Geavanceerde sensortechnologieën: verbetering machinegezondheid & asset monitoring in industriële systemen

De data verkregen uit het monitoren van afgelegen apparatuur is cruciaal voor de functionaliteit van elk industriële proces. Vaak wordt deze data afgehandeld door een Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) controlesysteem vaak via een Ethernet en TCP/IP netwerk over een bus, ster, of boomtopologie. Industrial Internet of Things (IIoT) systemen vullen deze legacy-systemen vaak aan en in sommige gevallen vervangen ze ze om een draadloos netwerk van knooppunten te laten toe die verbonden zijn met een gateway die terugleidt naar de cloud voor complexere dataverwerking en analytics. Ongeacht het gebruik van bedrade of draadloze technologieën, leveren de onderliggende sensoren die in deze processen gebruikt worden de ruggengraat voor de data die nodig is voor het beoordelen en analyseren van fabrieksapparatuur.

Dit artikel biedt een vogelvlucht van industriële machinegezondheid en asset monitoring toepassingen alsook een overzicht van enkele veelgebruikte sensortechnologieën.

Machinegezondheid en Asset Monitoring Toepassingen in IIoT

Externe industriële machinegezondheid en asset monitoring toepassingen beslaan een enorm bereik van industrieverticalen met een verscheidenheid aan sensortypen die in tandem met draadloze protocollen worden gebruikt om realtime of quasi-realtime dataoverdracht te bereiken. In de meer traditionele SCADA-architectuur, verbinden sensor/actuator-knooppunten met industriële I/O-modules — vaak programmeerbare logische controllers (PLC's) of remote terminal units (RTU's). Deze I/O-modules sturen sensordata heen en weer van knooppunten gebaseerd op feedback van supervisiecomputers — vaak Human Machine Interfaces (HMI) — die data verzamelen en verspreiden gebaseerd op menselijke invoer.

In het Industrial Wireless Sensor Network (IWSN), verbinden een aantal sensorknooppunten draadloos met een gateway in een point-to-multipoint (PtMP) topologie via een gelicentieerde/ongelicentieerde band en een specifiek draadloos protocol. In industriële toepassingen kan dit variëren van industrie-specifieke protocollen zoals WirelessHART, tot cellulaire netwerken, tot meer commerciële protocollen zoals Zigbee. Dit omzeilt de bedrading van afzonderlijke I/O-modules die in de SCADA-architectuur gevonden worden, wat deze hiërarchie comprimeert tot vereenvoudigde dataoverdrachten van sensorknooppunten, naar een gateway/basisstation, naar een gecentraliseerd cloud-gebaseerd platform om gecompliceerdere analytics uit te voeren.

Toepassingen: motoren, positionering, tanks

De toepassingen van IWSN's voor machineconditiemonitoring omvatten industriële positioneringsapparatuur en motoren/drives alsook asset monitoring toepassingen (Figuur 1). Inductiemotoren bijvoorbeeld, worden gevonden in een enorm bereik van machineapparatuur, van precisie CNC-machines tot grote industriële kranen, katrollen en transportbanden. Elke fout in deze machines kan de mechanische nauwkeurigheid degraderen of zelfs een storing en fabrieksdowntime veroorzaken, direct verminderende waardevolle operationele planttijd met de additionele kosten van reparatietijd. Enkele veelvoorkomende mechanische fouten voor motoren zijn: rotorstafbreuk, korte wikkelfout, luchtspaltvariaties, en lagerfouten.

Accelerometers worden het meest gebruikt voor vibratiedata-analyse — de meeste mechanische fouten in rotterende machines leiden tot een detecteerbare toename in vibratieniveaus. Additionele metingen omvatten Motor Current Signature Analysis (MCSA) waar vervormingen in de stroomgolven van een motor de specifieke fout kunnen extrapoleren gebaseerd op de amplitude van de piek en de frequentie waarop de piek optreedt. Deze meetmethode wordt vaak bereikt door middel van een clip-on stroomtransformator (CT).

Naast accelerometers en stroomsensoren, worden temperatuur, vochtigheid, druk en niveausensoren vaak in IWSN's gebruikt. In asset monitoring toepassingen bijvoorbeeld, is het volgen van de tankvulniveau voor chemische, voedings- en farmaceutische mengtanks van vitaal belang om ervoor te zorgen dat ingrediënten op precieze waarden worden toegevoegd. In deze gevallen kunnen druksensoren gebruikt worden of diverse vloeistofniveausensoren om het vulniveau van de tank te meten. Luchtstroom of vloeistofstroom monitoring kan bereikt worden met zowel druk- als vloeistofsensoren in industriële luchtfiltersystemen of in commerciële HVAC-systemen. In waterbehandeling- en beheersfaciliteiten, tonen filters drukverschillen aan de influent (input) en effluent (output) lijnen waar prestaties en verstoppingen kunnen worden getrackt en gedetecteerd door druksensoren.

Een aantal fundamentele principes (optisch, elektromagnetisch, radar, mechanisch, ultrasonisch, akoestisch, etc.) kan gebruikt worden om hetzelfde senseresultaat te bereiken. Deze verscheidenheid kan gevonden worden voor niveau-, vochtigheids- en temperatuursensoren. De keuze van technologie is een balans tussen prijs, nauwkeurigheid, vormfactor, gemak van installatie/kalibratie, responssnelheid, en continue of discrete monitoring. De volgende secties zullen enkele veelgebruikte sensoren in IWSN's aanrakken.

Kijk op veelgebruikte sensoren

Accelerometers

Zo eerder vermeld, zijn accelerometers een hoeksteencomponent voor het monitoren van machineapparatuur voor vibrationele data. Dit gebeurt door parameters te verzamelen zoals versnelling, vertraging en schok van spanningsdata. Dit wordt omgezet in vibrodiagnostiek in het tijds- of frequentiedomein. In de tijdsdomeinanalyse, stelt de verzameling en distributie van signaalmonsters de merkbare verandering in machinegedrag over tijd voor. Een eenvoudige vorm van tijdsdomein vibratieanalyse omvat het definiëren van „alarmlimieten” met de Root Mean Square (RMS) snelheid van de machinebehuizing (ISO 2372 standaard).

Tijdsdomeinanalyse heeft doorgaans het nadeel dat fouten niet vroeger kunnen worden opgespoord, aangezien meer data verzameld moet worden om een waarneembare verschil te noteren; echter, tijdsgolven hebben het grote voordeel van het classificeren van een gebeurtenis die transient of intermittent is. In het frequentiedomein, leveren de verschillende fouten duidelijke verschillen in spectrale vermogensinhoud (d.w.z. pieken in vibratiesnelheid bij verschillende frequenties) die betere foutisolatie toelaten. Terwijl tijdsdomeinanalyse vaak gebruikt wordt om problemen te onderzoeken die al bekend zijn of heel specifieke patronen vertonen die gezocht worden, laat frequentiedomeinanalyse een bredere inspectie van machinebedrijf toe waar het identificeren van fouten veel duidelijker is. Multi-as accelerometers zijn bijzonder waardevol, aangezien ze data in zowel de axiale als radiale richtingen kunnen verzamelen. Accelerometers kunnen een van deze fundamentele principes volgen: capacitief, piezoelektrisch, of piezoresistief.

De meest gebruikte zijn capacitieve accelerometers waar een veer-gezond proof mass in onevenwicht verschuift onder versnellingsspanning. Deze verplaatsing wordt dan geregistreerd door elektroden met een verandering in capaciteit die uiteindelijk een versnellingssnelheid en -richting oplevert. Piezoelektrische accelerometers gebruiken ook een proof mass; echter, verschuivingen in de proof mass veroorzaken in plaats daarvan afschuifspanning in het piezoelektrische materiaal dat direct vertaalt naar een elektrisch uitgangssignaal. Vergelijkbaar met de druk- en niveausensoren die in de vorige sensoren vermeld zijn, kan een accelerometer ook het piezoresistieve principe exploiteren met een proof mass en rekstrekkers om een versnellingsresultaat te leveren.

Stroomsensor

Stroomsensor industriële toepassingen kunnen MCSA-analyse voor machineapparatuur, slimme metering, en toepassingen met voedingen (bijv. inverterbesturing, ononderbroken voedingen, lassen, etc.) omvatten. Stroomsensoren benutten een van vier basisprincipes: de wet van Ohm, de wet van Faraday, het Faraday-effect, of magnetisch veldsensing.

Een weerstands-shunt-type stroomsensor zou de wet van Ohm benutten en bestaat uit een weerstandselement dat in serie werkt met de stroomdragende geleider wiens stroomwaarde gewenst is. Op deze manier passeert een deel van de stroom door het element, wat een spanningsval veroorzaakt die evenredig is met de stroom die doorheen vloeit.

Figuur 2 illustreert een overzicht van diverse sensortechnologieën. Stroomtransformatoren (CT) benutten de wet van Faraday van inductie. De transformator omvat meerdere wikkelingen om een magnetische kern met hoge magnetische permeabiliteit. De primaire wikkeling, of de stroomdragende geleider, kan ofwel uit een paar windingen bestaan of simpelweg een lijn die door de kern passeert. De wisselstroom die door de primaire wikkeling vloeit, concentreert de magnetische fluxlijnen binnen de kern, of fluxconcentrator, wat op zijn beurt een stroom induceert in de secundaire wikkeling die direct evenredig is met de stroom in de primaire wikkeling, wat een meting van de stroomflow oplevert.

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

Hall-effect magnetische veldsensoren worden ook benut in een open-lus of gesloten-lus architectuur. Het Hall-effect beschrijft simpelweg de loodrechte spanningsvector die gegenereerd wordt in de aanwezigheid van een stroom en magnetisch veld die door een metalen strook vloeien. Een open-lus configuratie lijkt op de stroomtransformator in die de stroomdragende geleider door het midden van een magnetische kern met hoge magnetische permeabiliteit passeert. Een Hall-effect sensor wordt geplaatst in een gat in de kern, wat een spanning creëert die evenredig is met de stroom. Deze spanning vereist echter een versterker, aangezien de uitgangsspanning klein is.

Een gesloten-lus configuratie omvat in plaats daarvan een compensatiespoel, of secundaire wikkeling, die een veld produceert dat de stroom in de stroomdragende geleider tegengaat zodat geen magnetisch veld gezien wordt bij de Hall-effect sensor. De secundaire wikkeling wordt aangedreven door versterkers in de stroomsensing IC en wordt beëindigd met een belastingweerstand. De stroom in de stroomdragende geleider is evenredig met de spanning aan deze uitgangsweerstand.

Druksensor

De term druksensor wordt doorgaans gebruikt als een allemvattende term die druksensor, druktransducers en druktransmitters omvat. Over het algemeen produceren druksensoren een 10-mV uitgangssignaal waar dit uitgangssignaal 10 tot 20 voet van elektronica kan worden gebruikt zonder merkbaar signaalverlies. Druktranducers produceren hogere spanninguitgangen (0,5 tot 4,5 V) die verder dan 20 voet kunnen reizen zonder signaldegradatie. Druktransmitters bieden een stroomuitgangssignaal van 4 tot 20 mA. Druksensoren kunnen in een aantal configuraties komen waaronder Wheatstone Bridge-type/piezoresistief, capacitief, elektromagnetisch, piezoelektrisch, en optisch.

Dit artikel richt zich op de meest voorkomende type druksensoren: de bridge-type/piezoresistieve configuratie (Figuur 3). De meest voorkomende druksensoren vertrouwen op het piezoresistieve effect waar de verandering in weerstand die optreedt wanneer een materiaal vervormd wordt, correleert met de druk waar het materiaal onder staat. Typisch hebben deze sensoren een meetmembraan waar de kant van het membraan die het gas/vloeistof (d.w.z. hydraulische vloeistof, water, olie, etc.) ziet, blootgesteld is aan een „referentie” druk terwijl de andere kant van het membraan blootgesteld is aan hoge druk. In dit geval buigt/vervormt het membraan zich naar behoren en meten rekstrekkers het drukverschil tussen elk om deze informatie om te zetten in een elektrische hoeveelheid klaar voor transmissie.

Rekstrekkers fungeren essentieel als weerstandselementen wiens verandering in weerstand evenredig is met de hoeveelheid rek die op hen wordt uitgeoefend. Deze rekstrekkers zijn of een bonded-foil type geproduceerd door een sputter depositieproces of een diffusie, silicium-type rekstrekkers die ook bekend is als een halfgeleider rekstrekkers, aangezien het geproduceerd wordt door verontreiniging in een silicium-gebaseerd membraan te diffunderen. De foil-gebaseerde rekstrekkers heeft het voordeel hogere drukken te weerstaan terwijl de halfgeleider-gebaseerde rekstrekkers een hogere gevoeligheid biedt dus het wordt vaak gebruikt bij lagere drukken. Echter, silicium rekstrekkers worden sterk beïnvloed door temperatuur en hebben daarom tendens om lagere Betriebstemperaturen te hebben dan foil rekstrekkers.

Vloeistofniveausensor

Niveausensoren detecteren de hoeveelheid vloeistof, poeders, of granulair materiaal (bijv. pellets) binnen een container. Niet anders dan de druksensor, kan deze meting op verschillende manieren bereikt worden. De tabel hierboven lijst enkele methoden met een beschrijving en enkele belangrijke overwegingen voor elk type niveausensor. Deze sectie zal zich richten op de hydrostatische, membraan-gebaseerde sensor.

De hydrostatische niveausensor, in het bijzonder, vertrouwt op dezelfde fundamentele piezoresistieve principes als de bridge-type sensor gevonden in de druksensor. Feitelijk is dit type vloeistofniveausensor een druksensor waar de stijgende/dalende vloeistofniveau in een tank correleert met een verandering in druk binnen het membraan en dus een hoog lineaire relatie behoudt met de diepte van de vloeistof in de tank. Zoals getoond in de vergelijking hieronder, is de statische druk (P) van vloeistof equivalent aan de specifieke zwaarte van de vloeistof (γ) en de hoogte van de vloeistof (h).

P=γ*h

Conclusie

Het begrijpen van de onderliggende sensortechnologieën die gebruikt worden in industriële monitoring toepassingen kan inzicht bieden voor iedereen betrokken bij het ontwerp en de ontwikkeling van industriële systemen. Elke sensor kan een verscheidenheid aan fundamentele principes benutten, elk met zijn eigen respectieve voordelen en overwegingen voor de toepassing. De verzameling en verspreiding van de data verkregen van deze sensoren kan ofwel een bedrade of draadloze ruggengraat omvatten waar IIoT in het bijzonder het potentieel heeft voor complexere data-analytics 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. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.