公元前4000年,由振動衍生出了當時的語言,音樂和樂器;公元132年振動理論激發(fā)張衡發(fā)明了地動儀;1946年,美國的物理學家利比博士利用銫、氨原子的天然振動創(chuàng)造出了世界上第一座原子鐘,原子鐘至今也是最先進的鐘。在我們的世界中,振動是無處不在的。如何避免振動帶來的危害,利用其為人類服務才是主要議題。
在工業(yè)中的機器振動就是非常普遍的現(xiàn)象,機器在輸入能量轉化為有用功的過程中,均會產生振動。不過非正常振動會影響工業(yè)設備的健康狀態(tài),比如降低機械加工的精度和光潔度,加劇構件的疲勞和磨損,縮短機器和結構物的使用壽命。此外,振動還會增加能耗,降低機器效率,而非正常振動有時會使機器發(fā)生大變形而損壞,甚至造成災難性的事故。根據相關機構調查報告顯示,過時的監(jiān)測和維護技術會導致工廠整體生產能力降低5%到20%。在工業(yè)4.0到來之際,機器的健康監(jiān)測成為了工業(yè)技術領域里需要認真研究重要課題。高性能模擬技術提供商ADI公司就將無線CBM(基于條件的檢測)作為工業(yè)4.0落地的重要一環(huán),在最近的多個活動中分享了其技術解決方案。
無線狀態(tài)監(jiān)控解決方案PK傳統(tǒng)CBM
在工業(yè)中,機器振動是不可避免的,利用振動觀察機器健康狀況是常見的監(jiān)測手段之一。有行業(yè)報告數(shù)據顯示,機器狀態(tài)監(jiān)測一年可以幫助降低12%的維修成本,并將機器可用性大幅提高至92%?;跔顟B(tài)的維護還可以減少約25%的意外故障;修理和檢修時間降低幾乎一半,備件的庫存也可以減少20%。
但是傳統(tǒng)的振動狀態(tài)監(jiān)測需要維護周期,在接近末期時,振動監(jiān)控的頻率變得更高,尤其是在人員或資產處于危險的情況下。在該階段,利用便攜式設備進行振動監(jiān)控的機器,其重復成本將逐漸增加,與維護成本相比,高得讓人望而卻步。雖然有必要對重要資產進行特殊關照,但許多其他儀器卻是無法承受這種重復成本。并且過去利用手持式振動探頭,它的主要缺點是不能進行可重復測量。探頭位置或角度稍有改變,就會產生不一致的振動剖面,從而難以進行精確的時間比較,還有另一個局限性是無法實時指出振動偏移。
傳統(tǒng)監(jiān)控方法缺乏可重復性和可靠性
而ADI推出的基于ADcmXL3021以及ADXL1002等產品的狀態(tài)監(jiān)控解決方案完美解決了這些問題,將其MEMS振動傳感器與精密轉換器、線性、隔離和電源技術相結合,已經用于提供高質量機器健康數(shù)據,以最大限度地延長機器正常運行時間并提高效率。工業(yè)級MEMS加速度計產品很好的滿足了對性能和穩(wěn)定可靠性的嚴苛要求,對比傳統(tǒng)的壓電陶瓷傳感器,在DC特性、溫漂、成本等方面都有著突出的差異化。
其中,ADcmXL3021模塊是一套完整的振動檢測系統(tǒng),利用了ADI屢獲殊榮的微機電系統(tǒng)傳感器技術MEMS技術,機器健康數(shù)據將被轉化為實時的、可操作的監(jiān)測用以防止工作中斷,將高性能振動檢測與多種信號處理功能結合在一個緊湊的外形中,簡化了基于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的智能傳感器節(jié)點的開發(fā)過程,提高了安全性和降低成本。
基于條件的監(jiān)測系統(tǒng)是預防性維護的一個重要組成部分,其加速度計的關鍵指標是低噪聲和寬帶寬。ADcmXL3021模塊擁有MEMS加速度計的超低噪聲密度(25μg/√Hz)可支持出色的分辨率。寬帶寬(直流至10kHz,平坦度為5%)可以在多個機器平臺上跟蹤關鍵振動特征,通過監(jiān)控機械疲勞和故障的早期指標來提高生產效率并減少設備維修,適用于各種工業(yè)設備和運輸車輛。
結合smartMesh無線網絡,讓狀態(tài)監(jiān)測落地“無痕”
工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測的獨特價值很容易獲得工業(yè)企業(yè)的認可,但是通常真正落地卻困難重重——已有的廠房環(huán)境中布線和供電都是很困難的事。ADI公司兩年前收購凌力爾特不僅獲得了高性能電源技術,該公司的無線傳感器網絡技術——SmartMesh更是對ADI的產品線實現(xiàn)了很好的擴充,特別是無線網格網絡無需中斷工廠運行就可安裝,可以輕松改造已經投產的工廠,這對于CBM系統(tǒng)非常重要。無線節(jié)點放置不受現(xiàn)有空間限制,在金屬和混凝土結構中能夠可靠工作,同時還能夠像工廠管理軟件發(fā)送實時讀數(shù)。這種數(shù)據可用來迅速、準確地確定工業(yè)設備的運行狀態(tài)。
通過將MEMS振動檢測與ADISmartMesh無線連接網絡相結合,將實時數(shù)據通過SmartMesh無線網絡上傳服務器,通過電池供電的低功耗設計,在本地計算和分析頻域數(shù)據。SmartMesh還可確保振動檢測的部署更具普遍性。此類完全集成的傳感器無需依賴于翻新接線/基礎設施,不僅能夠更精確可靠地檢測出性能變化,而且能夠顯著降低預付和重復維護成本。
上圖是ADI基于MEMS加速度計ADXL1002的無線狀態(tài)監(jiān)控解決方案,可部署不平衡軸加載電機和平衡軸加載電機。方案從ADXL1002采集振動數(shù)據,使用ADuCM4050處理原始數(shù)據,并通過SmartMesh將數(shù)據發(fā)送到PC,從而能夠對有源電機進行無線振動監(jiān)測,尺寸減小后將電機驅動組合成雙軸驅動。
基于Python的GUI可視化加速度數(shù)據,GUI顯示網路信息,加速時間序列、FFT和匯總數(shù)據。最后,通過將轉換與具有基于云的分析系統(tǒng)的嵌入式連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)耦合,可對當前的設備監(jiān)控領域中的信息和專門技術產生成倍的影響。借助由MEMS方法實現(xiàn)的更加可靠、功能更強的傳感器節(jié)點,幫助實現(xiàn)實時數(shù)據監(jiān)控,以及基于條件的預測性維護。