Machinegezondheid en activabewaking in industriële toepassingen:een blik op sensortechnologieën

De gegevens die worden verkregen door het bewaken van externe apparatuur zijn van cruciaal belang voor de functionaliteit van elk industrieel proces. Vaak worden deze gegevens verwerkt door een Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)-besturingssysteem, vaak via een Ethernet- en TCP/IP-netwerk via een bus-, ster- of boomtopologie. Industriële Internet of Things (IIoT)-systemen breiden deze legacy-systemen vaak uit en vervangen deze in sommige gevallen om een ​​draadloos netwerk van knooppunten mogelijk te maken die zijn verbonden met een gateway die terugleidt naar de cloud voor complexere gegevensverwerking en analyse. Ongeacht het gebruik van bedrade of draadloze technologieën, de onderliggende sensoren die in deze processen worden gebruikt, vormen de ruggengraat voor de gegevens die nodig zijn voor het beoordelen en analyseren van fabrieksapparatuur.

Dit artikel biedt een overzicht van industriële machinegezondheid en toepassingen voor het bewaken van bedrijfsmiddelen, evenals een overzicht van enkele veelgebruikte sensortechnologieën.

Machine Health en Asset Monitoring-applicaties in het IIoT

Externe toepassingen voor het bewaken van de gezondheid van industriële machines en het bewaken van bedrijfsmiddelen omvatten een enorm scala aan verticale sectoren met een verscheidenheid aan sensortypen die worden gebruikt in combinatie met draadloze protocollen om realtime of quasi-realtime gegevenstransmissies te bereiken. In de meer traditionele SCADA-architectuur maken sensor-/actuatorknooppunten verbinding met industriële I/O-modules - vaak programmeerbare logische controllers (PLC's) of remote terminal units (RTU's). Deze I/O-modules sturen sensorgegevens van en naar knooppunten op basis van feedback van toezichthoudende computers - vaak Human Machine Interfaces (HMI) - verzamelen en verspreiden gegevens op basis van menselijke input.

In het Industrial Wireless Sensor Network (IWSN) maakt een aantal sensornodes draadloos verbinding met een gateway in een point-to-multipoint (PtMP)-topologie via een gelicentieerde/niet-gelicentieerde band en een bepaald draadloos protocol. In industriële toepassingen kan dit variëren van branchespecifieke protocollen zoals WirelessHART, tot cellulaire netwerken tot meer commerciële protocollen zoals Zigbee. Dit omzeilt de bedrading van afzonderlijke I/O-modules in de SCADA-architectuur, waardoor deze hiërarchie wordt gecomprimeerd tot vereenvoudigde gegevensoverdracht van sensorknooppunten, naar een gateway/basisstation, naar een gecentraliseerd cloudgebaseerd platform om meer gecompliceerde analyses uit te voeren.

De toepassingen van IWSN's voor het bewaken van de machineconditie omvatten industriële positioneringsapparatuur en motoren/aandrijvingen, evenals toepassingen voor het bewaken van bedrijfsmiddelen (Figuur 1). Inductieve motoren zijn bijvoorbeeld te vinden in een enorm scala aan machineapparatuur, van precisie-CNC-machines tot grote industriële kranen, katrollen en transportbanden. Eventuele fouten in deze machines kunnen de mechanische nauwkeurigheid verminderen of zelfs een storing en fabrieksstilstand veroorzaken, waardoor de kostbare bedrijfstijd van de fabriek direct wordt verminderd met de extra kosten van reparatietijd. Enkele veelvoorkomende mechanische storingen voor motoren zijn:scheuren in de rotorstaaf, korte wikkelfouten, variaties in de luchtspleet en lagerfouten.

Versnellingsmeters worden meestal gebruikt voor de analyse van trillingsgegevens - de meeste mechanische fouten in roterende machines leiden tot een waarneembare toename van de trillingsniveaus. Aanvullende metingen omvatten Motor Current Signature Analysis (MCSA), waarbij vervormingen in de stroomgolfvormen van een motor de specifieke fout kunnen extrapoleren op basis van de amplitude van de piek en de frequentie waarop de piek optreedt. Deze meetmethode wordt vaak bereikt door middel van een klemstroomtransformator (CT).

Afgezien van versnellingsmeters en stroomsensoren, worden temperatuur-, vochtigheids-, druk- en niveausensoren vaak gebruikt in IWSN's. In toepassingen voor het bewaken van bedrijfsmiddelen is het bijvoorbeeld van het grootste belang om het tankvulniveau voor mengtanks voor chemicaliën, voedingsmiddelen en farmaceutische producten te volgen om ervoor te zorgen dat ingrediënten met nauwkeurige waarden worden ingevoerd. In deze gevallen kunnen druksensoren worden gebruikt of kunnen verschillende vloeistofniveausensoren worden gebruikt om het vulniveau van de tank te meten. Luchtstroom- of vloeistofstroombewaking kan worden bereikt met zowel druk- als vloeistofsensoren, evenals in industriële luchtfiltratiesystemen of in commerciële HVAC-systemen. In waterbehandelings- en beheerfaciliteiten vertonen filters drukverschillen bij de influent (input) en effluent (output) lijnen waar prestaties en verstopping kunnen worden gevolgd en gedetecteerd door druksensoren.

Een aantal onderliggende fundamentele principes (optisch, elektromagnetisch, radar, mechanisch, ultrasoon, akoestisch, enz.) kan worden gebruikt om hetzelfde meetresultaat te bereiken. Deze variëteit is te vinden voor niveau-, vochtigheids- en temperatuursensoren. De technologiekeuze is een balans tussen prijs, nauwkeurigheid, vormfactor, installatiegemak/kalibratie, responssnelheid en continue of discrete bewaking. In de volgende secties worden enkele van de veelgebruikte sensoren in IWSN's besproken.

Een blik op veelgebruikte sensoren

Versnellingsmeters – Zoals eerder vermeld, zijn versnellingsmeters een hoeksteencomponent voor het bewaken van machineapparatuur op trillingsgegevens. Dit gebeurt door het verzamelen van parameters zoals versnelling, vertraging en schokken uit spanningsgegevens. Dit wordt omgezet in vibrodiagnostiek in het tijddomein of frequentiedomein. In de tijddomeinanalyse zorgt het verzamelen en distribueren van signaalmonsters voor de merkbare verandering in machinegedrag in de loop van de tijd. Een eenvoudige vorm van trillingsanalyse in het tijdsdomein omvat het definiëren van "alarmlimieten" met de Root Mean Square (RMS) snelheid van de behuizing van de machine (ISO 2372-norm).

Tijddomeinanalyse heeft over het algemeen de tegenvaller van het onvermogen om fouten eerder op te sporen, omdat er meer gegevens moeten worden verzameld om een ​​waarneembaar verschil op te merken; tijdgolfvormen hebben echter de grote voordelen van het classificeren van een gebeurtenis die van voorbijgaande aard of intermitterend is. In het frequentiedomein leveren de verschillende fouten duidelijke verschillen op in spectrale vermogensinhoud (d.w.z. pieken in trillingssnelheid bij verschillende frequenties) die een betere foutisolatie mogelijk maken. Hoewel tijddomeinanalyse vaak wordt gebruikt om problemen te onderzoeken die al bekend zijn of zeer specifieke patronen vertonen waarnaar wordt gezocht, maakt frequentiedomeinanalyse een breder overzicht van de machinewerking mogelijk, waarbij het identificeren van fouten veel duidelijker is. Versnellingsmeters met meerdere assen zijn bijzonder waardevol, omdat ze gegevens kunnen verzamelen in zowel de axiale als de radiale richting. Versnellingsmeters kunnen een van deze fundamentele principes volgen:capacitief, piëzo-elektrisch of piëzoresistief.

De meest gebruikte zijn capacitieve versnellingsmeters waarbij een veergeveerde proefmassa in onbalans verschuift onder acceleratiespanning. Deze verplaatsing wordt vervolgens geregistreerd door elektroden met een verandering in capaciteit die uiteindelijk een versnellingssnelheid en versnellingsrichting oplevert. Piëzo-elektrische versnellingsmeters gebruiken ook een proefmassa; echter, verschuivingen in de proefmassa veroorzaken in plaats daarvan schuifspanning op het piëzo-elektrische materiaal dat zich direct vertaalt naar een elektrisch uitgangssignaal. Net als de druk- en niveausensoren die in de vorige sensoren zijn vermeld, kan een versnellingsmeter ook gebruikmaken van het piëzoresistieve principe met behulp van een proefmassa en rekstrookjes om een ​​versnellingsresultaat te verkrijgen.

Huidige sensor – Huidige industriële sensortoepassingen kunnen MCSA-analyse voor machineapparatuur, slimme meters en in toepassingen met voedingen (bijv. inverterbesturing, ononderbroken voedingen, lassen, enz.) omvatten. Stroomsensoren maken gebruik van een van de vier basisprincipes:de wet van Ohm, de wet van Faraday, het effect van Faraday of detectie van magnetische velden.

Een stroomsensor van het resistieve shunttype zou gebruikmaken van de wet van Ohm en bestaat uit een weerstandselement dat in serie werkt met de stroomvoerende geleider waarvan de huidige waarde gewenst is. Op deze manier gaat een deel van de stroom door het element, waardoor een spanningsval ontstaat die evenredig is met de stroom die er doorheen vloeit.

Figuur 2 illustreert een overzicht van verschillende sensortechnologieën. Stroomtransformatoren (CT) maken gebruik van de inductiewet van Faraday. De transformator omvat meerdere wikkelingen rond een magnetische kern met een hoge magnetische permeabiliteit. De primaire wikkeling, of de stroomvoerende geleider, kan een paar windingen hebben of gewoon een lijn die door de kern gaat. De AC die door de primaire wikkeling stroomt, concentreert de magnetische fluxlijnen in de kern, of fluxconcentrator, die op zijn beurt een stroom induceert in de secundaire wikkeling die recht evenredig is met de stroom binnen de primaire wikkeling, wat een meting van de stroom biedt.

Een rogowski-spoel gebruikt hetzelfde principe, in plaats daarvan met een kern met een magnetische permeabiliteit vergelijkbaar met lucht. De geïnduceerde spanning binnen de secundaire wikkeling is evenredig met de tijdsafgeleide van de gewenste stroom. Daarom wordt de secundaire wikkeling in een rogowski-spoel afgesloten met een op-amp integratorcircuit.

Hall-effect magnetische veldsensoren worden ook gebruikt in een open-loop- of closed-loop-architectuur. Het Hall-effect beschrijft eenvoudig de loodrechte spanningsvector die wordt gegenereerd in de aanwezigheid van een stroom en een magnetisch veld dat door een strook metaal vloeit. Een open-lusconfiguratie lijkt op de stroomtransformator doordat de stroomvoerende geleider door het midden van een magnetische kern met een hoge magnetische permeabiliteit gaat. Een Hall-effectsensor wordt in een opening in de kern geplaatst, waardoor een spanning ontstaat die evenredig is met de stroom. Deze spanning vereist echter een versterker, omdat de uitgangsspanning klein is.

Een gesloten-lusconfiguratie omvat in plaats daarvan een compensatiespoel, of secundaire wikkeling, die een veld produceert dat de stroom in de stroomvoerende geleider tegenwerkt, zodat er geen magnetisch veld wordt gezien bij de Hall-effectsensor. De secundaire wikkeling wordt aangedreven door versterkers in het stroomdetectie-IC en wordt afgesloten met een belastingsweerstand. De stroom in de stroomvoerende geleider is evenredig met de spanning op deze uitgangsweerstand.

Druksensor – De term druksensor wordt over het algemeen gebruikt als een allesomvattende term die druksensor, drukopnemers en druktransmitters omvat. Over het algemeen produceren druksensoren een uitgangssignaal van 10 mV, waarbij dit uitgangssignaal 10 tot 6 meter van de elektrische installatie kan worden gebruikt zonder merkbaar signaalverlies. Druktransducers produceren hogere spanningsuitgangen (0,5 tot 4,5 V) die verder dan 6 meter kunnen reizen zonder signaalverslechtering. Druktransmitters bieden een stroomuitgangssignaal van 4 tot 20 mA. Druksensoren kunnen in een aantal configuraties worden geleverd, waaronder Wheatstone Bridge-type/piëzoresistief, capacitief, elektromagnetisch, piëzo-elektrisch en optisch.

Dit artikel richt zich op het meest voorkomende type druksensoren:de brugtype/piëzoresistieve configuratie (Figuur 3). De meest voorkomende druksensoren vertrouwen op het piëzoresistieve effect waarbij de verandering in weerstand die optreedt wanneer een materiaal wordt vervormd, correleert met de druk waaronder het materiaal staat. Meestal hebben deze sensoren een meetmembraan waarbij de kant van het diafragma die naar het gas/de vloeistof is gericht (d.w.z. hydraulische vloeistof, water, olie, enz.) wordt blootgesteld aan een "referentiedruk" terwijl de andere kant van het diafragma wordt blootgesteld tot hoge druk. In dit geval buigt/vervormt het diafragma dienovereenkomstig en rekstrookjes meten het drukverschil tussen elk om deze informatie om te zetten in een elektrische grootheid die klaar is voor verzending.

Spanningsmeters fungeren in wezen als weerstandselementen waarvan de verandering in weerstand evenredig is met de hoeveelheid spanning die erop wordt uitgeoefend. Deze rekstrookjes zijn ofwel van het type gebonden folie, vervaardigd door middel van een sputterdepositieproces of een diffusie-rekstrookje van het siliciumtype dat ook bekend staat als een halfgeleiderrekstrookje, omdat het wordt geproduceerd door onzuiverheden in een op silicium gebaseerd diafragma te verspreiden. De op folie gebaseerde rekstrookje heeft het voordeel dat het bestand is tegen hogere drukken, terwijl het op halfgeleiders gebaseerde rekstrookje een hogere gevoeligheid biedt, zodat deze vaak wordt gebruikt bij lagere drukken. Siliconen rekstrookjes worden echter sterk beïnvloed door de temperatuur en hebben daarom doorgaans lagere bedrijfstemperaturen dan rekstrookjes van folie.

Vloeistofniveausensor – Niveausensoren detecteren de hoeveelheid vloeistof, poeders of korrelig materiaal (bijv. pellets) in een container. In tegenstelling tot de druksensor kan deze meting op verschillende manieren worden uitgevoerd. De bovenstaande tabel somt enkele van de methoden op met een beschrijving en enkele belangrijke overwegingen voor elk type niveausensor. Dit gedeelte gaat over de hydrostatische, op het diafragma gebaseerde sensor.

Vooral de hydrostatische niveausensor vertrouwt op dezelfde fundamentele piëzoresistieve principes als de brugsensor in de druksensor. In feite is dit type vloeistofniveausensor een druksensor waarbij het stijgende/dalende vloeistofniveau in een tank correleert met een verandering in druk in het diafragma en dus een zeer lineaire relatie onderhoudt met de diepte van de vloeistof in de tank. Zoals weergegeven in de onderstaande vergelijking, is de statische druk (P) van vloeistof is gelijk aan het soortelijk gewicht van de vloeistof (γ) en de hoogte van de vloeistof ( h ).

P =γ*h

Conclusie

Inzicht in de onderliggende sensortechnologieën die worden gebruikt in industriële bewakingstoepassingen kan inzicht bieden voor iedereen die betrokken is bij het ontwerp en de ontwikkeling van industriële systemen. Elke sensor kan gebruikmaken van een verscheidenheid aan fundamentele principes, die elk hun eigen respectieve voordelen en overwegingen voor de toepassing hebben. Het verzamelen en verspreiden van de gegevens die van deze sensoren zijn verkregen, kan een bekabelde of draadloze backbone omvatten, waarbij met name IIoT het potentieel heeft voor complexere gegevensanalyse voor toekomstige industriële toepassingen.

Dit artikel is geschreven door Tinu Oza, Product Line Manager bij L-com, North Andover, MA. Voor meer informatie, bezoek hier .

Referentie

1. Lewis, Joe. Handboek voor het meten en detecteren van vaste stoffen . Momentum Press, 2014.