利用無線振動傳感器實現(xiàn)連續(xù)可靠的過程監(jiān)控
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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?，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?，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。
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，下面將對各方面進行說明并探討可用方法與理想方法。
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，從而難以進行精確的時間比較。因此，維護技術(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
測量的頻率和時間安排
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。
了解數(shù)據(jù)
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。基于時間的分析會產(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。
數(shù)據(jù)訪問和傳輸
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)。考慮到要求振動監(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。
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，同時也有助于降低成本。
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