שימוש בחיישן‏ MEMS עבור ניטור רעידות

ניטור רעידות (VM) קיים כבר זמן רב ומשמש לניטור בריאות מכונה, ציוד או מבנה. נתוני הרעידות הנאספים על ידי חיישנים יעודיים במהלך העבודה של מכונה מנוטרים ומנותחים בזמן-אמת.

המטרה העיקרית של ניטור רעידות היא להקטין את הסיכון לנזק קטלני ומצבי השבתה פוטנציאליים של קו-ייצור, ובכך להוביל לבקרה ולהפחתה בעלויות תפעוליות סופיות.

נתוני הרעידות מחיישן רעידות יכולים לשמש ככניסה יחידה או להיות משולבים עם נתוני חיישנים אחרים, תלוי בדרישות התפעוליות. לדוגמה, ביישום של אוטומציית מפעל, נתוני הרעידות ניתנים לשילוב עם:

1. טמפרטורה
2. עשן
3. לחות
4. ‏לחץ‏
5. צליל

שילוב זה מייצר‏ מערכת שלמה שתספק פתרון חזק ואמין יותר.

במקרי שימוש מסוימים אחרים כמו ניטור מבנה, נתוני הרעידות ניתנים לשילוב עם נתוני מצב הנטיה הנאספים באמצעות מד נטיה כדי לקבוע את הבריאות של המבנה.

הנתונים הנאספים מוזנים אל תוך אלגוריתמים יעודיים, כולל האלגוריתמים הצצים של בינה מלאכותית (AI) , כדי לפתח מודל שיכול לחזות תקלה עתידית פוטנציאלית. מידע החיזוי של המודל יכול לשמש אחר כך לבניית ידע עבור קבלת החלטות באם יש צורך לנקוט בפעולות מיידיות כלשהן כדי למנוע אבדן פרודוקטיביות.

מגמה חדשה באוטומציית מפעל היא ההופעה של אלגוריתמים AI, שיכולים להיות מאומנים לחזות אילו משימות יש לבצע על בסיס נתוני חיישן. זה מקטין את הנטל על מפעילים בודדים שבעבר היו צריכים לקבל החלטות קריטיות קשות וגוזלות זמן. מפעל ממוכן אוטונומית מסיר את האחריות ממפעילים אינדיבידואליים ומגיב אוטומטית לכל שינוי בתנאי הפעלה.

חיישן רעידות

רכיב מפתח ביישום ניטור רעידות הוא חיישן רעידות. חיישני הרעידות החדישים מבוססים על טכנולוגיית מערכות אלקטרו-מכניות זעירות (MEMS) המשתמשת באותו עיקרון של גילוי תאוצה במדי תאוצה. ההבדל העיקרי הוא רוחב הפס של החיישן. ‏מד תאוצה MEMS הוא בעל רוחב פס אופייני של 3‎ kHz‏, בעוד‏ חיישן רעידות מסוגל לגלות רעידות ברוחב פס גבוה משמעותית. היכולת של‏ חיישן רעידות ללכוד אותות תדר-גבוה מאפשרת ניתוח תדר מדויק יותר של הרעידות. חיישן הרעידות MEMS החדיש ביותר מציע‏ רוחב-פס של מעל ‎6 kHz, שנדון בו מאוחר יותר.

חיישן רעידות מבוסס MEMS הוא בעל שימוש נרחב ואיור 1 מספק רשימה של חלק מהיישומים העיקריים. ניטור רעידות מנוע הוא אבן יסוד חיונית של אוטומציית מפעל מצליחה. ניטור רעידות במסילות-ברזל יכול לעזור למנוע תאונות רכבת קטסטרופליות. מכשירי חשמל ביתיים כגון מכונות כביסה צוידו בניטור רעידות מאז תחילת השימוש בחיישני MEMS ביישומים תעשייתיים. יישום ניטור מבנים קיבל תאוצה מאז הופעתם של חיישני MEMS בעלות סבירה. לדוגמה, עיריות נושאות באחריות לנטר רעידות גשרים כדי להבטיח שהמבנים בבריאות טובה ובמצב טוב. נתוני רעידות הגשר, במיוחד במהלך שעות של תעבורת שיא, יכולים לספק מידע רב ערך על כל אי-תקינות שעלולה לגרום להתמוטטות הגשר.

איור 1‏: יישומי חיישן רעידות מסוימים של חיישן MEMS. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

כדי להבטיח שהחיישן יכול לעמוד בדרישות של יישום המטרה, יש לנתח בזהירות את המפרטים הטכניים של‏ חיישן הרעידות. טבלה 1‏ מציגה את הפרמטרים העיקריים של אחד מחיישני הרעידות החדישים ביותר המוצעים על ידי STMicroelectronics. התקן זה יכול ללכוד את הרעידות בחלל התלת-מימדי (x‏, y‏, z‏). שלוש דרגות החופש המוצעות על ידי התקן זה מספקות את הגמישות למקם את ההתקן באוריינטציית הרכבה.

התחום המלא של עד ‎16 g תאוצה לציר הוא מספיק כדי לכסות את תחום אמפליטודת הרעידות הדרוש בדרך כלל כדי לנטר את הבריאות של‏ מכונה.

ההתקן מציע‏ רוחב-פס אולטרה-רחב, הענות תדר קבועה עד 6.3‎ kHz‏ וסינון משובץ המונע frequency aliasing.

מאפיין עיקרי נוסף של התקן זה הוא צפיפות הרעש הספקטרלית הנמוכה מאוד. זהו יתרון‏ חשוב מאוד כשיש ללכוד רעידות בתדר-נמוך.

בהשוואה לחיישן הרעידות הקיים, תחום טמפרטורות העבודה מורחב עד 105‎°C+ כדי לעמוד בדרישה של‏ סביבת עבודה תובענית.

ההתקן יכול להיות מופעל באופן‏ תלת-צירי או באופן חד-צירי, דבר הניתן לבחירה באמצעות אוגרים יעודיים. בהפעלה תלת-צירית, כל שלושת הצירים (x‏, y‏, z‏) פעילים בו-זמנית. בהפעלה חד-צירית, רק ציר אחד פעיל. בהפעלה חד-צירית, הרזולוציה (צפיפות רעש) של הציר הפעיל משופרת משמעותית.

טבלה 1‏: הפרמטרים העיקריים של חיישני הרעידות החדישים ביותר המוצעים על ידי STMicroelectronics.

יישומי ניטור רעידות

ניטור רעידות בדרך כלל מתייחס לניתוח הרעידות של‏ מכונה, ציוד או מכשיר חשמלי ביתי כחלק מיישום‏ כולל הידוע כניטור מצב (Condition Monitoring‏ (CM)) או ניטור מבוסס-מצב (Condition-based Monitoring‏ (CbM)). ניתוח הרעידות משחק תפקיד‏ משמעותי בניטור בריאות המכונה עם הזמן. עם זאת, בנוסף לאיסוף נתוני הרעידות, פתרון ניטור-מצב שלם כולל חיישנים מרובים שאוספים פרמטרים חיוניים של ציוד, כולל טמפרטורה, רעש, לחץ, עשן ולחות. כל אחד מהחיישנים האלה מספק מידע רב-ערך על מצב מסוים של המכונה. נתוני חיישן אלה משולבים, מעובדים ומנותחים על מנת לגבש ידע על המצב הכללי של המכונה, כדי לקבל החלטות קריטיות על תחזוקת המכונה.

איור 2‏ ממחיש חלק מהיישומים העיקריים של ניטור רעידות בשווקים שונים. החלוקה באיור זה מדגישה את החשיבות של איסוף נתוני רעידות וניתוחם כחלק מפתרון CM מקיף. ניתן להשתמש בחיישנים נוספים כדי לאסוף נתונים שישולבו ביחד עבור תוצאה אמינה ויעילה. בפתרונות האחרונים המוצעים בתעשייה, אלגוריתמים אינטליגנטיים המשתמשים בנתוני חיישן מביאים את היכולות והיעילות של פתרונות כאלה לרמה חדשה. פתרונות חדשניים וחזקים אלה יכולים לעזור משמעותית להקטנת עלויות ואי-יעילות הקשורות למצבי השבתת ציוד פס-ייצור שאחרת היו בלתי-נמנעים.

איור 2‏: יישומים שונים של ניטור רעידות. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

מחשוב ענן הפך לאחד החלקים הקריטיים של פתרון נרחב המערב נתוני חיישן שנאספו ממקומות שונים בחברה כדי להבטיח שאין הפסקה ברמה כלשהי באף מקום. יחידת העיבוד המרכזית בענן משמשת לשלב ולנתח את כל הנתונים ולנטר את הציוד ואת המכונות המדוברות בזמן-אמת כדי להבטיח פעילות‏ חלקה וללא-הפסקות.

איור 3‏ מספק רשימה של אבני הבניין החיוניות של‏ מערכת ניטור רעידות. בהתאם לדרישות ולצרכי המערכת, ניתן להרכיב מגוון חיישנים על הציוד שיש לנטר. רשימת החיישנים כוללת:

• רעידות
• מודול חיישן אינרציאלי
• טמפרטורה
• לחות
• ‏לחץ‏
• חיישן תאורת סביבה
• מד שיפוע

דרושה יחידת עיבוד‏ כדי לנתח את הנתונים שנאספו. בהתאם לכמות הנתונים, הפרטיות, ביטחון הנתונים, שיהוי ודרישות ההספק, ניתן לבצע את הניתוחים ביחידת העיבוד המקומית או לשדרם אל מרכז עיבוד ענן היכן שנאספים ומנותחים כל הנתונים מחלקים מרובים

איור 3:‏ אבני יסוד של מערכת ניטור רעידות. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

בנקודה מסוימת לאחר ההתקנה ובמהלך עבודת המכונה, מצב המכונה מתחיל להשתנות. לכן קריטי שכל החיישנים הדרושים יהיו מותקנים כדי לאסוף נתונים על רעש על-שמע ונשמע, רעידות, צריכת הספק, טמפרטורה וכל עשן פוטנציאלי. ככל שהזמן עובר, ההכרח לאסוף פרמטרים של מכונה ונתוני חיישן הופך להיות קריטי כדי לנטר את הבריאות של המכונה.

איור 4‏ מציג את העקומה האופיינית התקנה ונקודת הכשל (Installation and Point of Failure‏ (IPF)) של‏ מכונה מנוטרת. הזמן משינוי מצב המכונה עד לכשל הסופי יכול לקחת חודשים או אפילו שנים לפני שהיא תראה סימפטומים של כשל. ניתוח מוקדם של נתוני החיישנים יכול לתת‏ אינדיקציה על בריאות המכונה ואלגוריתמים AI מאומנים המשתמשים בנתוני חיישן ככניסה יכולים לחזות כשל וליזום את התהליך של נקיטה בפעולות הדרושות.

איור 4‏: עקומת IPF. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

איור 5‏ מספק דוגמה לניטור רעידות של משאבה‏ חשמלית. מצבים שונים, כמו חוסר איזון, התרופפות, גל יציאה ותיבת ההילוכים של המשאבה ניתנים לניטור תוך שימוש בחיישן‏ רעידות. נתוני חיישן הרעידות משודרים אחר כך עבור ניתוח נרחב נוסף, כולל מעבר‏ Fourier מהיר (FFT) של נתוני הרעידות, שיכול לקבוע את חתימת התדר הפרטנית של מצבים אלה.

איור 5:‏ ניטור רעידות של משאבה‏ חשמלית במצבים שונים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

‏מערכת ניטור מצב עבור‏ מנוע חשמלי יכולה לכלול מספר רכיבים בנוסף למנוע החשמלי. הפתרון יכול לכלול חיישנים מרובים, כולל אלה עבור רעידות, טמפרטורה, לחץ וחיישנים נוספים בהתאם לדרישות של סביבת הפעולה. אופציית החיבור בין המשאבה ויחידת העיבוד יכולה להיות חוטית או אלחוטית עם פרוטוקולים יעודיים של פעולה. יחידת העיבוד והניתוח יכולה לספק דיאגנוסטיקה של משאבה וכלי ויזואליזציה כדי לסייע למפעיל לזהות ולהתמודד מראש עם בעיות כגון חריגות בעבודת המשאבה שיכולות לגרום להדממה ושיבושים תפעוליים. מעורבות פרואקטיבית זו יכולה להגדיל רווחי חברה על ידי הקטנת עלויות תפעול ותחזוקה של המפעל.

מסקנה

חיישנים רבים משמשים למימוש פתרון ‏מקיף עבור תחזוקה חזויה. חיישני רעידות מבוססי-MEMS החדישים ביותר מאפשרים פתרונות ניטור יעילים ומשתלמים באוטומציה של מפעלים, תשתיות חשמל, מכשירי חשמל ביתיים ומעקב ופיקוח על בריאות מבנית. ניטור רעידות ניתן לפריסה כפתרון נפרד או כחלק מניטור מבוסס-מצב שהתפתח כחלק אינטגרלי של פתרון מקיף לניטור מכונות שונות על ידי איסוף וניתוח של הנתונים בזמן-אמת. פתרון זה העצים את המפעלים של המאה ה-21 לנטר ולטפל מראש בבעיות המתעוררות משיבושים והשבתה של פרודוקטיביות. ניטור רעידות הוא אבן יסוד קריטית של פתרון מקיף בכל אוטומציה של מפעל.

סימוכין

1. חיישן רעידות דיגיטלי 3-צירים, רעש נמוך, רוחב-פס אולטרה-רחב: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. מיקרופון אנלוגי נקודת חיבור תחתית עם הענות תדר של עד 80‎ kHz עבור יישומי ניתוח על-שמעי ותחזוקה חזויה. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. חיישן טמפרטורה I²C/SMBus 3.0 דיוק ‎0.5 °C, מתח נמוך, הספק אולטרה-נמוך. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/stts22h.html
4. https://www.st.com/en/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview
5. https://www.st.com/en/applications/factory-automation.html