利用無(wú)線振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)可靠的過(guò)程監(jiān)控
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精密的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程(參見(jiàn)圖1)越來(lái)越依賴于電機(jī)和相關(guān)機(jī)械設(shè)備高效可靠、始終如一的運(yùn)作。機(jī)器設(shè)備的不平衡、缺陷、緊固件松動(dòng)和其它異常現(xiàn)象往往會(huì)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，導(dǎo)致精度下降，并且引發(fā)安全問(wèn)題。如果置之不理，除了性能和安全問(wèn)題外，若導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)修理，也必然會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)率損失。即使設(shè)備性能發(fā)生微小的改變，這通常很難及時(shí)預(yù)測(cè)，也會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為重大的生產(chǎn)率損失。
圖1.工廠環(huán)境下的過(guò)程控制與維護(hù)自動(dòng)化；無(wú)線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的高價(jià)值目標(biāo)
眾所周知，過(guò)程監(jiān)控和基于狀態(tài)的預(yù)見(jiàn)性維護(hù)是一種行之有效的避免生產(chǎn)率損失的方法，但這種方法的復(fù)雜性與其價(jià)值不相上下?，F(xiàn)有方法存在局限性，特別是涉及到分析振動(dòng)數(shù)據(jù)(無(wú)論以何種方式獲得)和確定誤差源時(shí)。
典型數(shù)據(jù)采集方法包括安裝在機(jī)器上的簡(jiǎn)單壓電傳感器和手持式數(shù)據(jù)采集工具等。這些方法存在多種局限性，特別是與理想的全面檢測(cè)與分析系統(tǒng)解決方案相比較，后者可以嵌入機(jī)器上或機(jī)器中，并能自治工作。下面深入討論這些局限性及其與理想解決方案——自治無(wú)線嵌入式傳感器——的對(duì)比。對(duì)完全嵌入式自治檢測(cè)元件的復(fù)雜系統(tǒng)目標(biāo)的選項(xiàng)分析可以分為十個(gè)不同方面，包括實(shí)現(xiàn)高重復(fù)度的測(cè)量、精確評(píng)估采集到的數(shù)據(jù)、適當(dāng)?shù)奈臋n記錄和可追溯性等，下面將對(duì)各方面進(jìn)行說(shuō)明并探討可用方法與理想方法。
精確且可重復(fù)的測(cè)量
現(xiàn)有手持式振動(dòng)探頭(參見(jiàn)圖2)在實(shí)現(xiàn)方法上具備一些優(yōu)勢(shì)，包括不需要對(duì)終端設(shè)備做任何修改，而且其集成度相對(duì)較高，尺寸較大，可提供充足的處理能力和存儲(chǔ)空間。然而，它的一個(gè)主要局限是測(cè)量結(jié)果不可重復(fù)。探頭位置或角度稍有改變，就會(huì)產(chǎn)生不一致的振動(dòng)剖面，從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較。因此，維護(hù)技術(shù)人員首先需要弄清所觀察到的振動(dòng)偏移是由機(jī)器內(nèi)部的實(shí)際變化所致，還是僅僅因?yàn)闇y(cè)量技術(shù)的變化所致。理想情況下，傳感器應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)緊湊并且充分集成，能夠直接永久性地嵌入目標(biāo)設(shè)備內(nèi)部，從而消除測(cè)量位置偏移問(wèn)題，并且可以完全靈活地安排測(cè)量時(shí)間。
圖2.現(xiàn)有的設(shè)備振動(dòng)偏移監(jiān)控手動(dòng)探頭方法缺乏可重復(fù)性和可靠性
測(cè)量的頻率和時(shí)間安排
在高價(jià)值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中，例如制造敏感電子器件時(shí)，過(guò)程監(jiān)控極為有益。這種情況下，裝配線的微小偏移不僅可能導(dǎo)致工廠生產(chǎn)率下降，而且可能使最終設(shè)備的關(guān)鍵規(guī)格發(fā)生偏移。手持式探頭方法的另一個(gè)明顯的局限是無(wú)法實(shí)時(shí)指出有問(wèn)題的振動(dòng)偏移。多數(shù)壓電傳感器同樣如此，其集成度一般非常低(某些情況下僅有一個(gè)傳感器)，需要將數(shù)據(jù)傳送到其它地方進(jìn)行分析。這些器件需要外部干預(yù)，因此可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些事件和振動(dòng)偏移。自治傳感器處理系統(tǒng)則不然，它內(nèi)置傳感器、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，同時(shí)仍然小到足以嵌入設(shè)備中，能夠在第一時(shí)間告知振動(dòng)偏移，并且最佳地顯示基于時(shí)間的狀態(tài)趨勢(shì)。
了解數(shù)據(jù)
上述嵌入式傳感器發(fā)出實(shí)時(shí)通知的構(gòu)想，只有采用頻域分析才能實(shí)現(xiàn)。通常，任何設(shè)備都有多種振動(dòng)源，如軸承缺陷、不平衡和齒輪嚙合等，此外還有設(shè)計(jì)帶來(lái)的振動(dòng)源，例如鉆孔機(jī)或壓制機(jī)在正常工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)?；跁r(shí)間的分析會(huì)產(chǎn)生一個(gè)綜合所有這些振動(dòng)源的復(fù)雜波形，在進(jìn)行FFT分析之前，它提供的信息難以辨別。多數(shù)壓電傳感器解決方案依賴外部FFT計(jì)算和分析。這不僅使得實(shí)時(shí)通知毫無(wú)可能，而且將大部分額外設(shè)計(jì)工作推給了設(shè)備開(kāi)發(fā)商。但是，如果傳感器內(nèi)嵌FFT分析功能，就能即時(shí)確定振動(dòng)偏移的具體來(lái)源。這樣一種完全集成的傳感器元件還能縮短設(shè)備開(kāi)發(fā)商6到12個(gè)月的開(kāi)發(fā)時(shí)間，因?yàn)樗δ芡陚?、?jiǎn)單有效、自治工作。
數(shù)據(jù)訪問(wèn)和傳輸
嵌入式檢測(cè)能夠完美地提供精確實(shí)時(shí)的趨勢(shì)數(shù)據(jù)，但這并不會(huì)提高向遠(yuǎn)程過(guò)程控制器或操作員傳輸數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。嵌入式FFT分析的前提顯然也是模擬傳感器數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)調(diào)理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳輸。事實(shí)上，目前使用的多數(shù)振動(dòng)傳感器解決方案僅提供模擬輸出，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量在傳輸過(guò)程中降低，更不用說(shuō)離線數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性(上文已討論)?？紤]到要求振動(dòng)監(jiān)控的多數(shù)工業(yè)設(shè)備往往存在于高噪聲、運(yùn)動(dòng)、無(wú)法接近、甚至危險(xiǎn)的環(huán)境中，因此業(yè)界迫切希望降低接口線纜的復(fù)雜性，并且同樣在源端執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析工作，以便捕捉到盡可能準(zhǔn)確的設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)信息。具有無(wú)線傳輸能力的傳感器節(jié)點(diǎn)不僅有利于立即訪問(wèn)，而且可大大簡(jiǎn)化傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署并顯著降低成本。
數(shù)據(jù)方向性
現(xiàn)有的許多傳感器解決方案是單軸壓電傳感器。這些傳感器不提供方向信息，因而會(huì)限制我們對(duì)設(shè)備振動(dòng)剖面的了解。缺乏方向性導(dǎo)致需要噪聲非常低的傳感器以便提供所需的分辨能力，這又會(huì)影響成本。多軸MEMS傳感器則不同，如果各軸精密對(duì)準(zhǔn)，確定振動(dòng)源的能力將大幅提高，同時(shí)也有助于降低成本。
評(píng)論