Monitorowanie drganiowe stanu maszyn z zastosowaniem czujników inteligentnych bazujących na przetwornikach mikromechanicznych (MEMS)
Wraz z rozwojem przemysłu oraz pojawieniem się koncepcji Przemysł 4.0 przedsiębiorstwa coraz częściej wdrażają strategie obsługi maszyn bazujące na stanie technicznym (CBM (Condition Based Maintenance) i predykcji (Predictive Maintenance and Prescriptive Maintenance). Stosowanie wymienionych strategii związane jest ściśle z monitorowaniem i diagnostyką maszyn, która realizowana jest w sposób obchodowy za pomocą przenośnych przyrządów pomiarowych jak i w sposób ciągły za pomocą stacjonarnych układów monitorowania i diagnostyki.
Systemy ciągłego monitorowania
Układy ciągłego monitorowania i diagnostyki do niedawana, z racji wysokich kosztów wdrożenia, stosowane były
głównie do nadzoru i diagnozowania maszyn i instalacji krytycznych dla procesu produkcji głównie w przemyśle
energetycznym czy petrochemicznym. Wraz z koncepcją Przemysł 4.0 i technologią IIoT na rynku pojawiało się cały szereg różnorodnych i przystępnych cenowo systemów pomiarowych bazujących na tzw. czujnikach inteligentnych, interfejsach bezprzewodowych i aplikacjach chmurowych powodując, że ciągły monitoring stał się dostępny praktycznie dla każdej maszyny i instalacji w przedsiębiorstwie (rys. 1).
Przykład rozbudowanego systemu ciągłego monitorowania i diagnostyki maszyn
W układach ciągłego monitorowania mogą być stosowane czujniki mierzące różne wielkości fizyczne, przy czym najczęściej wykorzystuje się czujniki drgań. Pomiar drgań pozwala na detekcję i identyfikacje większości uszkodzeń maszyn i urządzeń stosowanych w przemyśle (Fidali, 2020). Do pomiaru drgań stosowane są głównie dwie klasy czujników: czujniki piezoelektryczne i czujniki mikromechaniczne (MEMS). Te ostatnie, dzięki postępowi technologicznego posiadają parametry zbliżone do czujników piezoelektrycznych i jednocześnie o wiele niższą cenę, co powoduje, że znajdują coraz częściej zastosowanie w tzw. inteligentnych czujnikach drgań
(Murphy, 2021). Za czujnik inteligentny (tzw. smart sensor) można uznać taki, który dzięki swojej konstrukcji pozwala m.in. na (Fidali, 2018):
- linearyzację charakterystyk przetwarzania,
- detekcję błędów, autodiagnostykę czy nawet
autokalibrację, - dwustronna komunikacja z układami nadrzędnymi lub
innymi czujnikami, - rejestrację i wstępne przetwarzanie oraz analizę
danych pomiarowych, - zdolność samouczenia się i samodzielnego podejmowania
decyzji.
Aby można było zrealizować te funkcje w czujnikach poza przetwornikiem pomiarowym zintegrowane są: układ kondycjonowania, mikroprocesor i interfejs komunikacyjny udostępniający dane w postaci cyfrowej (Rys. 2).
Struktura blokowa czujnika inteligentnego
Producenci czujników inteligentnych podczas ich projektowania wykorzystują dostępne na rynku podzespoły mikroelektroniczne, w tym przetworniki pomiarowe, które po zamknięciu w oryginalnej obudowie mogą być
stosowne w różnorodnych aplikacjach przemysłowych. W przypadku inteligentnych czujników drgań stosowane
są najczęściej pojemnościowe akcelerometry mikromechaniczne (MEMS- Micro-ElectroMechanical Systems)
zaprojektowane specjalnie do realizacji zadań z zakresu diagnostyki drganiowej maszyn i oferowane przez czołowych producentów mikroelektroniki.
Budowa, działanie i parametry akcelerometrów MEMS
Głównym elementem składowym akcelerometru MEMS jest struktura mikromechaniczna wykonana w technologii mikroobróbki powierzchniowej krzemu składająca się z nieruchomych i umieszczonych między nimi ruchomych belek połączonych z masą bezwładności zawieszoną na elastycznych sprężynach (rys. 3) (Chaudhury et all. 2014).
Budowa struktury mikromechanicznej w akcelerometrze
Stałe i ruchome belki są elektrodami kondensatorów o zmiennej pojemności. Przemieszczenia masy sejsmicznej wywołane drganiami powodują zmiany pojemność pomiędzy belkami ruchomymi a sąsiednimi belkami nieruchomymi. Zintegrowana ze strukturą mikromechaniczną struktura mikroelektroniczna przekształca zmiany
pojemności wywołane przyspieszeniem na sygnał analogowy napięcia, który w zależności od konstrukcji akcelerometru może być kondycjonowany i przetwarzany do postaci cyfrowej i udostępniany np. za pomocą
interfejsu SPI. Konstrukcja mikromechaniczna i elektronika zamknięte są w niewielkiej obudowie gotowej do
montażu na płytce drukowanej. Współczesne rozwiązania umożliwiają pomiar przyspieszeń drgań w jednym, dwóch i trzech kierunkach. Przykład akcelerometrów pojemnościowych MEMS dedykowanych do diagnostyki maszyn wraz z układem blokowym jednego z nich zamieszczono na rysunku 4.
Przykłady akcelerometrów mikromechaniczny
dedykowanych do diagnostyki maszyn (źródło: Analog
Devices, www.analog.com)
Współczesne akcelerometry mikromechaniczne dedykowane do diagnostyki maszyn pod wieloma względami nie ustępują dotychczas często stosowanym akcelerometrom piezoelektrycznym. Akcelerometry MEMS typu
pojemnościowego, wytwarzają duży sygnał wyjściowy, mają wysoką czułość i są wewnętrznie niewrażliwe na zmiany temperatury. W porównaniu z czujnikami piezoelektrycznymi (tabela 1), akcelerometry pojemnościowe MEMS są tańsze, nie mają efektu „ski slope” spowodowanego nasyceniem piezoelementów w przypadku wystąpienia udarów, są mniej podatne na uszkodzenia i mają większe możliwości autodiagnostyki, ale z drugiej strony posiadają większy poziom szumów, który wzrasta wraz z częstotliwością (Murphy, 2021). Problem ten jest jednak stopniowo eliminowany wraz z postępem technologicznym w zakresie projektowania i produkcji tego typu struktur.
Należy pamiętać, że akcelerometry MEMS są tylko podzespołami wykorzystywanymi przy produkcji przemysłowych inteligentnych czujników drgań. W związku z tym na etapie projektowania producent może zmienić pierwotną charakterystykę czujnika MEMS i np. ograniczyć jego pasmo pomiarowe.
Podsumowanie
Inteligentne czujniki drgań bazujące na czujnikach mikromechanicznych dzięki niskim cenom oraz dobrym parametrom pomiarowym pozwalają przedsiębiorstwom wdrażać przystępne cenowo systemy ciągłego monitorowania praktycznie dla wszystkich maszyn. Tego typu rozwiązania dobrze sprawdzają się dla obiektów trudnodostępnych, zabudowanych oraz pracujących w nieprzyjaznych dla człowieka warunkach (zapylenie, wysoka temperatura). Dzięki możliwości współpracy inteligentnych czujników drgań z układami bezprzewodowej
transmisji danych, w stosunkowo szybki sposób, bez konieczności prowadzenia kabli, można wdrożyć układ monitorowania i diagnostyki maszyn, który w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem może być przydatny we implementacji strategii predykcyjnego lub preskryptywnego utrzymania ruchu.