利用無線振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)可靠的過程監(jiān)控
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傳感器的位置和分布
設(shè)備的振動(dòng)剖面非常復(fù)雜，隨時(shí)間而變化，并且還會(huì)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(shí)，探測(cè)點(diǎn)僅限于幾個(gè)或一個(gè)，這個(gè)問題顯得更加重要。這會(huì)導(dǎo)致前期開發(fā)時(shí)間顯著延長，因?yàn)樾枰ㄟ^反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(huì)受到影響。幸運(yùn)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(gè)系統(tǒng)可以放置多個(gè)探頭，從而縮短前期開發(fā)時(shí)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。
適應(yīng)壽命周期變化
手持式監(jiān)控系統(tǒng)方法可以根據(jù)時(shí)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(jì)和部署階段就給予關(guān)注，實(shí)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(hào)調(diào)理和處理電路。信號(hào)/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(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過快速基線數(shù)據(jù)采集來簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)置、濾波操作、報(bào)警編程和不同傳感器位置的試驗(yàn)。對(duì)于現(xiàn)有的簡(jiǎn)單傳感器，即使它們可以在設(shè)備設(shè)置時(shí)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(gè)壽命期間的維護(hù)重點(diǎn)的變化。例如，傳感器應(yīng)針對(duì)設(shè)備故障可能性較小的早期階段進(jìn)行配置，還是針對(duì)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(duì)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(bào)警閾值提供中斷驅(qū)動(dòng)的通知。
性能變化/趨勢(shì)的識(shí)別
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(duì)基線設(shè)備響應(yīng)的了解。利用簡(jiǎn)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(cè)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(chǔ)在特定設(shè)備和探頭位置上。更好且更不易出錯(cuò)的方法是將基線FFT存儲(chǔ)在傳感器頭部，這樣數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不會(huì)誤放。基線數(shù)據(jù)還有助于確定報(bào)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(cè)到警告或故障條件，可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。
數(shù)據(jù)可追溯性和文檔記錄
在工廠環(huán)境中，一個(gè)適用的振動(dòng)分析程序可能要監(jiān)控?cái)?shù)十甚至數(shù)百個(gè)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(tái)設(shè)備的整個(gè)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(diǎn)的位置和時(shí)間的適當(dāng)映射。為將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，以及獲得最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，傳感器應(yīng)具有唯一的序列號(hào)和嵌入式存儲(chǔ)器，并且能夠給數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳。
可靠性
上文重點(diǎn)討論了現(xiàn)有針對(duì)過程控制和預(yù)見性維護(hù)相關(guān)的傳感器振動(dòng)監(jiān)控方法的改善之道。就容錯(cuò)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(duì)傳感器持續(xù)正常工作能有多大信心呢？對(duì)于許多現(xiàn)有傳感器，如壓電傳感器等，這種情況確實(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的限制，因?yàn)樗鼈儫o法提供任何系統(tǒng)內(nèi)自測(cè)功能。隨著時(shí)間的推移，必然會(huì)對(duì)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(shí)時(shí)故障通知在時(shí)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(diǎn)。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(cè)。幸運(yùn)的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點(diǎn)。嵌入式數(shù)字自測(cè)能力就此填補(bǔ)了可靠振動(dòng)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(dòng)監(jiān)控器，具有上述十個(gè)關(guān)鍵方面所列的所有優(yōu)勢(shì)。ADIS16229提供嵌入式頻域處理和512點(diǎn)實(shí)值FFT，片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各種振動(dòng)源并進(jìn)行歸類，監(jiān)控其隨時(shí)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(bào)警頻段和窗口選項(xiàng)，支持對(duì)全頻譜進(jìn)行分析，并配置6個(gè)頻段、報(bào)警1(警告閾值)和報(bào)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(gè)多軸寬帶寬MEMS傳感器，可配置的采樣速率(最高20kSPS)和均值/抽取選項(xiàng)支持更精確地評(píng)估細(xì)微的振動(dòng)剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測(cè)模式，讓我們對(duì)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(dòng)源附近，并且能以可重復(fù)的方式及早檢測(cè)小信號(hào)，避免了使用手持式設(shè)備時(shí)各次測(cè)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(xiàng)支持更精確地評(píng)估細(xì)微的振動(dòng)剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測(cè)模式，讓我們對(duì)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(dòng)源附近，并且能以可重復(fù)的方式及早檢測(cè)小信號(hào)，避免了使用手持式設(shè)備時(shí)各次測(cè)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。
862MHz/928MHz專有無線協(xié)議接口允許將ADIS16229傳感器節(jié)點(diǎn)放在遠(yuǎn)端位置，獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。
圖3.MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)(ADIS16229)，通過928MHz RF鏈路連接到網(wǎng)關(guān)控制器(ADIS16000)
圖4.6個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)自治檢測(cè)/收集/處理數(shù)據(jù)并無線傳輸?shù)街醒肟刂破鞴?jié)點(diǎn)
隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(jī)器振動(dòng)分析經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家才能駕馭的振動(dòng)檢測(cè)工作，現(xiàn)在一般技術(shù)人員就能輕松勝任，有助于振動(dòng)檢測(cè)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(cè)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(jī)會(huì)。
作者簡(jiǎn)介
Bob Scannell是ADI公司慣性MEMS產(chǎn)品的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理。他在ADI公司工作已達(dá)18年，先后從事傳感器、DSP、無線產(chǎn)品的各種技術(shù)營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)工作。之前他曾在Rockwell International公司從事設(shè)計(jì)和市場(chǎng)方面的工作。他擁有美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)電氣工程學(xué)士學(xué)位和美國南加州大學(xué)(USC)計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位。
評(píng)論