פרישה מהירה של חיישנים עבור תחזוקה פרדיקטיבית מבוססת-IIoT באמצעות מדי-תאוצה MEMS

ניטור מצב מכונות באמצעות חיישני רעידות הוא מרכיב מרכזי באינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) (או Industry 4.0) עבור המטרה של תחזוקה פרדיקטיבית. הוא מאפשר למתקני ייצור לזהות ולפתור בעיות מכונות לפני שנגרמות תקלות קטסטרופליות העלולות לעצור את הייצור לצורך ביצוע תיקוני חירום. עבור המתכננים, הגישה המסורתית של שימוש בחיישני רעידות פייזו-אלקטריים (PE) כרוכה בעלויות של מפרט החומרים (BOM) וכן בהוצאות חיווט ומורכבויות מימוש העלולות להגביל את הפרישה שלהם.

כדי להוריד את העלויות ולפשט את הפרישה, המתכננים יכולים במקום זאת לבחון חיישני מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) קיבוליות. לאחרונה, שיפורים בביצועים של חיישנים אלו הביאו אותם לרמות הדומות לאלו של חיישני PE, תוך שמירה על עלות נמוכה יותר, שילוב רב יותר ויתרונות טולרנסים תעשייתיים של יסודות ה- CMOS שלהם. שיפורים אלו כוללים ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) ומסננים משולבים, ואפילו אבני בניין משובצות עבור למידת מכונה, כדי להבטיח שלהתקנים אלו יש מאפייני עלות-תועלת המצדיקים את התרחבות ההתקנות הרבות שלהם.

מאמר זה דן ביתרונות של מדי-תאוצה קיבוליים MEMS ביישומי ניטור רעידות. המאמר מציג התקנים לדוגמה מבית Analog Devices ו- STMicroelectronics ומראה כיצד ניתן לפרוש אותם במהירות כרשת חיישנים נרחבת לצורך חישת תחזוקה פרדיקטיבית עם יחס עלות-תועלת מיטבי במכונות תעשייתיות.

מדוע להשתמש במדידת רעידות עבור תחזוקה פרדיקטיבית

רעידות הן אינדיקטור המשמש מזה זמן רב לניטור מצבים, דיאגנוסטיקה ותחזוקה פרדיקטיבית של מכונות תעשייתיות. לדוגמה, ניתן להשתמש בחיישן הנכון, בעזרת עיבוד מתאים, לגילוי בעיות כמו אי-איזון בעומס, סטיות-יישור, תקלה במסבי-כדוריות, ובתדרים והאמפליטודות השונים של הרעידות העשויים להצביע על סוג אחר של תקלה מתפתחת (איור 1).

איור 1: החיישן הנכון ועיבוד מתאים יכולים לזהות בעיות כמו אי-איזון בעומס או במנוע ותקלות במסבי-כדוריות, כמו גם רעידות העשויים לחזות סוג אחר של תקלה מתפתחת. (מקור התמונה: Analog Devices)

למרבה העזרה, נקבעו תקנים עבור מערכות החיישנים המשמשים לניטור הרעידות. תקן ISO 2954:2012, "רעידות מכניות של מכונות מסתובבות ומניעות - דרישות עבור מכשירים למדידת חומרת הרעידות" הוא דוגמה מובהקת. במכשירים אלו, מדי-תאוצה הם רכיב ליבה. אך בתכן טיפוסי, אותות החיישן לא משמשים באופן ישיר.

במערכות מודרניות, הצעד הראשון בניטור רעידות הוא הבאת אותות מד-התאוצה למרחב הדיגיטלי באמצעות ADC. לאחר הדיגיטציה, מדידת התאוצה היא הרבה פחות רגישה לרעשים חשמליים, וניתן לחסוך את הצורך באכשור אותות אנלוגיים מדויקים. לאחר מכן, ניטור הרעידות דורש מספר דרגות של סינון וקדם-עיבוד של הנתונים הגולמיים של מד-התאוצה על מנת לסלק רעשים ולחלץ את המידע השימושי עבור הדיאגנוסטיקה.

דרישות קדם-עיבוד של אותות מד-התאוצה

תחילה יש לסנן את אותות מד-התאוצה כדי להסיר את כל רכיבי ה- DC, כגון ממתח החיישנים או השפעות כוח המשיכה. לאחר מכן ניתן להשתמש באות המסונן בשתי דרכים: האחת היא לעבוד עם מידע התאוצה ישירות, ואילו השנייה היא לעבוד עם מהירות הרעידות המתקבלת על ידי הפעלת אינטגרציה על האות המסונן בציר זמן. אות המהירות המתקבל דורש גם סינון מעביר-גבוהים כדי להסיר את הצורך לדעת את המהירות הראשונית של המערכת (קבוע האינטגרציה) בעת ניתוח מידע המהירות (איור 2).

איור 2: על הנתונים הגולמיים של מד-התאוצה יש לבצע קדם-עיבוד על מנת להסיר את הממתח, כמו גם לבצע אינטגרציה כדי להפיק מדידה של מהירות הרעידות, לפני שניתן יהיה לחלץ מידע ניטור ודיאגנוסטיקה שימושי. (מקור התמונה: Richard A. Quinnell)

בהתאם ליישום, ניתן להשתמש במגוון של טכניקות ניתוח אותות תאוצה ומהירות אלו כדי לחלץ מידע שימושי לגבי מצבן של המכונות. אחת הטכניקות השכיחות והנפוצות ביותר היא לחשב את מהירות שורש-ממוצע-הריבועים של הרעידות (מהירות RMS) ולקבוע את מגמתה לאורך זמן. ככל שהמכונות מתבלות, הן מפתחות מקום רב יותר לנוע בתוכו, וגורמות למהירות הרעידות שלהן לעלות. אם כן, ניטור מגמות מהירות RMS מספק אינדיקטור לבלאי שאותו ניתן להשוות לספים שנקבעו-מראש כדי לזהות את הצורך בתחזוקה.

ניתן להשוות את התאוצה לספים שנקבעו-מראש כדי לגלות כיפוף או שבירה במנגנונים, במיוחד במכונות מסתובבות. פגמים כאלו יתבטאו בדרך כלל כ"שיאים"מחזוריים באותות. מגמה של הגדלת התאוצה או אי-יציבות בפרופיל התאוצה לאורך זמן מהווה גם אינדיקטור לבלאי ולנזק.

ניתוח ספקטרלי מניב תובנה נוספת

המרת נתוני התאוצה והמהירות ממרחב הזמן למרחב התדר באמצעות התמרת פורייה מהירה (FFT) פותחת את הדלת לתובנות מפורטות עוד יותר לגבי מצב המכונה. במכונות מסתובבות, לדוגמה, אות חזק בתדר יחיד הקשור לקצב הסיבוב יצביע על אי-איזון או על ציר מכופף. לעומת זאת, רפיון כללי או שן גלגל שיניים שבורה ייצרו אות מושפע עשיר בתוכן הרמוני. אות חזק עם אפנון אמפליטודה על ידי תדר נמוך יותר הוא כלי דיאגנוסטיקה רב-עוצמה לניתוח מערכי גלגלי שיניים.

שימוש מוצלח בטכניקות דיאגנוסטיקה שונות אלו מציב מגוון של דרישות למד-התאוצה המספק את נתוני המקור. רוחב-הפס שלו, למשל, צריך להיות רחב מספיק בכדי לקלוט בקלות אפנון על סיבוב הנוע הבסיסי כמו גם הרמוניות מסדר גבוה יותר. מנועי AC סינכרוניים מסתובבים בדרך כלל ב- 3,600 סיבובים לדקה (סל"ד), ומנועי DC יכולים להסתובב בין 10 סל"ד ל 7,000 סל"ד ומעלה, כך שרוחב-הפס המתאים של החיישן עשוי להיות נמוך עד כדי 0.1 הרץ (Hz) או ועד גבוה עד כדי 5 עד 10 קילוהרץ (kHz), בהתאם לתכן המכונה.

הרגישות חשובה גם כן. בתלות בגודל החיישן, נקודת ההרכבה היחידה הזמינה לניטור המצב של מכונות נעות עשויה להיות על גבי הבית, הרחק ממקור הרעידות בפועל בתוך המכונה. מרחק זה מנחית את הרעידות, ועלול להוביל לאות חלש. כתוצאה מכך, גם האות מהחיישן וגם הנתיב מהחיישן לממיר ADC צריכים להיות עם רעשים נמוכים ככל האפשר כדי למנוע הפרעות חשמליות - כמו מליפופי המנוע - שיעלימו את האות המעניין.

חיישני ניטור רעידות זקוקים ליציבות טובה לאורך הזמן ועל פני הטמפרטורות. היציבות חשובה במיוחד כשמשתמשים במגמת השינוי במהירות RMS ככלי דיאגנוסטיקה. שינויים בקריאות התאוצה לאורך הזמן או על פני הטמפרטורות יצטברו במהלך האינטגרציה המייצרת את נתוני המהירות, תוך פגיעה במדידת המגמה.

בנוסף לדרישות הביצועים הללו, ישנן מספר תכונות חיישן שהן חשובות בהיבט של תכנון המערכת. החיישן צריך להיות קטן ככל האפשר כדי למקסם את אפשרויות המיקום במכונה המנוטרת. משקל נמוך חשוב גם כן כדי למנוע ממסת החיישן להשפיע על מאפייני רעידות המכונה.

כדי להקטין את הצורך בשימוש בכבלים קואקסיאליים יקרים עם רעש נמוך כדי לחבר חיישן אנלוגי לדיגיטייזר, מדי-תאוצה רבים לניטור מצבים תעשייתיים משולבים עם ממיר ADC, מעגלי תקשורת, ויתכן גם עיבוד אותות דיגיטליים מסוים בתוך מודול החיישן. במודולים כאלה, הגודל הקטן וההספק הנמוך שלהם יוצרים את האפשרות לפעולה אלחוטית עם סוללה, המפשטת עוד יותר את המיקום ומפחיתה את עלויות ומורכבות החיווט. הפחתת העלות הכוללת של מודול החיישן משפרת את יחס עלות-תועלת של ניטור המצב, ומאפשרת הזדמנויות נוספות לשימוש בתחזוקה מונעת.

מדי-תאוצה MEMS עומדים באתגרי הביצועים, העלות והאינטגרציה

חידושים בטכנולוגיות תכנון וייצור CMOS אפשרו למדי-תאוצה MEMS קיבוליים לעמוד במאפייני ביצועים ותכני מערכות אלו עבור מגוון רחב של יישומי ניטור תנאים תעשייתיים. מכיוון שהם מיוצרים בתהליכים התואמים לייצור מעגלים משולבים CMOS, מדי-התאוצה MEMS משיגים יתרון משמעותי על פני מדי-תאוצה פייזואלקטריים מסורתיים - התקני MEMS יכולים לשלב רבות מהפונקציות של מודול חיישן מלא במארז בגודל-שבב.

הערה: חשוב לציין שבשלב זה לחיישנים פייזואלקטריים יש עדיין מקום והם דומיננטיים ביישומים הדורשים טולרנס טמפרטורות קיצוני או כאשר יש להניח שרעידות של מעל g‏ 50 הן סבירות.

מד-תאוצה MEMS תלת-צירי IIS3DWBTR מבית STMicroelectronics הוא דוגמה טובה (איור 3). התקן זה מכיל שלושה חיישני תאוצה עם רוחב-פס אולטרה-רחב (DC עד kHz‏ 6‏) לצד ממיר ADC, שרשרת סינון דיגיטלית הניתנת להגדרה על ידי המשתמש, חיישן טמפרטורה, FIFO של 3 קילובייט (Kbyte) וממשק טורי SPI, הכל בתוך מארז בהרכבה-משטחית שמידותיו הן ‎2.5 x 3 x 0.83 מילימטרים (מ"מ) בלבד. הוא פועל בהספק נמוך, מ- V‏ 2.1 עד V‏ 3.6, וצורך 1.1 מיליאמפר (mA) בלבד בפעולה מלאה. אופן שינה של 5 מיקרואמפר (µA) יעבור אוטומטית ליקיצה כאשר יש גילוי פעילות. הוא גם חסון, עם תחום טמפרטורת פעולה של 40°C- עד 105°C+ וחסינות מפני זעזועים של g‏ 10,000. רגישות ניתנת-לבחירה (g‏ 2‏±‏, 4‏±‏, 8‏±‏ או 16‏±‏) מאפשרת להתאים אותה למגוון של דרישות יישומים.

איור 3: טכנולוגיית CMOS MEMS מאפשרת מדי-תאוצה כמו ה- IIS3DWBTR מבית STMicroelectronics הכולל ממיר ADC משולב, מסנן דיגיטלי, זיכרון FIFO ועוד, במארזים קומפקטיים בהספק נמוך כדי להקטין למינימוםאת עלויות ניטור הרעידות. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

הופעתם של התקנים כמו ה- IIS3WDB שינתה את מגוון ההזדמנויות עבור ניטור מצב הרעידות. על ידי שילוב של כל המאפיינים החיוניים של מודול חיישן עם נקודת עלות נמוכה, ההתקנים מקטינים למינימום את עלויות ה- BOM הכוללות כדי לבצע ניטור עם יחס עלות-תועלת מיטבי על פני מגוון רחב יותר של יישומים. הגודל הקטן והחישה התלת-צירית (המבטלת את הצורך למקם אותו בכיוון ספציפי) מרחיבים את האפשרויות למיקום החיישן, כולל שיבוץ בתוך המכונות. הממשק הדיגיטלי מאפשר חיווט פשוט לחיבור החיישן למעבדים מארחים לצורך איסוף וניתוח נתונים, בעוד שקדם-עיבוד משולב וחוצץ FIFO הופכים את התקשורת עם המארח לפחות תובענית. מאפיין הספק נמוך פותח את הדלת לפעולה על סוללות.

תכני התקן MEMS יכולים להגיע רחוק יותר ביחס לאינטגרציה. באותו גודל מארז כמו ה- IIS3WDBTR, למשל, ה- ISM330DHCXTR מבית STMicroelectronicsאורז גם מד-תאוצה תלת-צירי וגם ג'ירומטר תלת-צירי עבור חישת תנועה של שש דרגות, כמו גם את כל הפונקציונליות הנמצאת ב- IIS3DWBTR. יתרה מזאת, הוא כולל ממשק C‏^2‏I, יכולת רכזת חיישנים, FIFO 9 Kbyte, מכונת-מצבים (FST) ניתנת-לתכנות עבור עיבוד נתונים, ובלוקי הליבה עבור למידת מכונה כך שההתקן יכול להתאים את פעולתו להתקנה הייחודית שלו.

מודולים המשלבים עיבוד נתונים

עבור יישומים תובעניים עוד יותר, מודולי חיישני MEMS, מושלמים עם עיבוד מובנה, הפכו לזמינים בפורמטים קומפקטיים ביותר. לדוגמה, מודול חיישני הרעידות ADIS16228CMLZ מבית Analog Devices הוא מד-תאוצה תלת-צירי שלם MEMS של g‏ 18‏± עם ממיר ADC משולב ו- FFT של 512 נקודות עבור ניתוח רעידות במרחב התדר - והכל בתוך מארז של 15‏ x‏ 24‏ x‏ 15 מ"מ. (איור 4). ההתקן כולל גם התרעות ניתנות-לתכנות עבור שישה פסים ספקטרליים המסוגלים לשלוח אותות התרעה או גילוי תקלה בהתאם לרמות האנרגיה של אותם פסים.

איור 4: מודולי חיישן הרעידות MEMS המושלם עם עיבוד FFT מובנה וגילוי תקלות מבוסס-תדר, כמו ה- ADIS16628 מבית Analog Devices, זמינים במארזים חסונים וקומפקטיים. (מקור התמונה: Analog Devices)

טכנולוגיית MEMS מציעה מערכות חיישנים שלמות המסוגלות לטפל כל הדרך עד g‏ 50‏±. ל- ADCMXL3021BMLZ מבית Analog Devices, לדוגמה, יש רוחב-פס חיישן של kHz‏ 10‏, ממירי ADC עם kSPS‏ 220 (קילו-דגימות-בשנייה), מסננים דיגיטליים והתרעות מותנות מבוססות FFT וזמן הניתנות-להגדרה על ידי המשתמש. אך אפילו עם כל יכולות העיבוד המובנות שלו, ההתקן צורך רק mA‏ 30‏ (טיפוסי) ב- 3.3 וולט.

מודולי מערכת חיישני רעידות שלמה אלו מציעים אפשרויות רבות הניתנות-להגדרה על ידי המשתמש עבור מאפיינים כגון רוחב-פס מסנן קדם-עיבוד, פונקציית חלונות FFT, סף פס-תדרים, סטטיסטיקות במרחב הזמן וכדומה. השימוש בהם ביעילות דורש מהמשתמשים הבנה טובה של מאפייני המערכת ושל טכניקות ניתוח הרעידות הרבות שהם יכולים ליישם. בדומה, מפתחים המבקשים ליצור מערכות ניטור רעידות משלהם באמצעות חיישני שבב כמו IIS3DWB או ISM330DHCX יצטרכו להכיר את מאפייני מערכת היעד שלהם ולהבין את אפשרויות העיבוד שלהם.

התחילו עם ערכת הערכה

כדי להתחיל בבניית רקע זה, ערכת פיתוח כמו STEVAL-STWINKT1 מבית STMicroelectronics יכולה להיות נקודת התחלה טובה (איור 5). מודול הערכה כולל גם את IIS3DWB וגם את ISM330DHCX, ביחד עם מספר חיישנים נוספים ומעבד Arm® Cortex®-M4 עם יחידת נקודה עשרונית צפה לטיפול בעיבוד הנוסף. ניתן להזין את המודול מסוללת ליתיום-יון הכלולה והוא מציע רדיו Bluetooth Low-Energy מובנה כמו גם כרטיס הרחבת Wi-Fi עבור חיבוריות אלחוטית, ההופכים את הערכה למתאימה לשימוש כחיישן ניטור מצב עצמאי בהתקנות בשטח.

איור 5: ערכות פיתוח כדוגמת STEVAL-STWINKT1 לא רק מספקות למפתחים מדי-תאוצה וחיישני MEMS אחרים לצורך ההערכה אלא הן יכולות לעבוד כמודולים עצמאים מן-המדף עבור ניטור תעשייתי. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

הערכה מגיעה עם תמיכה מלאה של מערכת קושחה שלמה עבור פיתוח ניטור מצבים ויישומי תחזוקה פרדיקטיבית. היא כוללת תוכנת-ביניים (Middleware) לניתוח רעידות במרחב הזמן (מהירות ותאוצה RMS) כמו גם במרחב התדר. התוכנה תואמת גם ללוח המחוונים לתחזוקה פרדיקטיבית מבוסס-האינטרנט DSH-PREDMNT של החברה עבור ניטור נתוני חיישן וסטטוס ההתקן. מימושים לדוגמה זמינים עבור המפתחים כדי להעניק להם מפת-דרכים עבור מאמצי פיתוח התוכנות שלהם.

סיכום

בעוד שחיישנים פייזואלקטריים הם עדיין הדומיננטיים ביישומים הדורשים טולרנסי טמפרטורה קיצוניים או משטרי רעידות של מעל g‏ 50, גודלם והצורך שלהם בממירי ADC בדידים וחומרת קדם-עיבוד (עם עלות הכבלים והמורכבות הקשורות) הגבילו מסורתית את תחומי היישום שלהם רק לניטור ציוד רב-ערך.

במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש במדי-תאוצה MEMS המציעים אלטרנטיבה קומפקטית עם יחס עלות-תועלת מיטבי המפשטת את הפרישה ומרחיבה את מגוון היישומים עבור ניטור רעידות. יחד עם הביצועים ההולכים ומשתפרים בהתמדה שהתקנים אלו מציעים, מדי-תאוצה MEMS מאפשרים למתכננים לאמץ מידית את היתרונות של ניטור מצבי רעידות ותחזוקה פרדיקטיבית עבור מכונות בכל הגדלים.