使用无线振动传感器实现连续可靠的过程监控

工厂自动化和整体效率理所当然地受到极大的关注，不仅因为产量的小幅增加也能带来好处，而且还因为减少或消除设备停机的严重成本同样重要的潜力。现在，不再依靠对可用统计数据的识别能力的进步来预测维护需求，或者仅仅依靠训练有素的技术人员，而是可以通过传感和无线传输的进步进行真正的实时分析和控制。

精密工业过程越来越依赖于电机和相关机械的高效和一致运行。机械中的不平衡、缺陷、配件松动和其他异常通常会转化为振动，然后是精度损失以及安全问题。当这些问题得不到解决时，除了性能和安全问题外，生产力损失就不可避免地要发生，因为设备需要离线进行维修。即使是通常难以及时预测的设备性能的微小变化，也会迅速转化为可衡量的生产力损失。

过程监控和基于状态的预测性维护是避免生产力损失的已知且经过验证的方法，但这些方法的价值与其复杂性相匹配。现有方法存在局限性，特别是在分析振动数据（无论如何收集）和隔离误差源时。

典型的数据收集方法包括安装在机器上的简单压电传感器和手持式数据收集工具。这些方法有许多局限性，特别是与可以嵌入机器上或机器中并自主行动的完整检测和分析系统的理想解决方案相比。这些局限性以及与理想（自主和无线嵌入式传感器）的比较将在这里进一步探讨。对实现完全嵌入式和自主传感元件的复杂系统目标的选项分析可以分为十个独立的问题，包括进行高度可重复的测量，准确评估捕获的数据以及适当的文档和可追溯性，下面将讨论可用方法与理想方法。

准确且可重复的测量

现有的手持式振动探头提供了一些实现优势，包括不需要对终端设备进行任何修改，以及它们相对高度集成，鉴于其大（砖）尺寸，允许足够的处理和存储。然而，一个主要的限制是测量缺乏可重复性。探头位置或角度的微小差异会产生不一致的振动曲线，使时间比较不准确。因此，维护技术人员面临的问题是，观察到的任何振动偏移是由于机器内部的实际变化，还是仅仅是测量技术的变化。理想情况下，传感器既紧凑又集成，足以允许直接和永久嵌入感兴趣的设备中，从而消除测量位置偏移的任何问题，并允许完全灵活地安排测量。

测量的频率和调度

过程监控在高价值设备的生产设施中特别有价值，例如，在敏感电子元件的制造中。在这种情况下，装配线上的细微变化不仅可能导致工厂产量下降，还可能导致终端设备关键规格的转变。手持式探头方法的一个明显局限性是缺乏对麻烦振动偏移的实时通知。大多数基于压电陶瓷的传感器也是如此，这些传感器通常处于非常低的集成度（在某些情况下仅为传感器），数据传输到其他地方以供以后分析。这些设备需要外部干预，因此为错过事件/班次提供了机会。另一方面，自主传感器处理系统，包括传感器、分析、存储和报警功能，并且仍然足够小，可以嵌入，提供最快的振动偏移通知，以及显示基于时间的趋势的最佳能力。

了解数据

如上所述，只有采用频域分析，才能从嵌入式传感器发出实时通知。任何给定的设备通常具有多个振动源（轴承缺陷、不平衡、齿轮啮合），包括那些设计使然的来源，例如在其正常运行过程中产生振动的钻头或机械压力机。对设备进行基于时间的分析会产生复杂的波形，将多个源组合在一起，在FFT分析之前提供很少的可识别信息。大多数基于压电陶瓷的传感器解决方案依赖于FFT的外部计算和分析。这不仅消除了实时通知的可能性，而且还给设备开发人员带来了巨大的额外设计负担。通过在传感器上嵌入FFT分析，可以立即将振动偏移隔离到特定来源。鉴于完全集成和自主传感器的完整性和简单性，这种完全集成的传感器元件还可以将设备设计人员的开发时间缩短 12 到 <> 个月。

数据访问和传输

虽然嵌入式传感是实现准确和实时趋势数据的理想选择，但这确实使将数据传输到通常由远程过程控制器或操作员的任务复杂化。嵌入式FFT分析显然还假设模拟传感器数据已经过调理并转换为数字数据，以支持简化的数据传输。事实上，目前使用的大多数振动传感器解决方案都是模拟输出，导致传输过程中信号衰减，更不用说已经讨论过的离线数据分析的复杂性。鉴于大多数需要振动监测的工业设备往往存在于嘈杂、移动、难以接近甚至危险的环境中，人们强烈希望不仅要降低接口布线的复杂性，还要在源头执行尽可能多的数据分析，以尽可能准确地捕获设备振动的表示。无线传感器节点不仅便于即时访问，而且大大简化了传感器网络的部署，并大大降低了成本。

数据方向性

许多现有的传感器解决方案都是单轴压电传感器。这些压电传感器不提供方向性信息，因此限制了对设备振动曲线的理解。缺乏方向性意味着需要非常低噪声的传感器来实现必要的辨别，这也会影响成本。基于多轴MEMS的传感器的可用性，如果跨轴精确对齐，可以显着提高隔离振动源的能力，同时也有可能降低成本。

传感器的位置和分布

设备振动曲线复杂、时移，并且容易受到设备材料和位置差异的影响。传感器的放置位置当然至关重要，但也高度依赖于设备类型、环境甚至设备的生命周期。由于现有的高成本传感器元件将探测点的数量限制在几个或一个，这个问题更为关键。这意味着要么需要大量额外的前期开发时间，要么通过实验确定最佳放置，要么在大多数情况下会导致要捕获的数据量和质量有所妥协。以现有成本的一小部分存在更完全集成的传感器探头，可以允许每个系统放置多个探头，减少前期开发时间/成本，或者只是更少和更便宜的传感器。

适应生命周期变化

虽然手持式监控系统方法也许可以根据随时间的变化（周期性、数据量等）进行定制，但在嵌入式传感器中提供基于相同生命周期的定制需要在设计和部署期间预先关注，以实现所需的可调性。无论技术如何，传感器元件当然都很重要，但通常更关键的是围绕传感器的传感器调节和处理。信号/传感器调节和处理不仅特定于独特的设备，还特定于设备的生命周期。这转化为传感器设计中的几个重要考虑因素。首先，早期的模数转换（在传感器头，而不是关闭设备）允许在系统内进行配置/调谐。理想的传感器将提供一个简单的可编程接口，通过快速基线数据捕获、过滤操作、警报编程和不同传感器位置的实验来简化设备设置。对于现有的简单传感器，只要其中任何一个都可以在设备设置中配置，则必须在传感器设置中做出一些妥协，以适应设备生命周期内维护问题的变化。例如，当设备故障的可能性较小时，是否应将传感器配置为早期使用;还是寿命结束，当故障不仅可能而且可能更有害时？首选方法是系统内可编程传感器，允许对生命周期的变化进行配置。例如，在早期使用期间相对不频繁的监控（用于最低功耗），然后重新配置为频繁（用户编程的周期）监控，一旦观察到偏移（警告阈值），除了连续监控和中断驱动的通知，用户编程的报警阈值。

识别绩效变化/趋势

使传感器适应设备生命周期的变化在某种程度上取决于对基线设备响应的了解。即使是简单的模拟传感器也可以做到这一点，假设操作员进行测量，进行离线分析，并将这些数据离线存储，以某种方式正确标记到特定设备和探头位置。一种首选且不易出错的方法将允许在传感器头存储基线FFT，从而消除任何错放数据的可能性。基线数据还有助于建立警报级别，理想情况下，该级别将直接在传感器上进行编程，因此，在任何后续数据分析/捕获中，检测到警告或故障条件并可以生成实时中断。

数据可追溯性和文档记录

在出厂设置中，适当的振动分析程序可以通过手持式探头或嵌入式传感器监测数十甚至数百个位置。在给定设备的生命周期中，这可能需要捕获数千条记录。预测性维护计划的完整性取决于传感器收集点的位置和时间的正确映射。为了获得最低风险和最有价值的数据，除了嵌入式存储外，传感器还应具有唯一的序列号和为数据添加时间戳的能力。

可靠性

上述讨论重点介绍了改进与过程控制和预测性维护相关的现有基于传感器的振动监测方法的方法。本着容错和监测的精神，应该仔细检查传感器本身。如果传感器出现故障（性能偏移）而不是设备，该怎么办？或者，当使用完全自主的传感器（如理想状态）运行时，我们对传感器继续工作有多大信心？对于许多现有的传感器，例如基于压电陶瓷的传感器，这带来了严重的限制，因为它们无法提供任何类型的系统内自检。随着时间的推移，人们总是对记录的数据的一致性缺乏信心，在寿命结束的关键监控阶段，实时故障通知对时间和成本至关重要（更不用说一个重大的安全问题），总是担心传感器可能变得无法正常工作。高置信度过程控制程序的一个基本要求是能够远程自检传感器。幸运的是，这可以通过一些基于MEMS的传感器来实现。因此，嵌入式数字自检功能弥补了可靠振动监测系统的最后差距。

ADI公司的ADIS16229是一款完全自主的无线频域振动监测器示例，具有上述十个关键问题中概述的所有优势。ADIS16229具有嵌入式频域处理、512点实值FFT和板载存储功能，能够识别和分类各个振动源，监控其随时间的变化，并对可编程阈值电平做出反应。该器件提供可配置的频谱报警频段和窗口选项，允许通过配置六个频段（Alarm1（警告阈值）和 Alarm2（故障阈值）来分析全频谱，以便更早、更准确地检测问题。其核心是基于MEMS的多轴宽带宽传感器，具有可配置的采样率（高达20 kSPS）和平均/抽取选项，可以更准确地评估微小的振动曲线变化。MEMS传感器提供数字自检模式，为功能和数据完整性提供持续的信心。该设备完全嵌入且可编程，可以放置在靠近振动源的位置，并以可重复的方式早期检测小信号，避免由于测量之间的位置/耦合差异而导致的数据差异，使用手持设备时可能就是这种情况。

862 MHz/928 MHz专有无线协议接口允许远程定位ADIS16229传感器节点，并由单独的网关节点ADIS16000（见图3）提供支持，该节点为任何系统控制器器件提供标准SPI接口。如图4所示，最多可以通过网关控制六个远程传感器节点。

图3.基于MEMS的传感器节点（ADIS16229），具有928 MHz至网关控制器的RF链路（ADIS16000）。

图4.六个远程传感器节点自主检测/收集/处理数据，并以无线方式传输到中央控制器节点。

完全集成且可靠的振动传感器具有自主和可配置操作的能力，使过程控制和预测性维护程序开发人员能够显着提高数据收集过程的质量和完整性，而不受过去振动分析方法的限制和妥协。凭借高集成度和简化的可编程和无线接口，这些传感器还可以通过降低采用这一关键工具的障碍来实现更普遍的振动传感部署，而这种工具以前仅限于少数具有数十年机器振动分析经验的高技能技术人员。这种完全集成的传感器不依赖于改造的布线/基础设施，并且可以更精确、更可靠地检测性能变化，从而大大降低前期和经常性维护成本。

审核编辑：郭婷