Передовые сенсорные технологии: усиление мониторинга состояния оборудования и активов в промышленных системах

Данные, полученные от мониторинга удаленного оборудования, критически важны для функциональности любого промышленного процесса. Часто эти данные обрабатываются системой supervisory control and data acquisition (SCADA) часто через сеть Ethernet и TCP/IP над шиной, звездой или деревом топологии. Системы Industrial Internet of Things (IIoT) часто дополняют и в некоторых случаях заменяют эти устаревшие системы, чтобы обеспечить беспроводную сеть узлов, подключенных к шлюзу, ведущему обратно в облако для более сложной обработки данных и аналитики. Независимо от использования проводных или беспроводных технологий, базовые датчики, используемые в этих процессах, обеспечивают основу для данных, необходимых для оценки и анализа заводского оборудования.

Эта статья дает обзор промышленных приложений мониторинга состояния оборудования и активов, а также обзор некоторых распространенных сенсорных технологий.

Приложения мониторинга состояния оборудования и активов в IIoT

Удаленные промышленные приложения мониторинга состояния оборудования и активов охватывают огромный спектр отраслей с разнообразными типами датчиков, используемыми в тандеме с беспроводными протоколами для достижения передачи данных в реальном или квази-реальном времени. В более традиционной архитектуре SCADA узлы датчиков/исполнительных механизмов подключаются к промышленным модулям I/O — часто программируемым логическим контроллерам (PLC) или удаленным терминальным блокам (RTU). Эти модули I/O отправляют данные датчиков к и от узлов на основе обратной связи от супервизорных компьютеров — часто человеко-машинных интерфейсов (HMI) — собирающих и распространяющих данные на основе человеческого ввода.

В промышленной беспроводной сенсорной сети (IWSN) ряд сенсорных узлов беспроводно подключается к шлюзу в топологии point-to-multipoint (PtMP) через лицензированный/нелицензированный диапазон и определенный беспроводной протокол. В промышленных приложениях это может варьироваться от отраслевых протоколов, таких как WirelessHART, к сотовым сетям, к более коммерческим протоколам, таким как Zigbee. Это обходит проводку отдельных модулей I/O, найденных в архитектуре SCADA, сжимая эту иерархию к упрощенным передачам данных от сенсорных узлов к шлюзу/базовой станции, к централизованной облачной платформе для выполнения более сложной аналитики.

Приложения IWSN для мониторинга состояния оборудования включают промышленное позиционирующее оборудование и моторы/приводы, а также приложения мониторинга активов (Рисунок 1). Индукционные моторы, например, встречаются в огромном спектре машинного оборудования, от точных станков с ЧПУ до больших промышленных кранов, блоков и конвейерных лент. Любые неисправности в этих машинах могут ухудшить механическую точность или даже вызвать отказ и простой завода, напрямую уменьшая ценное операционное время завода с дополнительными затратами на время ремонта. Некоторые распространенные механические неисправности моторов: раскалывание стержней ротора, короткое замыкание обмотки, вариации воздушного зазора и неисправности подшипников.

Акселерометры наиболее часто используются для анализа вибрационных данных — большинство механических неисправностей в вращающихся машинах ведут к детектируемому увеличению уровней вибрации. Дополнительные измерения включают анализ сигнатуры тока мотора (MCSA), где искажения в формах волн тока от мотора могут экстраполировать конкретную неисправность на основе амплитуды пика и частоты, на которой происходит пик. Этот метод измерения часто осуществляется с помощью зажимного токообразователя (CT).

Помимо акселерометров и датчиков тока, датчики температуры, влажности, давления и уровня часто используются в IWSN. В приложениях мониторинга активов, например, отслеживание уровня заполнения бака для химических, пищевых и фармацевтических смесительных баков имеет первостепенное значение для обеспечения точного дозирования ингредиентов. В этих случаях могут использоваться датчики давления или различные датчики жидкостного уровня для измерения уровня заполнения бака. Мониторинг воздушного или жидкостного потока может быть осуществлен с использованием датчиков давления и жидкости в промышленных системах воздушной фильтрации или коммерческих HVAC системах. На объектах водоподготовки и управления водой фильтры демонстрируют перепад давления на линиях инфлюента (входа) и эффлюента (выхода), где производительность и засорение могут быть отслежены и обнаружены датчиками давления.

Ряд фундаментальных принципов (оптический, электромагнитный, радар, механический, ультразвуковой, акустический и др.) может быть использован для достижения одного и того же сенсорного результата. Это разнообразие можно найти для датчиков уровня, влажности и температуры. Выбор технологии — это баланс между ценой, точностью, форм-фактором, легкостью установки/калибровки, скоростью отклика и непрерывным или дискретным мониторингом. Следующие разделы затронут некоторые из часто используемых датчиков в IWSN.

Обзор распространенных датчиков

Акселерометры

Как указано ранее, акселерометры являются краеугольным камнем для мониторинга машинного оборудования по вибрационным данным. Это происходит путем сбора параметров, таких как ускорение, замедление и удар, из данных напряжения. Это превращается в вибродеагностику либо во временной, либо во частотной области. Во временной области сбор и распределение отсчетов сигнала позволяют заметить изменение поведения машины во времени. Одна простая форма временного анализа вибрации включает определение «пределов тревоги» со среднеквадратичной скоростью (RMS) корпуса машины (стандарт ISO 2372).

Временной анализ в общем имеет недостаток неспособности выявлять неисправности раньше, так как нужно собрать больше данных, чтобы отметить наблюдаемую разницу; однако временные волны имеют главное преимущество классификации события, которое является переходным или интермитентым. В частотной области различные неисправности дают видимые различия в спектральной мощности (то есть пики скорости вибрации на различных частотах), позволяющие лучше изолировать неисправность. В то время как временной анализ часто используется для изучения проблем, которые уже известны или демонстрируют очень специфические паттерны, которые ищутся, частотной анализ позволяет более широкий обзор работы машины, где выявление неисправностей гораздо более очевидно. Многiakoordinate акселерометры особенно ценны, так как они способны собирать данные как в осевом, так и в радиальном направлениях. Акселерометры могут следовать одним из этих фундаментальных принципов: емкостной, пьезоэлектрический или пьезорезистивный.

Наиболее часто используются емкостные акселерометры, где пружинно-подвешенная доказательная масса смещается в несбалансированное состояние под напряжением ускорения. Это смещение затем регистрируется электродами с изменением емкости, что в конечном итоге дает скорость и направление ускорения. Пьезоэлектрические акселерометры также используют доказательную массу; однако смещения в доказательной массе вместо этого вызывают сдвиговые напряжения в пьезоэлектрическом материале, которые напрямую преобразуются в электрический выход. Аналогично датчикам давления и уровня, перечисленным в предыдущих датчиках, акселерометр также может использовать пьезорезистивный принцип с доказательной массой и тензодатчиками для получения результата ускорения.

Датчики тока

Промышленные применения датчиков тока могут включать анализ MCSA для машинного оборудования, умное измерение и применения, связанные с источниками питания (например, управление инверторами, источники бесперебойного питания, сварка и т.д.). Датчики тока используют один из четырех основных принципов: закон Ома, закон Фарадея, эффект Фарадея или чувствительность к магнитному полю.

Резистивный шунтирующий датчик тока использует закон Ома и состоит из резистивного элемента, который действует последовательно с токоведущим проводником, значение тока которого желательно. Таким образом, часть тока проходит через элемент, вызывая падение напряжения, пропорциональное текущему, протекающему через него.

Рисунок 2 иллюстрирует обзор различных сенсорных технологий. Токообразователи (CT) используют закон электромагнитной индукции Фарадея. Трансформатор включает множественные обмотки вокруг магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью. Первичная обмотка, или токоведущий проводник, может быть либо из нескольких витков, либо 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, прямо пропорциональный току в первичной обмотке, предлагая измерение тока.

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

Датчики магнитного поля Холла также используются либо в открытой, либо в замкнутой архитектуре. Эффект Холла просто описывает перпендикулярный вектор напряжения, генерируемый в присутствии тока и магнитного поля, протекающих через полосу металла. Открытая конфигурация выглядит похоже на токообразователь в том, что токоведущий проводник проходит через центр магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью. Датчик эффекта Холла помещается в зазоре в сердечнике, создавая напряжение, пропорциональное току. Однако это напряжение требует усилителя, так как выходное напряжение мало.

Замкнутая конфигурация вместо этого включает компенсационную катушку, или вторичную обмотку, которая создает поле, противоположное току в токоведущем проводнике, так что магнитное поле не видно на датчике эффекта Холла. Вторичная обмотка управляется усилителями в IC датчика тока и завершается нагрузочным сопротивлением. Ток в токоведущем проводнике пропорционален напряжению на этом выходном резисторе.

Датчики давления

Термин «датчик давления» обычно используется как всеобъемлющий термин, включающий датчики давления, преобразователи давления и передатчики давления. В общем, датчики давления выдают выходной сигнал 10 мВ, где этот сигнал может использоваться на расстоянии 10–20 футов от электроники без заметных потерь сигнала. Преобразователи давления выдают более высокие выходные напряжения (0,5–4,5 В), которые могут передаваться дальше 20 футов без деградации сигнала. Передатчики давления предлагают выходной сигнал тока 4–20 мА. Датчики давления могут иметь ряд конфигураций, включая мостовую/пьезорезистивную, емкостную, электромагнитную, пьезоэлектрическую и оптическую.

Эта статья фокусируется на самом распространенном типе датчиков давления: мостовой/пьезорезистивной конфигурации (Рисунок 3). Наиболее распространенные датчики давления полагаются на пьезорезистивный эффект, где изменение сопротивления, возникающее при деформации материала, коррелирует с давлением, под которым находится материал. Обычно эти датчики имеют измерительную мембрану, где сторона мембраны, обращенная к газу/жидкости (то есть гидравлической жидкости, воде, маслу и т.д.), подвергается «опорному» давлению, в то время как другая сторона мембраны подвергается высокому давлению. В этом случае мембрана дефлектируется/деформируется соответствующим образом, и тензодатчики измеряют разницу давления между каждой стороной для преобразования этой информации в электрическую величину, готовую к передаче.

Тензодатчики по сути действуют как резистивные элементы, чье изменение сопротивления пропорционально величине деформации, приложенной к ним. Эти тензодатчики либо типа клееной фольги, изготавливаемые через процесс катяного напыления, либо диффузионные, кремниевые тензодатчики, также известные как полупроводниковые тензодатчики, так как они производятся диффузией примеси в кремниевую мембрану. Фольгированный тензодатчик имеет преимущество выдерживания более высоких давлений, в то время как полупроводниковый тензодатчик предлагает более высокую чувствительность, поэтому он часто используется при низких давлениях. Однако кремниевые тензодатчики сильно влияют температуру и поэтому tend to иметь более низкие рабочие температуры, чем фольгированные тензодатчики.

Датчики жидкостного уровня

Датчики уровня обнаруживают количество жидкости, порошков или гранулярного материала (например, гранул) внутри контейнера. Не в отличие от датчика давления, это измерение может быть выполнено множеством способов. Таблица выше перечисляет некоторые методы с описанием и основными соображениями для каждого типа датчика уровня. Этот раздел сфокусируется на гидростатическом мембранном датчике.

Гидростатический датчик уровня, в частности, опирается на те же фундаментальные пьезорезистивные принципы, что и мостовой датчик, найденный в датчике давления. Фактически, этот тип датчика жидкостного уровня является датчиком давления, где поднимающийся/падающий уровень жидкости внутри бака коррелирует с изменением давления внутри мембраны и тем самым поддерживает высоко линейную зависимость с глубиной жидкости в баке. Как показано в уравнении ниже, статическое давление (P) жидкости эквивалентно удельному весу жидкости (γ) и высоте жидкости (h).

P=γ×h

Заключение

Понимание базовых сенсорных технологий, используемых в промышленных приложениях мониторинга, может дать понимание для любого, кто участвует в проектировании и разработке промышленных систем. Каждый датчик может использовать множество фундаментальных принципов, каждый из которых имеет свои соответствующие преимущества и соображения для приложения. Сбор и распространение данных, полученных от этих датчиков, может включать либо проводную, либо беспроводную магистраль, где IIoT в частности имеет потенциал для более сложной аналитики данных для будущих промышленных приложений.

Эта статья написана Тину Оза, менеджером продуктовой линейки в L-com, North Andover, MA. Для дополнительной информации, посетите здесь .

Ссылки

1. Lewis, Joe. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.