Контроль работоспособности машин и ресурсов в промышленных приложениях:взгляд на сенсорные технологии

Данные, полученные в результате мониторинга удаленного оборудования, имеют решающее значение для функционирования любого промышленного процесса. Часто эти данные обрабатываются системой диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA), часто через сеть Ethernet и TCP/IP по топологии шины, звезды или дерева. Системы промышленного Интернета вещей (IIoT) часто дополняют, а в некоторых случаях заменяют эти устаревшие системы, чтобы обеспечить беспроводную сеть узлов, подключенных к шлюзу, который ведет обратно в облако для более сложной обработки данных и аналитики. Независимо от использования проводных или беспроводных технологий, основные датчики, используемые в этих процессах, обеспечивают основу для данных, необходимых для оценки и анализа заводского оборудования.

В этой статье представлен общий обзор приложений для мониторинга состояния промышленных машин и активов, а также обзор некоторых широко используемых сенсорных технологий.

Приложения для мониторинга работоспособности машин и активов в IIoT

Приложения для удаленного мониторинга состояния промышленных машин и активов охватывают широкий спектр отраслевых вертикалей с различными типами датчиков, используемых в сочетании с беспроводными протоколами для обеспечения передачи данных в режиме реального или квазиреального времени. В более традиционной архитектуре SCADA узлы датчиков и исполнительных механизмов подключаются к промышленным модулям ввода-вывода — часто к программируемым логическим контроллерам (ПЛК) или удаленным терминалам (RTU). Эти модули ввода-вывода отправляют данные датчиков в узлы и из них на основе обратной связи от управляющих компьютеров — часто человеко-машинных интерфейсов (ЧМИ) — собирают и распространяют данные на основе ввода данных человеком.

В промышленной беспроводной сенсорной сети (IWSN) несколько узлов датчиков беспроводным образом подключаются к шлюзу в топологии «точка-многоточка» (PtMP) через лицензированный/нелицензированный диапазон и определенный беспроводной протокол. В промышленных приложениях это может варьироваться от отраслевых протоколов, таких как WirelessHART, до сотовых сетей и более коммерческих протоколов, таких как Zigbee. Это обходит проводку отдельных модулей ввода-вывода, присутствующую в архитектуре SCADA, сжимая эту иерархию до упрощенной передачи данных от узлов датчиков к шлюзу/базовой станции и к централизованной облачной платформе для выполнения более сложной аналитики.

Приложения IWSN для мониторинга состояния машин включают промышленное оборудование для позиционирования и двигатели/приводы, а также приложения для мониторинга активов (рис. 1). Индуктивные двигатели, например, используются в огромном количестве машинного оборудования, от прецизионных станков с ЧПУ до больших промышленных кранов, шкивов и конвейерных лент. Любые неисправности в этих машинах могут ухудшить механическую точность или даже привести к отказу и простою завода, что напрямую снижает ценное эксплуатационное время завода с дополнительными затратами времени на ремонт. Некоторые распространенные механические неисправности двигателей:растрескивание стержня ротора, короткое замыкание обмотки, изменения воздушного зазора и неисправности подшипников.

Акселерометры чаще всего используются для анализа данных о вибрации — большинство механических неисправностей вращающихся машин приводят к заметному повышению уровня вибрации. Дополнительные измерения включают анализ сигнатур тока двигателя (MCSA), при котором искажения форм тока от двигателя могут экстраполировать конкретную неисправность на основе амплитуды пика и частоты, на которой возникает пик. Этот метод измерения часто реализуется с помощью накладного трансформатора тока (ТТ).

Помимо акселерометров и датчиков тока, в IWSN часто используются датчики температуры, влажности, давления и уровня. Например, в приложениях для мониторинга активов отслеживание уровня заполнения резервуаров для смешивания химических, пищевых и фармацевтических продуктов имеет первостепенное значение для обеспечения точного количества ингредиентов. В этих случаях можно использовать датчики давления или различные датчики уровня жидкости для измерения уровня заполнения бака. Мониторинг потока воздуха или жидкости можно осуществлять с помощью датчиков давления и жидкости, а также в промышленных системах фильтрации воздуха или в коммерческих системах ОВКВ. В водоочистных и водохозяйственных сооружениях фильтры демонстрируют перепады давления на входной (входной) и сточной (выходной) линиях, где производительность и засорение можно отслеживать и обнаруживать с помощью датчиков давления.

Ряд основных фундаментальных принципов (оптический, электромагнитный, радиолокационный, механический, ультразвуковой, акустический и т. д.) можно использовать для достижения одного и того же результата обнаружения. Это разнообразие можно найти для датчиков уровня, влажности и температуры. Выбор технологии — это баланс между ценой, точностью, форм-фактором, простотой установки/калибровки, скоростью отклика и непрерывным или дискретным мониторингом. В следующих разделах будут рассмотрены некоторые датчики, которые обычно используются в IWSN.

Обзор часто используемых датчиков

Акселерометры – Как указывалось ранее, акселерометры являются краеугольным камнем для мониторинга машинного оборудования для получения данных о вибрации. Это происходит путем сбора таких параметров, как ускорение, замедление и удар из данных о напряжении. Это превращается в вибродиагностику либо во временной, либо в частотной области. При анализе во временной области сбор и распределение выборок сигналов позволяют наблюдать заметные изменения в поведении машины с течением времени. Одна из простых форм анализа вибрации во временной области включает определение «пределов срабатывания сигнализации» с помощью среднеквадратичной (RMS) скорости корпуса машины (стандарт ISO 2372).

Анализ во временной области обычно имеет недостаток, заключающийся в невозможности выявить ошибки раньше, поскольку необходимо собрать больше данных, чтобы отметить наблюдаемую разницу; тем не менее, временные сигналы имеют основные преимущества классификации события, которое является переходным или прерывистым. В частотной области различные неисправности дают очевидные различия в спектральном содержании мощности (т. е. пики скорости вибрации на разных частотах), что позволяет лучше изолировать неисправности. В то время как анализ во временной области часто используется для изучения проблем, которые либо уже известны, либо проявляют очень специфические закономерности, которые ищутся, анализ в частотной области позволяет более широко исследовать работу машины, где выявление неисправностей гораздо более очевидно. Многоосевые акселерометры особенно ценны, поскольку они могут собирать данные как в осевом, так и в радиальном направлениях. Акселерометры могут следовать одному из следующих основных принципов:емкостному, пьезоэлектрическому или пьезорезистивному.

Наиболее часто используются емкостные акселерометры, в которых подпружиненная контрольная масса смещается в дисбаланс под воздействием ускорения. Затем это смещение регистрируется электродами с изменением емкости, что в конечном итоге дает скорость и направление ускорения. Пьезоэлектрические акселерометры также используют контрольную массу; однако сдвиги в контрольной массе вместо этого вызывают напряжение сдвига в пьезоэлектрическом материале, которое напрямую преобразуется в электрический выход. Подобно датчикам давления и уровня, перечисленным в предыдущих датчиках, акселерометр также может использовать пьезорезистивный принцип, используя контрольную массу и тензометрические датчики для получения результата ускорения.

Датчик тока – Промышленные приложения датчиков тока могут включать анализ MCSA для машинного оборудования, интеллектуальные измерения и приложения, связанные с источниками питания (например, управление инвертором, источники бесперебойного питания, сварка и т. д.). Датчики тока используют один из четырех основных принципов:закон Ома, закон Фарадея, эффект Фарадея или измерение магнитного поля.

Резистивный датчик тока шунтового типа будет использовать закон Ома и состоит из резистивного элемента, который действует последовательно с проводником с током, значение тока которого требуется. Таким образом, часть тока проходит через элемент, вызывая падение напряжения, пропорциональное протекающему через него току.

Рисунок 2 иллюстрирует обзор различных сенсорных технологий. Трансформаторы тока (ТТ) используют закон индукции Фарадея. Трансформатор включает несколько обмоток вокруг магнитопровода с высокой магнитной проницаемостью. Первичная обмотка, или токоведущий проводник, может быть как из нескольких витков, так и просто линией, проходящей через сердечник. Переменный ток, протекающий через первичную обмотку, концентрирует линии магнитного потока внутри сердечника или концентратора потока, который, в свою очередь, индуцирует ток во вторичной обмотке, который прямо пропорционален току в первичной обмотке, предлагая измерение тока.

Катушка Роговского использует тот же принцип, но с сердечником с магнитной проницаемостью, подобной воздуху. Индуцированное напряжение во вторичной обмотке пропорционально производной желаемого тока по времени. Поэтому вторичная обмотка в поясе Роговского завершается схемой интегратора на операционном усилителе.

Датчики магнитного поля на эффекте Холла также используются в архитектуре с разомкнутым или замкнутым контуром. Эффект Холла просто описывает перпендикулярный вектор напряжения, который генерируется в присутствии тока и магнитного поля, протекающего через металлическую полосу. Конфигурация без обратной связи похожа на трансформатор тока в том, что проводник с током проходит через центр магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью. Датчик Холла помещается в зазор в сердечнике, создавая напряжение, пропорциональное току. Однако для этого напряжения требуется усилитель, так как выходное напряжение невелико.

Конфигурация с замкнутым контуром вместо этого включает компенсационную катушку или вторичную обмотку, которая создает поле, противодействующее току в проводнике с током, так что на датчике на эффекте Холла не видно магнитного поля. Вторичная обмотка управляется усилителями в ИС измерения тока и заканчивается сопротивлением нагрузки. Ток в токонесущем проводнике пропорционален напряжению на этом выходном резисторе.

Датчик давления – Термин «датчик давления» обычно используется как всеобъемлющий термин, включающий датчик давления, преобразователи давления и преобразователи давления. Как правило, датчики давления производят выходной сигнал 10 мВ, при этом этот выходной сигнал можно использовать на расстоянии от 10 до 20 футов от электрооборудования без заметной потери сигнала. Датчики давления выдают более высокое напряжение (от 0,5 до 4,5 В), которое может перемещаться на расстояние более 20 футов без ухудшения сигнала. Преобразователи давления предлагают токовый выходной сигнал от 4 до 20 мА. Датчики давления могут поставляться в различных конфигурациях, включая мост Уитстона/пьезорезистивные, емкостные, электромагнитные, пьезоэлектрические и оптические.

В этой статье основное внимание уделяется наиболее распространенному типу датчиков давления:конфигурации мостового/пьезорезистивного типа (рис. 3). Наиболее распространенные датчики давления основаны на пьезорезистивном эффекте, при котором изменение сопротивления, возникающее при деформации материала, коррелирует с давлением, под которым находится материал. Как правило, эти датчики имеют измерительную диафрагму, в которой сторона диафрагмы, обращенная к газу/жидкости (т. к высокому давлению. В этом случае диафрагма отклоняется/деформируется соответствующим образом, а тензометрические датчики измеряют разницу давлений между ними, чтобы преобразовать эту информацию в электрическую величину, готовую к передаче.

Тензорезисторы по существу действуют как резистивные элементы, изменение сопротивления которых пропорционально величине прилагаемой к ним деформации. Эти тензорезисторы представляют собой либо тензодатчики со связанной фольгой, изготовленные в процессе напыления, либо диффузионные тензорезисторы кремниевого типа, которые также известны как полупроводниковые тензорезисторы, поскольку они производятся путем диффузии примесей в диафрагму на основе кремния. Преимущество тензорезистора на основе фольги заключается в том, что он выдерживает более высокие давления, в то время как тензодатчик на основе полупроводника обеспечивает более высокую чувствительность, поэтому его часто используют при более низком давлении. Однако на кремниевые тензорезисторы сильно влияет температура, и поэтому они, как правило, имеют более низкие рабочие температуры, чем тензорезисторы из фольги.

Датчик уровня жидкости – Датчики уровня определяют количество жидкости, порошка или гранулированного материала (например, гранул) в контейнере. Подобно датчику давления, это измерение может быть выполнено различными способами. В приведенной выше таблице перечислены некоторые методы с описанием и некоторыми основными соображениями для каждого типа датчика уровня. В этом разделе основное внимание будет уделено гидростатическому датчику на основе диафрагмы.

В частности, датчик гидростатического уровня основан на тех же фундаментальных пьезорезистивных принципах, что и датчик мостового типа, применяемый в датчике давления. Фактически, этот тип датчика уровня жидкости представляет собой датчик давления, в котором повышение/понижение уровня жидкости в резервуаре коррелирует с изменением давления внутри диафрагмы и, таким образом, поддерживает строго линейную зависимость от глубины жидкости в резервуаре. Как показано в уравнении ниже, статическое давление (P) жидкости эквивалентна удельному весу жидкости (γ) и высоте жидкости ( h ).

П =γ*ч

Заключение

Понимание основных сенсорных технологий, используемых в приложениях промышленного мониторинга, может помочь любому, кто занимается проектированием и разработкой промышленных систем. Каждый датчик может использовать множество фундаментальных принципов, каждый из которых имеет свои преимущества и особенности применения. Сбор и распространение данных, полученных от этих датчиков, может включать проводную или беспроводную магистраль, где, в частности, IIoT имеет потенциал для более сложной аналитики данных для будущих промышленных приложений.

Эта статья была написана Тину Озой, менеджером по линейке продуктов компании L-com, Северный Андовер, Массачусетс. Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Ссылка

1. Льюис, Джо. Руководство по измерению и обнаружению уровня твердых частиц . Моментум Пресс, 2014 г.