יסודות ניטור רעידות באמצעות VOYAGER4‏ עבור מהנדסי יישום

מאוטומציה ועד מערכות תעשייתיות, מנועים חשמליים הם חיוניים להנעת תהליכים חיוניים במגוון רחב של יישומים. כל כשל או ירידה בביצועים של מנוע עלולים לגרום להשבתה לא-מוצדקת, אשר עלולה לפגוע בפרודוקטיביות ברצפת הייצור, לגרום לעיכובים והפרעות משמעותיים בשרשרת האספקה של היצרן וליצור הפסדים משמעותיים עבור החברה. מלבד איבוד זמן וכסף, זמן ההשבתה הלא רצוי גם פוגע בתדמית היצרן בשוק.

כתוצאה מכך, כדי להבטיח שהמנוע יתפקד כראוי לאורך כל מחזור החיים של המערכת, יש לנטר באופן מתמיד את תקינותן וביצועיהן של מכונות אלו במערכות בהן הן מותקנות. תחזוקה חזויה זו של מכונות ממזערת כשלים, משפרת את האמינות ומגבירה את הפרודוקטיביות ברצפת הייצור. כל זה מתורגם לחיסכון משמעותי עבור החברה.

בעוד שישנם מספר פרמטרים של מכונות מסתובבות שיש לנטר, רעידות הן המאפיין החשוב והשימושי ביותר לבחינת וקביעת תקינות מכונה מסתובבת. זהו משתנה חיזוי מרכזי שניתן להשתמש בו כדי לנטר ולזהות תקלות פוטנציאליות כמו אחיזה רכה, המסבים ובעיות דומות אחרות במכונות מסתובבות. למרות שלא קשה לנטר רעידות, איסוף נתונים ודיווח משמעותי עליהם אינם דבר של מה בכך. זה דורש ניתוח נתונים, אלגוריתמים חדשניים וחיבוריות אלחוטית.

ניטור רעידות מנועים

עבור יישום כזה, .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) פיתחה חיישן אלחוטי לניטור רעידות המשתמש בטכנולוגיית חישת מד תאוצה MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות). חיישני MEMS, המוכרים בזכות גודלם הקטן, צריכת ההספק הנמוכה ותגובת התדר הרחבה המגיעה עד 8 קילו-הרץ, הם הטכנולוגיה המועדפת עבור מגוון רחב של מכונות מסתובבות תעשייתיות.

חיישן MEMS החדש של ADI, ה-VOYAGER4, תוכנן עבור ניטור מבוסס-מצב (CbM) ביישומים רובוטיים ותעשייתיים, ומשלב בינה מלאכותית (AI) בקצה עבור ניתוח נתונים חכם יותר ברמת החיישן. למעשה, זהו פתרון שלם הכולל תמיכה ב-ICs‏, רכיבים והתקנים אחרים כמו מדי תאוצה, מעבדים ומעגלים משולבים לניהול הספקת-כוח (PMICs) (איור 1).

איור 1: דיאגרמת בלוקים שלמה של VOYAGER4.‏ (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ערכת הערכה Voyager4‏

כדי לפשט את הבנת המהנדסים בנושא מערכת ניטור מצב אלחוטית, ADI הכינה את ערכת ההערכה לניטור רעידות אלחוטי VOYAGER4‏, ה-EV-CBM-VOYAGER4-1Z‏. ערכה זו היא פלטפורמת ניטור רעידות שלמה בהספק נמוך, המאפשרת למהנדסים להתקין במהירות פתרון ניטור אלחוטי עבור מנוע חשמלי או מערך בדיקה דומה. הוא משלב את הדברים הבאים:

• החלטות אינטליגנטיות, חכמות יותר ומאובטחות בקצה
• אלגוריתם AI‏ עבור קבלת החלטות בקצה
• הרכבה מכנית ויכולת מדידה של עד רוחב פס של 8 קילו-הרץ
• טכנולוגיית מד-תאוצה MEMS‏ תלת-צירי עם רעש אולטרה-נמוך ובהספק אולטרה-נמוך
• מיקרו-בקר בהספק אולטרה-נמוך וטכנולוגיית Bluetooth Low-Energy‏ (BLE‏) חסונה בהספק נמוך         

ICs‏ וחלקים אחרים של ADI‏ המורכבים על לוח המעגלים המודפסים (PCB‏) של הערכה (איור 2‏) כוללים את חיישני MEMS‏ תלת-ציריים עם יציאה דיגיטלית ADXL382‏ ו-ADXL367‏, MAX32666‏ BLE‏, מיקרו-בקרים AI‏ MAX78000‏, MAX20335‏ PMIC‏, התקני הספקת-כוח MAX17262‏, ו-MAX38642‏. לוח ה-PCB‏ המאוכלס מורכב אנכית על בסיס אלומיניום, עם סוללה המוצמדת למרחיק (Standoff‏). הוא כולל גם חור עם תבריג M6 בבסיס עבור הרכבת יתד בורג על מארז המנוע. היחידה כולה עטויה במארז אלומיניום בקוטר של 46 מ"מ וגובה של 77 מ"מ.

איור 2: לוח המעגל המודפס המאוכלס של ה-EV-CBM-VOYAGER4-1Z על בסיס האלומיניום שלו. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

כדי למנוע סיכוך של האנטנה ושל חיבור ה-BLE, המארז משתמש במכסה העשוי פלסטיק ABS (איור 3). זהו חומר חזק לא-מתכתי המאפשר לאותות רדיו לעבור דרכו עם הפרעות מינימליות.

איור 3: המכלל המכני של יחידת החיישן VOYAGER4 עם מארז האלומיניום ומכסה הפלסטיק ABS. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

תוך שימוש באנליזה מודאלית, מהנדסי ADI תכננו מארז מכני יציב המאפשר לחיישן VOYAGER4 לקלוט במדויק נתוני רעידות רגישים מהמנוע או מהמכונה המסתובבת הנבדקת. לשם כך, הוא משתמש באלגוריתם AI‏ קצה כדי לגלות התנהגות מנוע חריגה ולהפעיל קריאה עבור דיאגנוסטיקה ותחזוקה של המכונה. עם זאת, לפני שהתוכנה מתחילה בתהליך הדיאגנוסטיקה שלה, חיישן מד תאוצה MEMS תלת-צירי bit‏-16‏, kHz‏ 8‏ ADXL382‏ נקרא כדי לאסוף את נתוני הרעידות. נתוני הרעידות הגולמיים שנאספו מעובדים לאחר מכן באמצעות מעבד AI‏ MAX78000‏. אם אלגוריתם ה-AI‏ מגלה תקלה או חושד שנתוני הרעידות שגויים, המערכת שולחת התרעה על אנומליה של הרעידות למשתמש דרך רדיו ה-BLE האלחוטי MAX32666.

פעולת מערכת החיישנים

בעיקרון, מערכת החיישנים VOYAGER4 מעבדת את נתוני הרעידות הראשוניים בשיטה מוגדרת היטב (איור 4). כפי שמתואר באיור, הנתונים הגולמיים שנאספו על ידי חיישן ה-MEMS הם בנתיב (a) אל מעבד BLE. עם זאת, לפני שליחתם למשתמש דרך רדיו BLE או חיבור USB באמצעות IC‏ ממשק UART‏ טורי בסיסי USB‏ FT234XD-R‏, נתוני MEMS אלה נשלחים למעבד AI‏ קצה דרך נתיב (b) כדי לחזות נתוני תקלה של המכונה. אם אלגוריתם AI‏ חוזה או חושד בנתוני רעידות פגומים, המערכת משתמשת בנתיב (c) כדי להתריע למשתמש על הנתונים החריגים דרך רדיו BLE. אם נחזתה תקלה או אנומליה, מערכת VOYAGER4 משתמשת בנתיב (d) כדי לשלוח את חיישן ה-MEMS לאופן שינה עד לאירוע הגילוי הבא.

איור 4: עקרון הפעולה של מערכת VOYAGER4. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

המערכת משתמשת בשני מדי תאוצה MEMS, מהסיבה הבאה. בעוד שמד התאוצה ADXL382 MEMS בעל הביצועים הגבוהים משמש לקליטת נתוני רעידות, ניתן להשתמש ב-ADXL367‏ bit‏-14‏, Hz‏ 100‏ בהספק אולטרה-נמוך כדי להעיר את רדיו BLE‏ מאופן שינה עמוקה כאשר מתרחש אירוע רעידות או זעזועים משמעותיים. התקן יקיצה זה צורך nA‏ 180‏ בלבד, מה שתורם לחיסכון משמעותי באנרגיה ולהארכת חיי הסוללה. במקביל, נתוני הרעידות הגולמיים של ה-MEMS מנותבים לרדיו MAX32666 BLE או למיקרו-בקר MAX78000 AI דרך מתג קוטב-יחיד, שתי-דרכים (SPDT), ה-ADG1634BCPZ-REEL7‏. מתג אנלוגי זה מבוקר על ידי מיקרו-בקר BLE.

התקנים היקפיים אחרים המחוברים למיקרו-בקר MAX32666 BLE כוללים את IC מד קיבולת סוללה עם מספר תאים MAX17262, מערך דיודות שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS‏) MAX3207EAUT+T‏, והתקן מאמת מאובטח DS28C40ATB/VY+T‏. בעוד שה-IC‏ מד קיבולת סוללות Li-Ion‏ מממש את אלגוריתם ModelGauge m5 EZ‏ Maxim‏ כדי לנטר את זרם הסוללה, מערך דיודות TVS‏ עם קיבוליות כניסה נמוכה מעניק הגנת ESD‏ של kV‏ 15‏± בהתאם למודלים של גוף-האדם ומרווח-האוויר. בדומה, עבור תקינות הנתונים, המאמת המאובטח מספק סט ליבה של כלי קריפטוגרפיה הנגזרים מפונקציות אבטחה משולבות אסימטריות (ECC-P256) וסימטריות (SHA-256).

ניהול צריכת ההספק וחיי הסוללה

כדי למזער את צריכת ההספק, ה-VOYAGER4 מנהל בצורה חכמה את פעולת ה-PMIC המובנה ביחס לאופני הפעולה של המיקרו-בקר BLE ומעבד ה-AI קצה. בעיקרו של דבר, המיקרו-בקר BLE מאפשר או משבית את היציאות האינדיבידואליות של ה-MAX20335 PMIC עבור אופני הפעולה השונים של ה-VOYAGER4. ה-MAX20335 מציע שני מייצבי Buck‏ עם זרם רגיעה אולטרה-נמוך, ושלושה מייצבים ליניאריים עם מפל-מתח נמוך (LDO‏) עם זרם רגיעה אולטרה-נמוך (איור 5‏). ניתן לתכנת את הערך של כל מתח יציאה באמצעות ממשק C‏^2‏I‏ של ה-PMIC. אם נדרש הספק נוסף, הערכה מספקת מייצב Buck‏ מתח חיובי מתכוונן בעל יציאה יחידה, ה-MAX38642AELT+T, היכול לספק עד mA‏ 350‏.

איור 5: דיאגרמת בלוקים של ה-MAX20335. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

עבור צריכת הספק מינימלית, חיישן VOYAGER4 מכוונן את מאפייני אופן הספקת-הכוח שלו בין מצבים אקטיביים ללא-אקטיביים, בהתאם לאופני הפעולה BLE ו-AI. לדוגמה, באופן למידה, מיקרו-בקר ה-BLE חייב תחילה לפרסם את נוכחותו ברשת ה-BLE ולאחר מכן ליצור חיבור BLE עם מנהל הרשת. לאחר מכן ה-VOYAGER4 מזרים את נתוני ה-MEMS הגולמיים של ה-ADXL382 דרך רשת ה-BLE לצורך למידת אלגוריתם AI‏ במחשב האישי של המשתמש. באופן AI‏ רגיל, מאפייני הפרסום, החיבור והסטרימינג של רדיו BLE מושבתות כברירת המחדל. במקביל, במרווחי זמן מחזוריים, ה-MAX78000 מתעורר ומריץ היסקי AI‏. אם לא מתגלה אנומליה, ה-VOYAGER4 חוזר לאופן שינה עמוקה (איור 6).

איור 6: צריכת ההספק הממוצעת של חיישן VOYAGER4 בציר הזמן בין אירועים. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

איור 6 מראה שכאשר החיישן אינו משדר נתונים גולמיים דרך רדיו BLE, הוא צורך עד 50% פחות הספק. באופן למידה, יש צריכת הספק של כ-mW‏ 0.65‏ כאשר רדיו ה-BLE אקטיבי, מפרסם, מתחבר ומשדר נתונים פעם בשעה. כאשר החיישן פועל באופן AI‏ רגיל, המערכת צורכת mW‏ 0.3‏, גם כאשר החיישן אקטיבי פעם בשעה. ניתוח הנתונים מצביע על כך שעם צריכת הספק של mW‏ 0.3‏, סוללה אחת של mAh‏ 1,500‏ יכולה להספיק לפעולה במשך שנתיים. עם זאת, שימוש בשתי סוללות AA סטנדרטיות של Ah‏ 2.6‏ יכול להאריך את חיי הסוללה לכשבע שנים. עבור משכי זמן ארוכים יותר מומלץ להשתמש בתאי סוללה עם זרמי בסיס נמוכים ופולסים מחזוריים.

ה-GUI‏ והקושחה של ה-VOYAGER4‏

הממשק משתמש גרפי (GUI‏) VOYAGER‏ נכתב ב-Python‏ ומשתמש בספריות מפתח כגון bleak‏, asyncio‏ ו-Tkinter‏ כדי לאפשר ממשק אינטראקטיבי התמחבר לחיישן VOYAGER4‏ באמצעות רדיו BLE‏.

ערכת ההערכה של VOYAGER4 כוללת שני מיקרו-בקרים ומספר התקנים היקפיים, כולל חיישנים, PMICs‏, זיכרון Flash‏ וממשקי תקשורת. ADI מציעה כלים לפיתוח הקוד הדרוש לבקרה ותקשורת עם המחשב המארח. לדוגמה, המהנדסים יכולים למנף את ה-IDE‏ CodeFusion‏ עבור פיתוח משובץ כולל ואת ה-VOYAGER SDK עבור פרישת יישומי AI‏. ספציפית עבור המיקרו-בקרים MAX32666 ו-MAX78000 קיימים משאבי פיתוח ייעודיים עבור תכנות התקנים אלה.

סיכום

חיישן ניטור הרעידות האלחוטי של ADI, ה-VOYAGER4‏, הוא כלי אפקטיבי לניטור מבוסס-מצב של מנועים ברובוטיקה ומכונות מסתובבות אחרות במערכות תעשייתיות. ערכת ההערכה של ADI מאפשרת למהנדסים להבין וליישם את חיישן ה-MEMS הודות להיצע של פלטפורמה שלמה בהספק נמוך עבור התקנה מהירה של ניטור רעידות אלחוטי.