Utilizarea unui senzor MEMS pentru monitorizarea vibrațiilor

Monitorizarea vibrațiilor (VM) există de mult timp și se utilizează pentru a monitoriza starea de sănătate a unui utilaj, a unui echipament sau a unei structuri. Datele privind vibrațiile, colectate prin intermediul unor senzori dedicați în timpul funcționării unui utilaj, sunt monitorizate și analizate în timp real.

Principalul obiectiv al monitorizării vibrațiilor este reducerea riscului de daune fatale și a situațiilor potențiale de întrerupere a conexiunii, ceea ce duce la controlul și reducerea costurilor operaționale finale.

Datele privind vibrațiile provenite de la un senzor de vibrații pot fi utilizate ca o intrare de sine stătătoare sau pot fi combinate cu alte date ale senzorilor, în funcție de cerințele operaționale. De exemplu, într-o aplicație de automatizare a unei fabrici, datele privind vibrațiile pot fi combinate cu:

1. Temperatura
2. Fumul
3. Umiditatea
4. Presiunea
5. Sunetul

Această combinație generează un sistem complet care va oferi o soluție mai robustă și mai fiabilă.

În alte cazuri de utilizare, cum ar fi monitorizarea structurală, datele privind vibrațiile pot fi combinate cu datele privind poziția de înclinare, colectate prin intermediul unui inclinometru, pentru a determina starea de sănătate a structurii.

Datele colectate sunt introduse în algoritmi specializați, inclusiv în algoritmi emergenți de inteligență artificială (AI), pentru a dezvolta un model care poate prezice eventualele defecțiuni viitoare. Informațiile din modelul de predicție pot fi apoi utilizate pentru a elabora cunoștințe pentru luarea de decizii cu privire la necesitatea de a aplica măsuri imediate pentru a evita pierderea de productivitate.

O nouă tendință în domeniul automatizării fabricilor este apariția algoritmilor de inteligență artificială care pot fi instruiți pe baza datelor de la senzori, astfel încât să prezică ce sarcini trebuie îndeplinite. Acest lucru reduce povara asupra operatorilor individuali care, anterior, trebuiau să ia decizii extrem de dificile și consumatoare de timp. O fabrică automatizată în mod autonom înlătură responsabilitatea operatorilor individuali și reacționează automat la orice schimbare a condițiilor de operare.

Senzor de vibrații

O componentă cheie a unei aplicații de monitorizare a vibrațiilor este un senzor de vibrații. Cei mai noi senzori de vibrații se bazează pe tehnologia MEMS, utilizând același concept de detectare a accelerației într-un accelerometru. Principala diferență constă în lățimea de bandă a senzorului. Un accelerometru MEMS are o lățime de bandă tipică de 3 kHz, însă un senzor de vibrații este capabil să detecteze vibrațiile la o lățime de bandă semnificativ mai mare. Capacitatea unui senzor de vibrații de a capta semnale de înaltă frecvență permite o analiză mai precisă a frecvenței vibrațiilor. Cel mai recent senzor de vibrații MEMS oferă o lățime de bandă de peste 6 kHz, care va fi discutată ulterior.

Un senzor de vibrații pe bază de MEMS are multe cazuri de utilizare, iar Figura 1 prezintă o listă a câtorva aplicații majore. Monitorizarea vibrațiilor motorului este un element esențial pentru succesul automatizării fabricilor. Monitorizarea vibrațiilor în căile ferate poate contribui la evitarea accidentelor feroviare catastrofale. Aparatele electrocasnice, cum ar fi mașinile de spălat, au fost echipate cu sisteme de monitorizare a vibrațiilor încă de la apariția senzorilor MEMS în aplicațiile industriale. Aplicația de monitorizare structurală a luat amploare de la apariția senzorilor MEMS la un cost accesibil. De exemplu, municipalitățile au responsabilitatea de a monitoriza vibrațiile podurilor, pentru a se asigura că structurile sunt sănătoase și în stare bună. Datele privind vibrațiile podurilor, în special în timpul orelor de vârf ale traficului, pot furniza informații valoroase despre orice anomalie care ar putea cauza prăbușirea podului.

Figura 1: unele aplicații ale senzorilor MEMS pentru senzori de vibrații. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

Specificațiile tehnice ale unui senzor de vibrații trebuie să fie analizate cu atenție pentru a avea siguranța că senzorul poate îndeplini cerințele aplicației vizate. Tabelul 1 prezintă principalii parametri ai unuia dintre cei mai noi senzori de vibrații oferiți de STMicroelectronics. Acest dispozitiv poate capta vibrațiile în spațiul tridimensional (x, y, z). Cele trei grade de libertate oferite de acest dispozitiv oferă flexibilitatea de poziționare a dispozitivului în orientarea de montare.

Gama completă de accelerație de până la 16 g pe axă este suficientă pentru a acoperi domeniul de amplitudine a vibrațiilor, care este necesar în mod obișnuit pentru a monitoriza starea de sănătate a unui utilaj.

Acest dispozitiv oferă o lățime de bandă foarte largă, un răspuns de frecvență plat, de până la 6,3 kHz, și o filtrare încorporată, care elimină fenomenul de aliasing în cazul frecvențelor.

O altă caracteristică majoră a acestui dispozitiv este densitatea spectrală de zgomot foarte scăzută. Acesta este un avantaj foarte important atunci când trebuie captate vibrații de joasă frecvență.

În comparație cu senzorul de vibrații existent, domeniul de temperatură de funcționare este extins la +105 °C pentru a îndeplini cerințele unui mediu de funcționare exigent.

Dispozitivul poate fi operat fie în modul cu 3 axe, fie în modul cu o singură axă, care poate fi selectat prin intermediul unor registre dedicate. În modul cu 3 axe, toate cele trei axe (x, y, z) sunt active simultan. În modul cu o singură axă este activă doar o singură axă. În modul cu o singură axă, rezoluția (densitatea de zgomot) a axei active se îmbunătățește semnificativ.

Tabelul 1: parametrii principali ai celor mai noi senzori de vibrații oferiți de STMicroelectronics.

Aplicații de monitorizare a vibrațiilor

De obicei, monitorizarea vibrațiilor se referă la analiza vibrațiilor unui utilaj, ale unui echipament sau ale unui aparat ca parte a unei aplicații cuprinzătoare, cunoscută sub numele de monitorizare a condiției (CM) sau monitorizare în funcție de condiție (CbM). Analiza vibrațiilor are un rol important în monitorizarea stării de sănătate a utilajului în timp. Cu toate acestea, pe lângă colectarea de date privind vibrațiile, o soluție completă de monitorizare a stării echipamentului încorporează mai mulți senzori pentru a colecta parametrii vitali ai echipamentului, inclusiv temperatura, zgomotul, presiunea, fumul și umiditatea. Fiecare dintre acești senzori oferă informații valoroase despre o anumită condiție a utilajului. Aceste date ale senzorilor sunt îmbinate, procesate și analizate pentru a obține cunoștințe despre condiția generală a utilajului și pentru a lua decizii critice privind întreținerea acestuia.

Figura 2 ilustrează unele dintre aplicațiile majore ale monitorizării vibrațiilor pe diferite piețe. Defalcarea din această figură evidențiază importanța colectării și analizei datelor privind vibrațiile ca parte a unei soluții cuprinzătoare pentru CM. Se pot utiliza senzori suplimentari pentru a colecta date, care vor fi îmbinate pentru un rezultat fiabil și eficient. În cele mai recente soluții oferite în industrie, algoritmii inteligenți care utilizează datele senzorilor aduc capacitățile și eficiența acestor soluții la un nou nivel. Aceste soluții inovatoare și puternice pot contribui la reducerea semnificativă a costurilor și a ineficienței asociate cu situațiile de întrerupere a conexiunii, care altfel ar fi inevitabile.

Figura 2: diverse aplicații ale monitorizării vibrațiilor. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

Cloud computing-ul a devenit una dintre părțile esențiale ale unei soluții extinse care implică date de la senzori colectate din mai multe locații ale unei întreprinderi, pentru a se asigura că nu există nicio întrerupere la niciun nivel, în nicio locație. Unitatea centrală de procesare din cloud este utilizată pentru a combina și a analiza toate datele și pentru a monitoriza în timp real utilajele și echipamentele implicate, pentru a asigura o funcționare fără probleme și neîntreruptă.

Figura 3 prezintă o listă a elementelor constitutive esențiale ale unui sistem de monitorizare a vibrațiilor. În funcție de necesitățile și cerințele sistemului, se poate monta o varietate de senzori pe echipamentul care trebuie monitorizat. Lista de senzori include:

• Vibrații
• Modulul senzorului inerțial
• Temperatură
• Umiditate
• Presiune
• Senzor de lumină ambiantă
• Inclinometru

Pentru analiza datelor colectate este nevoie de o unitate de procesare. În funcție de cantitatea de date, de confidențialitate, de securitatea datelor, de latență și de cerințele de energie, analizele pot fi efectuate la unitatea de procesare locală sau pot fi transmise către un centru de procesare în cloud, unde sunt colectate și analizate toate datele de la mai multe echipamente.

Figura 3: elementele constitutive ale unui sistem de monitorizare a vibrațiilor. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

La un moment dat, după instalare și în timpul funcționării utilajului, condiția acestuia începe să se schimbe. Este esențial ca toți senzorii necesari să fie instalați pentru a colecta date despre ultrasunete și zgomotul audibil, vibrații, consum de energie, temperatură și orice potențial fum. Pe măsură ce trece timpul, necesitatea colectării parametrilor utilajului și a datelor de la senzori devine esențială pentru a monitoriza starea de sănătate a utilajului.

Figura 4 descrie curba tipică a instalației și a punctului de defecțiune (IPF) a unui utilaj care este monitorizat. De la schimbarea condiției utilajului până la defecțiunea finală pot trece luni sau chiar ani, până când aceasta începe să prezinte simptome de defecțiune. Analiza timpurie a datelor senzorilor poate oferi o indicație a stării de sănătate a utilajului, iar algoritmii de inteligență artificială instruiți, care utilizează datele senzorilor ca date de intrare, pot prezice o defecțiune și pot iniția procesul de luare a măsurilor necesare.

Figura 4: curba IPF. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

Figura 5 prezintă un exemplu de monitorizare a vibrațiilor unei pompe electrice. Diferite condiții, cum ar fi dezechilibrul, slăbirea, arborele de ieșire și cutia de viteze a pompei pot fi monitorizate cu ajutorul unui senzor de vibrații. Datele senzorului de vibrații sunt apoi transmise pentru o analiză extinsă suplimentară, inclusiv o transformată Fourier rapidă (FFT) a datelor de vibrații care poate determina semnătura de frecvență individuală a acestor condiții.

Figura 5: monitorizarea vibrațiilor unei pompe electrice în diferite condiții. (Sursa imaginii: STMicroelectronics)

Un sistem de monitorizare a stării unui motor electric poate avea mai multe componente în plus față de motorul electric. Soluția poate include mai mulți senzori, inclusiv senzori de vibrații, temperatură, presiune și alți senzori, în funcție de cerințele mediului de operare. Opțiunea de conectivitate între pompă și unitatea de procesare poate fi una cu fir sau fără fir, cu protocoale de comunicare dedicate. Unitatea de procesare și analiză poate oferi instrumente de diagnosticare și vizualizare a pompei pentru a-l ajuta pe operator să identifice și să abordeze în mod proactiv probleme cum ar fi neregularitățile pompei, care ar putea duce la întreruperi și perioade de nefuncționare operaționale. Această implicare proactivă poate crește profitul unei companii, prin reducerea costurilor de exploatare și întreținere a fabricii.

Concluzie

Pentru implementarea unei soluții cuprinzătoare pentru întreținerea predictivă se utilizează mulți senzori. Cei mai noi senzori de vibrații pe bază de MEMS au permis soluții eficiente și rentabile de monitorizare a vibrațiilor în automatizarea fabricilor, în domeniul utilităților energetice, în aparatele electrocasnice, precum și în supravegherea și controlul sănătății structurale. Monitorizarea vibrațiilor poate fi implementată ca o soluție de sine stătătoare sau ca parte a monitorizării bazate pe condiții, care a apărut ca o parte integrată a unei soluții cuprinzătoare de monitorizare a diferitelor utilaje prin colectarea și analiza datelor în timp real. Această soluție a permis fabricilor din secolul^XXI să monitorizeze și să abordeze în mod proactiv problemele care apar în urma întreruperilor de productivitate și a întreruperilor de funcționare a utilajelor. Monitorizarea vibrațiilor este o componentă esențială a unei soluții cuprinzătoare în orice automatizare a fabricilor.

Referințe

1. Senzor de vibrații digital cu lățime de bandă foarte largă, cu zgomot redus, pe 3 axe: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Microfon analogic cu port inferior, cu răspuns în frecvență de până la 80 kHz pentru analiza cu ultrasunete și aplicații de întreținere predictivă. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. Senzor de temperatură I²C/SMBus 3.0 de joasă tensiune, de foarte joasă putere, cu o precizie de 0,5 °C. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/stts22h.html
4. https://www.st.com/en/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview
5. https://www.st.com/en/applications/factory-automation.html