Важная информация о развивающейся области мониторинга состояния

Постоянно появляются новые технологии мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния оборудования. Новые поставщики IIoT, кажется, появляются на радаре ежемесячно. Сенсорные технологии появляются реже, но новые варианты общепромышленных измерений стали активной областью инвестиций. И, конечно же, нельзя пропустить все новые заявки, платформы и инструменты в мире искусственного интеллекта, появившиеся в той или иной форме.

Эта статья представляет собой постоянное обсуждение технологии Интернета вещей технологом в скромной попытке помочь информировать, прояснить и демистифицировать новые продукты, специфичные для отраслей мониторинга состояния и профилактического обслуживания.
 

За пределами вибрации?

Был задан вопрос:почему нет дополнительных вариантов беспроводных датчиков для обычных промышленных датчиков, таких как состояние масла?

Это справедливый вопрос. Частично ответ заключается в доступности основных технологий преобразователей датчиков. Взрывной рост количества вариантов беспроводных датчиков вибрации стал возможным не только благодаря усовершенствованиям беспроводных протоколов (таких как BLE), но и за счет недорогих микросхемных акселерометров MEMS, которые улучшили характеристики измерения вибрации. MEMS помогла компаниям с компетенциями в области Интернета вещей, но меньшим опытом в традиционных измерениях вибрации, выйти на рынок мониторинга промышленного состояния.

Хотя в университетской лаборатории можно найти датчики, предназначенные для различных показателей здоровья масла или смазки, таких как наличие частиц или влаги, кислотность, общее кислотное число, вязкость и т. д., исследование имеющихся в продаже датчиков контроля состояния масла показывает, что большие корпуса потребляют энергию от источников питания промышленного уровня (т. е. от 10 до 30 В постоянного тока), которые не особенно поддерживают беспроводную передачу данных.

Тем не менее, поставщики IIoT пытаются удовлетворить отраслевые потребности в области датчиков, добавляя топологии «концентратора» датчиков в свой портфель продуктов для беспроводной вибрации. Эти концентраторы по сути представляют собой беспроводные мосты с портами для приема аналоговых входов, подходящих для подключения и оцифровки выходных сигналов общедоступных промышленных датчиков. Эта возможность может помочь расширить набор датчиков, доступных для системы мониторинга состояния.

Доступные сегодня концентраторы IIoT могут оцифровывать сигналы датчиков, пропорциональные температуре и влажности масла, давлению, датчику температуры, ультразвуку, току и вращению машины, которые затем передаются и отображаются через ту же сеть в облачных или мобильных приложениях, что и датчики вибрации из портфолио.

Рис. 1. Беспроводной концентратор KCF Technologies (СЛЕВА) предлагает порты датчиков IEPE, а также датчики тахометра, ультразвука и качества/влажности масла. Концентратор Petasense WIFI (ПРАВЫЙ) предлагает порты, поддерживающие ультразвук, ток, давление, вибрацию (триаксиальный и IEPE) и температуру RTD.

Кроме того, можно увидеть, как поставщики IIoT предлагают инструменты для обслуживания смазки, такие как сбор данных о смазке и запись необходимых действий на существующих информационных панелях наряду с вибрацией.

Рис. 2. Служба PdM компании UpTimeWorks, ориентированная на смазку, разработала беспроводное определение вибрации, данные которого доступны одновременно с заменой масла на тех же информационных панелях (СЛЕВА). Недавно выпущенная маслораздаточная колонка OPTIME C1 от Schaeffler поддерживает беспроводное соединение для мониторинга уровня, ввода в эксплуатацию NFC и информации о типе масла. Данные доступны через те же информационные панели, на которых отображаются данные, передаваемые от датчика вибрации (СПРАВА).

Несмотря на эти разработки, кажется очевидным, что сбор данных и анализ проб масла по-прежнему будут обслуживаться квалифицированными экспертами, а датчики и инструменты IIoT разрабатываются для повышения эффективности — так же, как сегодня происходит мониторинг состояния вибрации.
 

Роль искусственного интеллекта:мы уже там?

Сегодня трудно открыть веб-сайт или платформу социальных сетей, не увидев заголовка об искусственном интеллекте (ИИ). Но что на данный момент на самом деле означает эта фраза, особенно для специалистов по промышленному обслуживанию? Несколько поставщиков IIoT, вышедших на рынок мониторинга состояния в течение последних пяти-десяти лет, активно продвигали возможности искусственного интеллекта в своей системе измерения вибрации. Изменила ли эта возможность правила игры, как многие надеялись?

Для начала давайте более подробно рассмотрим возможности, описанные некоторыми поставщиками, а также некоторые примеры применения подходов к инженерии данных для прогнозного обслуживания.

Рис. 3. Поставщики беспроводной связи, предлагающие ту или иную форму диагностики на основе искусственного интеллекта. СЛЕВА НАПРАВО – Symphony Industrial, Petasense, Nanoprecision и Augury.
 

Подходы, основанные на данных, можно отличить от классической обработки вибрационных сигналов по нескольким аспектам. Базовая статистика может быть применена к форме волны вибрации для создания нескольких «индикаторов» состояний, каждый из которых особенно чувствителен к определенным аспектам поведения машины.

Инженерия данных также попытается создать показатели здоровья, но на основе нескольких источников данных. Диагностика будет эффективной отчасти за счет выявления того, кто внес наибольший вклад в изменение общего показателя здоровья.

Сотрудничество между экспертами по активам и инженерами по обработке данных может расширить охват неисправностей до аномалий, выходящих за рамки тех, которые характерны для вращающегося оборудования. Хорошие результаты также были продемонстрированы при применении подходов к инженерии данных к существующим сигналам управления технологическими процессами без применения новых приборов.

Спектр вибрации, просмотренный опытным аналитиком, может многое рассказать о самом слабом компоненте двигателя или насоса, но эту высоконаглядную диагностическую практику нелегко масштабировать. Напротив, подход к диагностике машин, основанный на данных, является повторяемым и масштабируемым.

При правильном обучении различные алгоритмы машинного обучения будут работать одинаково изо дня в день [1].

Рис. 4. Модель индикатора работоспособности, полученная на основе вибрации, давления и объема потока, используется для мониторинга работоспособности насоса. Доминирующие индикаторы будут указывать на другую возникающую аномалию.
 

Срок службы батареи, спереди и по центру

Поиск в Интернете литературы о времени автономной работы приводит к обстоятельному обсуждению электромобилей, но дает лишь мало ценной информации о роли и поведении аккумуляторов для IIoT.

Сами по себе батареи представляют собой сложные устройства, которые накапливают и передают заряд электрохимическим способом. Это означает, что не только способность доставлять заряд зависит от условий окружающей среды, таких как температура, но также и от других факторов, связанных с применением. Каждый владелец автомобиля на севере США знает, что аккумуляторы не любят холода. Но много ли они знают о том, как ток нагрузки может влиять на емкость аккумулятора или что происходит с емкостью, если аккумулятору дать полностью разрядиться?

Изучая характеристики беспроводных датчиков вибрации, становится понятно, что производительность зависит от условий эксплуатации и конкретного применения. Но интерпретация иногда расплывчатых условий, применяемых к характеристикам срока службы батареи, может оказаться непростой задачей.

Рис. 5. Способность аккумулятора обеспечивать заряд зависит от условий эксплуатации, таких как температура и средняя токовая нагрузка. Критерии измерения для тестирования аккумуляторов, такие как напряжение отсечки или глубина разряда (DOD), также являются ключевыми для оценки емкости. (Изображение предоставлено:Saft Batteries)

В целом для приложений IIoT переменные окружающей среды включают ожидаемое расстояние передачи (мощность радиосигнала), множество металлических препятствий на объекте (повторяющаяся передача из-за ошибок приема), эффективность радиопротокола и объем передаваемых данных. В частности, измерение вибрации — это измеряемая величина, не похожая на все остальные.

Опытные аналитики хотели бы самостоятельно анализировать форму сигнала, а для машин с более низкой скоростью вращения это может означать измерение вибрации с высоким разрешением с длительностью выборки в несколько секунд, в результате чего передается гораздо больше данных, чем просто текущая температура.

Как и следовало ожидать, общий заряд увеличивается с увеличением расстояния передачи из-за большего количества энергии, затрачиваемой на подключение к шлюзу и передачу данных. Датчики вибрации часто настраиваются на ограниченную передачу в течение 24 часов, что также означает, что «спящий» режим доминирует над электрическим током, потребляемым в течение этого периода. Это минимальное потребление тока включает в себя утечку цепи, которая в полупроводниках увеличивается с температурой.

Оба этих эффекта сокращают срок службы батареи, поскольку за каждый период передачи требуется больше заряда.

Примеры данных полевых испытаний беспроводных датчиков вибрации, показывающие изменчивость срока службы батареи беспроводных датчиков, можно увидеть в данных ниже. Общий заряд, израсходованный в течение 24 часов в различных условиях, показывает увеличение расхода заряда как в зависимости от расстояния, так и при рабочей температуре.

Рис. 6. Некоторые предварительные результаты полевых испытаний нескольких беспроводных датчиков вибрации. Общий расход заряда, как и ожидалось, увеличивается с увеличением расстояния передачи и рабочей температуры.
 

Резюме

Добавление возможностей IIoT в набор инструментов PdM позволяет поставщику услуг проводить более частые измерения, помогая тщательно отслеживать машины, которые небезопасны или к которым трудно получить доступ вручную. Данные, собранные через IIoT, также более доступны удаленно и удобны для анализа, а также могут передаваться на передовые платформы обработки данных для объединения с данными от других датчиков, что приводит к более полному диагностическому представлению.

Как и в случае с любым сложным инструментом, практически невозможно понять, как какая-либо из этих технологий будет работать в вашей среде, без определенного масштаба пилотного исследования. Выбор доступных систем и изучение их технических характеристик перед покупкой любого оборудования может стать хорошей инвестицией, особенно если вы не совсем знакомы с сильными сторонами и ограничениями новой технологии.

[1] Предполагается, что основной режим работы машины не изменится. Постоянные условия также необходимы для эффективного отслеживания тенденций показателей вибрационного состояния.