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機械監測是一項眾所周知的工廠(chǎng)機械維護技術(shù)，它是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 或工業(yè) 4.0 計劃的主要組成部分。該計劃正在推動(dòng)更高水平的自動(dòng)化，包括提高生產(chǎn)作業(yè)和分布式信號處理中的數據交換水平。IIoT 的一個(gè)要素是擴展測量和記錄大量工作參數數據的能力，這些參數包括旋轉機械的振動(dòng)水平和溫度。這樣就可以了解機器的當前狀態(tài)，并洞悉即將發(fā)生的故障機理，從而實(shí)現計劃性維護，而避免災難性故障。 IIoT 的“障礙”是需要在整個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間或外部設施（例如石油鉆機或天然氣管道和儲存設施）的多臺機器上安裝和連接加速計、溫度和其他傳感器。 接線(xiàn)問(wèn)題的解決方法是使用智能無(wú)線(xiàn)傳感器，收集并組合振動(dòng)和溫度數據，而這些數據通過(guò)低功耗、大覆蓋范圍的廣域網(wǎng)鏈接至控制室或云。為基于邊緣的處理增加內置計算功能，有助于解讀所有數據并僅傳輸必要的數據，從而讓設計人員可以利用 IIoT 的全部?jì)?yōu)勢。 本文首先討論機器維護基礎知識，接著(zhù)介紹來(lái)自 TE Connectivity Measurement Specialties 的無(wú)線(xiàn)加速計/溫度傳感器。然后說(shuō)明如何選擇和應用這些器件。 為什么機器維護至關(guān)重要 工廠(chǎng)車(chē)間中的機器需要保持運轉，以確保不會(huì )出現中斷和成本高昂或災難性的停機。這就要求對關(guān)鍵機器進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)的維護和維修。尤其關(guān)注工業(yè) 4.0 的現代制造商往往會(huì )主動(dòng)出擊，將關(guān)鍵路徑上的機器納入預防性維護計劃。這需要檢測、記錄數據和分析機器的關(guān)鍵參數，如振動(dòng)水平和溫度，這些參數是機器當前運行狀態(tài)的關(guān)鍵指標。這就要求將所有機器相關(guān)數據發(fā)送至控制室、云或其他中心位置，以進(jìn)行監測和分析。過(guò)去，這是通過(guò)在受監測機器與控制室之間布設電纜來(lái)實(shí)現。這種方法成本高昂，并且需要大量的維護工作。IIoT 的發(fā)展使機器到控制室的傳感器不再需要硬接線(xiàn)，取而代之的是網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)連接。 下面以一個(gè)傳統機器監測應用為例：一臺配備加速度計的典型機器。來(lái)自變送器的所有振動(dòng)數據都會(huì )傳送至控制室，并分析是否有任何非常明顯的問(wèn)題，而且可以存檔以供參考，以分析表明需要維護的長(cháng)期變化。請考慮一下從安裝在風(fēng)扇框架上的加速計獲得的三葉冷卻風(fēng)扇振動(dòng)特征（圖 1）。 
圖 1：以每分鐘 1,668 轉的轉速運轉的三葉冷卻風(fēng)扇的振動(dòng)特征（右）及其快速傅里葉變換頻譜（左）。譜峰包含表征風(fēng)扇運轉的所有必要信息。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 加速計信號顯示在右側網(wǎng)格中。這是一項時(shí)間記錄，顯示了以 gs 為單位的加速度與時(shí)間的關(guān)系，并包含 100,000 個(gè)樣本。加速計的輸出是電信號，其比例系數或靈敏度為每 g 100 毫伏 (mV/g)。該電壓信號經(jīng)測量?jì)x器重調，從而以 gs 讀取。 加速度時(shí)間記錄看似隨機，但是通過(guò)執行快速傅里葉變換 (FFT) 并將加速度信號視為頻率的函數（頻譜），如左側網(wǎng)格所示，解讀會(huì )變得更加清晰。該頻譜描繪了信號線(xiàn)性幅度 (gs) 與頻率 (Hz) 之間的關(guān)系。該頻譜上標記了七個(gè)峰。這些峰與風(fēng)扇的特性（即轉速和電源線(xiàn)頻率）有關(guān)。 27.8 Hz 處的峰（左起第二個(gè)）是風(fēng)扇電機的轉速，27.8 Hz 對應于每分鐘 1,668 轉的轉速。此外，還標出了 55.6、83.6 和 194.7 Hz 處的轉速諧波，這些信號的相對電平指示諸如機械松動(dòng)等問(wèn)題。83.6 Hz 處的三次諧波具有更高的幅度，因為它也是葉片通過(guò)頻率。電機每次轉動(dòng)引起振動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇葉片會(huì )通過(guò)支撐結構三次。這加入到旋轉的三次諧波中，使其幅度高于其他諧波。120 Hz 處的大峰值歸因于感應電機的旋轉磁場(chǎng)。其在 92 和 148 Hz 處具有來(lái)自機械旋轉的邊帶。 很明顯，FFT 大幅減少了必須傳輸的數據量。振動(dòng)信號的 100,000 個(gè)樣本可以分解為此機器需要傳輸的七個(gè)關(guān)鍵峰。如果此處理在變送器中進(jìn)行，則僅需要發(fā)送有關(guān)譜峰的信息，從而降低通信通道上的負載。 加速計 加速計是一種振動(dòng)傳感器，其產(chǎn)生與機械加速度成比例的電壓輸出。壓電式加速計使用已知質(zhì)量來(lái)壓縮壓電元件，例如陶瓷或石英元件，以產(chǎn)生與傳感器加速度成比例的電壓。無(wú)線(xiàn)壓電式加速計的示例包括 TE Connectivity Measurement Specialties 的型號 8911-A 和 8911-E。這些單一的電池供電器件將兩個(gè)傳感器、數據收集器、數字信號處理器和無(wú)線(xiàn)電組合到一個(gè)緊湊型器件中，可同時(shí)測量振動(dòng)和溫度（圖 2）。
圖 2：TE Connectivity Measurement Specialties 的 8911 無(wú)線(xiàn)加速計在緊湊型電池供電器件中包含加速計、溫度傳感器、微處理器和無(wú)線(xiàn)電。（圖片來(lái)源：TE Connectivity Measurement Specialties） 加速計的最大加速度范圍為 ±50 g，靈敏度為 100 mV/g，以及大于 10 千赫 (kHz) 的 ±1 分貝 (dB) 帶寬。所有這些均包含在環(huán)境密封的不銹鋼和聚合物外殼中，工作溫度范圍為 -20° 至 60°C。該加速計由一節可更換的 3 伏 CR123 電池供電。 微處理器負責運行控制和振動(dòng)數據的信號處理。溫度數據來(lái)自微處理器中的嵌入式溫度傳感器。微處理器對獲取的振動(dòng)數據執行 FFT 分析。FFT 的評估顯示了振動(dòng)數據中八個(gè)最重要加速度峰值的中心頻率、峰值幅度和總頻譜含量百分比。如前所述，峰值頻率和幅度是機器診斷所需的關(guān)鍵參數。若傳輸的數據量減少，則可減少通信信道帶寬、增加覆蓋范圍并降低 8911 加速計的功耗。該加速計的典型電池壽命為五年。如此長(cháng)的電池壽命減少了加速計的必要維護工作，這是一種非常理想的情況。 通信通道 該加速計使用 LoRaWAN A 類(lèi)通信協(xié)議，該協(xié)議在歐洲利用 868 兆赫茲 (MHz) (8911-E)、在美國利用 915 MHz (8911-A) 無(wú)牌照無(wú)線(xiàn)電頻率。LoRaWAN A 類(lèi)協(xié)議提供了一種簡(jiǎn)單、可靠且安全的通信通道，允許將機械診斷擴展至禁止安裝有線(xiàn)系統的工廠(chǎng)區域。 LoRaWAN 是 LoRa 聯(lián)盟所管理的開(kāi)放標準。采用的是來(lái)自 Semtech Corporation 的專(zhuān)有擴頻技術(shù)。該標準使用可輕松生成的調頻式“啁啾”來(lái)產(chǎn)生具有高抗擾度的擴頻信道，能夠提供 5 至 15 公里 (km) 的可靠通信范圍。根據范圍的不同，數據速率可高達 50 kbps。 8911 無(wú)線(xiàn)加速計能夠進(jìn)行雙向通信。除了傳輸振動(dòng)和溫度測量值，變送器還可以接收遠程控制信號，從而可將加速計的采樣周期設置為每分鐘一次到每天一次。工作時(shí)，8911 加速計會(huì )在啟動(dòng)時(shí)執行自診斷程序。然后，它會(huì )嘗試使用空中激活 (OTAA) 加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò )。該器件將在內部“加入”計時(shí)器的控制下，按照預先計劃的時(shí)間表重復這一操作。成功加入網(wǎng)絡(luò )后，它將進(jìn)入采樣模式并開(kāi)始處理振動(dòng)和溫度數據。 程序化的工作流程包括采集振動(dòng)信號、對采集到的信號進(jìn)行 FFT、檢測并提取重要的振動(dòng)峰，最后將數據傳輸至網(wǎng)絡(luò )。 使用的數據協(xié)議是固定的（圖 3）。
圖 3：LoRaWAN 數據協(xié)議顯示數據傳輸至網(wǎng)絡(luò )的順序。（圖片來(lái)源：TE connectivity Measurement Specialties） 電池狀態(tài)是所傳輸的第一個(gè)數據。該數據是電池容量，以百分比為單位。緊隨其后的是 FFT 頻譜峰值的數目，當前設置為八個(gè)。第三個(gè)數據元素是溫度，以?xún)蓚�(gè)字節發(fā)送。接下來(lái)，發(fā)送所測頻段中的總頻譜能量，同樣為兩個(gè)字節。積分大小與在峰值檢測算法中確定的峰寬有關(guān)，還是兩個(gè)字節。然后是峰值數據，從第一個(gè)峰開(kāi)始：兩個(gè)字節代表頻率，兩個(gè)字節代表幅度，然后是一個(gè)字節代表該峰值幅度與總頻譜幅度之比。對于剩余的七個(gè)峰值，每一個(gè)都會(huì )重復最后三個(gè)數據值。同樣，傳輸的數據量小，因此電池壽命長(cháng)，所需通信帶寬窄。 使用加速計 加速計可采用任何方向安裝；常見(jiàn)的安裝方向是垂直或水平。加速計可使用三種方法中的任何一種安裝到機器上（圖 4）。加速計的底座帶有 ¼-28 NF 螺紋，可使用制造商提供的三種雙螺柱（¼-28:¼-28、¼-28:M6 或 ¼-28:M5）中的任何一種來(lái)安裝。此外，還有粘合安裝螺柱和磁吸安裝螺柱。在所有情況下，加速計都必須牢固安裝，因為任何松動(dòng)都會(huì )影響振動(dòng)測量。
圖 4：8911 加速計的三種安裝選擇是螺柱、粘合劑和磁吸。（圖片來(lái)源：TE connectivity Measurement Specialties） 粘合劑安裝需要具有機械剛性的粘合劑。不建議使用壓敏粘合劑或泡棉膠帶，因為柔性安裝會(huì )導致加速度讀數錯誤。推薦使用會(huì )在機械上“固化”的環(huán)氧或氰基丙烯酸酯粘合劑。 磁吸安裝的拉力為 30 lb，與鐵類(lèi)材料制成的機架兼容。 傳感器控件和狀態(tài)指示燈 傳感器具有一個(gè)復位按鈕和兩個(gè) LED（一個(gè)藍色和一個(gè)紅色），用于指示其狀態(tài)。透過(guò)聚合物蓋可看到這兩個(gè) LED。擰下聚合物蓋即可接觸這些控件和指示器。 傳感器上的按鈕將在變送器工作周期的任何時(shí)間點(diǎn)，自動(dòng)啟動(dòng)新的捕獲和數據分析。 藍色 LED 指示燈點(diǎn)亮 2 秒，表示傳感器已成功啟動(dòng)并加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò )。然后，每當成功傳輸并確認傳輸的數據時(shí)，它會(huì )閃爍。 如果傳感器無(wú)法加入網(wǎng)絡(luò )，則紅色 LED 會(huì )點(diǎn)亮 2 秒。如果傳輸的數據包未確認，它也會(huì )閃爍。 結語(yǔ) 工廠(chǎng)自動(dòng)化工程師和設計人員在為 IIoT 做準備時(shí)，需要一種快速有效的方法來(lái)為設備裝備監測功能。如上所述，8911 型加速度計/溫度傳感器提供了一種簡(jiǎn)單、可靠且安全的方法，可在有線(xiàn)傳感器不容易支持的工廠(chǎng)區域增加機器監測功能。內置的信號處理功能為繪制和監測機械性能提供了必要的數據，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò )通信負載降至最低。該產(chǎn)品基于 LoRaWAN，其通信范圍廣、電池壽命長(cháng)，并內置信號處理功能，使其成為 IIoT 或工業(yè) 4.0 應用的理想之選。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Art Pini |
