精密的工業(yè)生產(chǎn)過程(參見圖1)越來越依賴于電機和相關(guān)機械設(shè)備高效可靠、始終如一的運作。機器設(shè)備的不平衡、缺陷、緊固件松動和其它異常現(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，這通常很難及時預(yù)測，也會迅速轉(zhuǎn)化為重大的生產(chǎn)率損失。

 

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)的高價值目標(biāo)

 

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)雜性與其價值不相上下。現(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。

 

典型數(shù)據(jù)采集方法包括安裝在機器上的簡單壓電傳感器和手持式數(shù)據(jù)采集工具等。這些方法存在多種局限性，特別是與理想的全面檢測與分析系統(tǒng)解決方案相比較，后者可以嵌入機器上或機器中，并能自治工作。下面深入討論這些局限性及其與理想解決方案——自治無線嵌入式傳感器——的對比。對完全嵌入式自治檢測元件的復(fù)雜系統(tǒng)目標(biāo)的選項分析可以分為十個不同方面，包括實現(xiàn)高重復(fù)度的測量、精確評估采集到的數(shù)據(jù)、適當(dāng)?shù)奈臋n記錄和可追溯性等，下面將對各方面進(jìn)行說明并探討可用方法與理想方法。

 

 

現(xiàn)有手持式振動探頭(參見圖2)在實現(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器內(nèi)部的實際變化所致，還是僅僅因為測量技術(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

 

 

在高價值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中，例如制造敏感電子器件時，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明顯的局限是無法實時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、存儲和報警功能，同時仍然小到足以嵌入設(shè)備中，能夠在第一時間告知振動偏移，并且最佳地顯示基于時間的狀態(tài)趨勢。

 

 

上述嵌入式傳感器發(fā)出實時通知的構(gòu)想，只有采用頻域分析才能實現(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)計帶來的振動源，例如鉆孔機或壓制機在正常工作過程中產(chǎn)生的振動?；跁r間的分析會產(chǎn)生一個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計算和分析。這不僅使得實時通知毫無可能，而且將大部分額外設(shè)計工作推給了設(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個月的開發(fā)時間，因為它功能完備、簡單有效、自治工作。

 

 

嵌入式檢測能夠完美地提供精確實時的趨勢數(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)控的多數(shù)工業(yè)設(shè)備往往存在于高噪聲、運動、無法接近、甚至危險的環(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。

 

 

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，同時也有助于降低成本。

 

 

設(shè)備的振動剖面非常復(fù)雜，隨時間而變化，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，探測點僅限于幾個或一個，這個問題顯得更加重要。這會導(dǎo)致前期開發(fā)時間顯著延長，因為需要通過反復(fù)實驗來確定最佳位置。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，每個系統(tǒng)可以放置多個探頭，從而縮短前期開發(fā)時間和成本，或者使用數(shù)量更少、成本更低的探頭就能滿足要求。

 

 

手持式監(jiān)控系統(tǒng)方法可以根據(jù)時間變化(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)計和部署階段就給予關(guān)注，實現(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、報警編程和不同傳感器位置的試驗。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)備在整個壽命期間的維護(hù)重點的變化。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)置的報警閾值提供中斷驅(qū)動的通知。

 

 

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。基線數(shù)據(jù)還有助于確定報警電平，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)生實時中斷。

 

 

在工廠環(huán)境中，一個適用的振動分析程序可能要監(jiān)控數(shù)十甚至數(shù)百個位置，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的位置和時間的適當(dāng)映射。為將風(fēng)險降至最低，以及獲得最有價值的數(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)添加時間戳。

 

 

上文重點討論了現(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，這種情況確實會造成嚴(yán)重的限制，因為它們無法提供任何系統(tǒng)內(nèi)自測功能。隨著時間的推移，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，實時故障通知在時間、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。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。幸運的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點。嵌入式數(shù)字自測能力就此填補了可靠振動監(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點實值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警頻段和窗口選項，支持對全頻譜進(jìn)行分析，并配置6個頻段、報警1(警告閾值)和報警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。

 

和均值/抽取選項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。

 

862 MHz/928 MHz專有無線協(xié)議接口允許將ADIS16229傳感器節(jié)點放在遠(yuǎn)端位置，獨立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點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個遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點。

 

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

 

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

 

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)十年機器振動分析經(jīng)驗的技術(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)成本提供了機會。

 

本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。