利用無線振動傳感器實現(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
設備的振動剖面非常復雜，隨時間而變化，并且還會因設備材料和位置不同而有所差異。確定在哪里放置傳感器當然非常重要，其主要決定因素是設備類型、環(huán)境和設備的壽命周期。采用現(xiàn)有的高成本傳感器元件時，探測點僅限于幾個或一個，這個問題顯得更加重要。這會導致前期開發(fā)時間顯著延長，因為需要通過反復實驗來確定最佳位置。但在大多數(shù)情況下，其后果是采集的數(shù)據量和數(shù)據質量會受到影響。幸運的是，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，每個系統(tǒng)可以放置多個探頭，從而縮短前期開發(fā)時間和成本，或者使用數(shù)量更少、成本更低的探頭就能滿足要求。
適應壽命周期變化
手持式監(jiān)控系統(tǒng)方法可以根據時間變化(周期、數(shù)據量等)進行調整，而要在嵌入式傳感器中提供同樣的基于壽命周期的調整，必須在前期設計和部署階段就給予關注，實現(xiàn)所需的可調整功能。無論采用何種技術，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調理和處理電路。信號/傳感器調理和處理不僅取決于具體的設備，而且取決于設備的壽命周期。這在傳感器設計中涉及到多種重要考慮因素。首先，模數(shù)轉換處理最好盡早進行(在傳感器頭部，而不是在設備之外)，以便支持系統(tǒng)內配置和調整。理想的傳感器應提供一個簡單的可編程接口，通過快速基線數(shù)據采集來簡化設備設置、濾波操作、報警編程和不同傳感器位置的試驗。對于現(xiàn)有的簡單傳感器，即使它們可以在設備設置時進行配置，但傳感器設置仍然必須做出一些犧牲，以便適應設備在整個壽命期間的維護重點的變化。例如，傳感器應針對設備故障可能性較小的早期階段進行配置，還是針對故障可能性較大且更具危害性的晚期階段進行配置最好使用可在系統(tǒng)內編程的傳感器，以便隨著壽命周期的變化而調整配置。例如，早期的監(jiān)控相對比較稀疏，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)控周期由用戶設置)；除了連續(xù)監(jiān)控以外，還根據用戶設置的報警閾值提供中斷驅動的通知。
性能變化/趨勢的識別
傳感器適應設備壽命周期中的變化，在一定程度上取決于對基線設備響應的了解。利用簡單的模擬傳感器就能獲得基線設備響應，即讓操作人員進行測量，執(zhí)行離線分析，并將此數(shù)據與適當?shù)臉酥疽黄痣x線存儲在特定設備和探頭位置上。更好且更不易出錯的方法是將基線FFT存儲在傳感器頭部，這樣數(shù)據永遠不會誤放?；€數(shù)據還有助于確定報警電平，該值最好也是直接在傳感器上編程設置，以便在隨后的數(shù)據分析和采集中，如果檢測到警告或故障條件，可以產生實時中斷。
數(shù)據可追溯性和文檔記錄
在工廠環(huán)境中，一個適用的振動分析程序可能要監(jiān)控數(shù)十甚至數(shù)百個位置，無論是通過手持式探頭還是通過嵌入式傳感器。在一臺設備的整個壽命周期中，可能需要獲得成千上萬條記錄。預見性維護程序的完整性取決于傳感器采集點的位置和時間的適當映射。為將風險降至最低，以及獲得最有價值的數(shù)據，傳感器應具有唯一的序列號和嵌入式存儲器，并且能夠給數(shù)據添加時間戳。
可靠性
上文重點討論了現(xiàn)有針對過程控制和預見性維護相關的傳感器振動監(jiān)控方法的改善之道。就容錯和監(jiān)控而言，還應當細致審查傳感器本身。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)，我們對傳感器持續(xù)正常工作能有多大信心呢？對于許多現(xiàn)有傳感器，如壓電傳感器等，這種情況確實會造成嚴重的限制，因為它們無法提供任何系統(tǒng)內自測功能。隨著時間的推移，必然會對所記錄數(shù)據的一致性缺乏信心。在設備壽命晚期的關鍵監(jiān)控階段，實時故障通知在時間、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注的重點。高可信度過程控制程序的基本要求是能夠對傳感器進行遠程自測。幸運的是，一些基于MEMS的傳感器可以做到這一點。嵌入式數(shù)字自測能力就此填補了可靠振動監(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監(jiān)控器，具有上述十個關鍵方面所列的所有優(yōu)勢。ADIS16229提供嵌入式頻域處理和512點實值FFT，片上存儲器能夠識別各種振動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據可編程的閾值做出反應。該器件提供可配置的報警頻段和窗口選項，支持對全頻譜進行分析，并配置6個頻段、報警1(警告閾值)和報警2(故障閾值)，從而更早、更精準地發(fā)現(xiàn)問題。其核心是一個多軸寬帶寬MEMS傳感器，可配置的采樣速率(最高20kSPS)和均值/抽取選項支持更精確地評估細微的振動剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測模式，讓我們對其功能和數(shù)據完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程，可以放在振動源附近，并且能以可重復的方式及早檢測小信號，避免了使用手持式設備時各次測量之間由于位置/耦合差異而存在數(shù)據不一致的現(xiàn)象。
和均值/抽取選項支持更精確地評估細微的振動剖面變化。該MEMS傳感器提供數(shù)字自測模式，讓我們對其功能和數(shù)據完整性始終保持信心。該器件為完全嵌入式且可編程，可以放在振動源附近，并且能以可重復的方式及早檢測小信號，避免了使用手持式設備時各次測量之間由于位置/耦合差異而存在數(shù)據不一致的現(xiàn)象。
862MHz/928MHz專有無線協(xié)議接口允許將ADIS16229傳感器節(jié)點放在遠端位置，獨立的網關節(jié)點ADIS16000(參見圖3)則為系統(tǒng)控制設備提供標準SPI接口。如圖4所示，通過該網關最多可控制6個遠程傳感器節(jié)點。
圖3.MEMS傳感器節(jié)點(ADIS16229)，通過928MHz RF鏈路連接到網關控制器(ADIS16000)
圖4.6個遠程傳感器節(jié)點自治檢測/收集/處理數(shù)據并無線傳輸?shù)街醒肟刂破鞴?jié)點
隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動傳感器的出現(xiàn)，預見性維護程序開發(fā)人員終于能夠擺脫以往振動分析方法的限制和不足，大幅提高數(shù)據采集過程的質量和完整性。利用這些提供高集成度和簡化可編程無線接口的傳感器，以前只有少數(shù)具備數(shù)十年機器振動分析經驗的技術專家才能駕馭的振動檢測工作，現(xiàn)在一般技術人員就能輕松勝任，有助于振動檢測應用的推廣。這種完全集成的傳感器不需要改造線路和基礎設施，能夠更精確可靠地檢測性能變化，為大幅降低前期開發(fā)和循環(huán)維護成本提供了機會。
作者簡介
Bob Scannell是ADI公司慣性MEMS產品的業(yè)務開發(fā)經理。他在ADI公司工作已達18年，先后從事傳感器、DSP、無線產品的各種技術營銷和業(yè)務開發(fā)工作。之前他曾在Rockwell International公司從事設計和市場方面的工作。他擁有美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)電氣工程學士學位和美國南加州大學(USC)計算機工程碩士學位。
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