollistaa sellaiset kiihtyvyysanturit kuten STMicroelectronics IIS3DWBTR, joka sisältää kompaktissa ja vähävirtaisessa paketissa integroidun AD-muuntimen, digitaalisen suodattimen, FIFO-muistin ja niin edelleen. Nämä minimoivat kustannuksia värähtelyn seurannassa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Sellaiset laitteet kuten IIS3WDB ovat lisänneet mahdollisuuksia värähtelyä hyödyntävään kunnonvalvontaan. Nämä laitteet integroivat kaikki anturimoduulin tärkeät attribuutit edulliseen hintaan ja minimoivat BOM-kokonaiskustannukset. Tämä tekee seurannasta kustannustehokasta yhä useammissa sovelluksissa. Pieni koko ja kolmen akselin mittaaminen (minkä ansiosta laitetta ei tarvitse suunnata tietyllä tavalla) laajentaa vaihtoehtoja anturin sijoittelussa, mukaan lukien laitteen sijoittaminen koneiston sisälle. Digitaalisen liitännän ansiosta anturin liittäminen isäntäprosessoriin datan keräämistä ja analyysiä varten on yksinkertaista. Esikäsittelyn ja FIFO-puskurin integrointi piiriin tekee viestinnästä isännän kanssa vähemmän vaativaa. Vähäinen virrankulutus mahdollistaa toiminnan akuilla tai paristoilla.

MEMS-laitteiden suunnittelussa voidaan käyttää korkeampaa integrointiastetta. Esimerkiksi STMicroelectronicsin ISM330DHCXTR käyttää saman kokoista koteloa kuin IIS3WDBTR, mutta sisältää sen lisäksi sekä kolmiakselisen kiihtyvyysanturin että kolmiakselisen gyrometrin. Nämä tarjoavat liikkeentunnistukseen uusi astetta samoin kuin kaiken IIS3DWBTR-laitteen toiminnallisuuden. Lisäksi se sisältää I²C-rajapinnan, mahdollisuuden käyttää laitetta anturikeskittimenä, 9 kilotavun FIFO:n, ohjelmoitavan äärellisen tilakoneen datan käsittelyä varten sekä ydinlohkot koneoppimista varten. Näiden ansiosta laitteen toiminta voi adaptoitua uniikin asennustilanteen mukaisesti.

Moduulit integroivat datan käsittelyn

MEMS-anturimoduuleja on tullut saataville yhä vaativampiin sovelluksiin erittäin kompaktissa muodossa ja sisältäen kattavat prosessointimahdollisuudet. Esimerkiksi Analog Devices ADIS16228CMLZ -värähtelyanturimoduuli on täysi kolmeakselinen, ±18 g:n MEMS-kiihtyvyysanturi integroidulla AD-muuntimella ja 512-pisteen FFT:llä taajuustason värähtelyanalyysiä varten. Piirin koko on vain 15 x 24 x 15 mm (kuva 4). Laite sisältää myös ohjelmoitavat hälytykset kuudelle spektrikaistalle. Näillä voidaan antaa varoitus tai tunnistaa vika kyseisten kaistojen energiatasoista riippuen.

Kuva 4: MEMS-värähtelyanturimoduuleja sisäänrakennetulla FFT-prosessoinnilla ja taajuuspohjaisella vian tunnistuksella, kuten Analog Devices ADIS16628, on saatavana lujatekoisissa ja kompakteissa koteloissa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

MEMS-teknologia tarjoaa kattavat anturijärjestelmät, jotka pystyvät kestämään jopa ±50 g. Esimerkiksi Analog Devices ADCMXL3021BMLZ -anturin kaistanleveys on 10 kHz ja se sisältää 220 tuhatta näytettä sekunnissa (kSPS) käsittelevät AD-muuntimet, digitaaliset suodattimet sekä käyttäjän konfiguroitavat aikatason ehdolliset hälytykset ja FFT-pohjaiset ehdolliset hälytykset. Kaikista näistä sisäänrakennetuista prosessointimahdollisuuksista huolimatta laite kuluttaa tyypillisesti ainoastaan 30 mA 3,3 voltin jännitteellä.

Nämä monipuoliset värähtelyantureita käyttävät järjestelmämoduulit tarjoavat lukuisia käyttäjän konfiguroitavia vaihtoehtoja, esimerkkinä esikäsittelysuodattimen kaistanleveys, FFT-ikkunafunktio, taajuuskaistan kynnysarvot, tilapäinen tilastointi ja niin edelleen. Jotta näitä voitaisiin käyttää tehokkaasti, käyttäjällä on oltava hyvä ymmärrys järjestelmän ominaisuuksista ja erilaisista käytettävistä värähtelyanalyysitekniikoista. Samalla tavoin kehittäjien, jotka haluavat luoda omat värähtelynseurantajärjestelmänsä käyttäen siruantureita kuten IIS3DWB tai ISM330DHCX on tiedettävä kohdejärjestelmän ominaisuudet ja ymmärrettävä niiden tarjoamat prosessointivaihtoehdot.

Aloita arviointisarjalla

Tämän ymmärryksen rakentamiseen sellainen kehityssarja kuin esimerkiksi STMicroelectronics STEVAL-STWINKT1 saattaa tarjota hyvän lähtökohdan (kuva 5). Sarjan moduuli sisältää sekä IIS3DWB- että ISM330DHCX-anturin sekä paljon muita antureita ja Arm® Cortex®-M4 -prosessorin liukulukuyksiköllä lisäprosessointia varten. Moduulin virtalähteenä voidaan käyttää sen mukana toimitettavaa Li-Ion-akkua. Moduuli tarjoaa sisäänrakennetun Bluetooth Low Energy -radion samoin kuin Wi-Fi-laajennuskortin langatonta yhteyttä varten. Näiden ansiosta sarjaa voidaan käyttää erillisenä kunnonvalvonta-anturina kenttäasennuskohteissa.

Kuva 5: Sellaiset kehityssarjat kuten STEVAL-STWINKT1 eivät ainoastaan tarjoa kehittäjille arvioitavaksi kiihtyvyysantureita ja muita MEMS-antureita vaan niitä voidaan käyttää erillisinä valmiina moduuleina teollisuuden monitorointisovelluksissa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Sarja toimitetaan kattavalla laiteohjelmistolla kunnonvalvontasovellusten ja ennakoivan huollon sovellusten kehittämistä varten. Tämä sisältää väliohjelmiston värähtelyanalyysiä varten aikatasossa (RMS-nopeus ja kiihtyvyyspiikit) samoin kuin taajuustasossa. Ohjelmisto on myös yhteensopiva yrityksen DSH-PREDMNT-palvelun kanssa, joka on verkkopohjainen ennakoivan huollon kojelauta anturidatan ja laitteiden tilan seurantaan. Saatavana olevat esimerkkitoteutukset auttavat kehittäjiä heidän oman ohjelmistonsa kehittämisessä.

Yhteenveto

Vaikka pietsosähköiset anturit yhä dominoivat sovelluksissa, joiden on kestettävä äärimmäisiä lämpötiloja tai värähtelyä, joka ylittää 50 g, niiden koko ja tarve erilliselle AD-muuntimelle ja laitteistolle esikäsittelyä varten (sekä niihin liittyvät johdotuskustannukset ja lisääntynyt kompleksisuus) ovat perinteisesti rajoittaneet niiden sovellusvalikoiman kallisarvoisten laitteiden seurantaan.

Suunnittelijat voivat nykyään kuitenkin käyttää näiden sijasta MEMS-kiihtyvyysantureita, jotka tarjoavat kompaktin ja kustannustehokkaan vaihtoehdon, joka yksinkertaistaa käyttöönottoa ja laajentaa värähtelyseurannan sovellusvalikoimaa. Näiden laitteiden tarjoama suorituskyky kasvaa jatkuvasti ja MEMS-kiihtyvyysantureiden avulla suunnittelijat voivat helposti adoptoida värähtelyyn perustuvan kunnonvalvonnan ja ennakoivan huollon tarjoamat edut kaikenkokoisille koneille.