Realizzare un sistema con sensori di vibrazioni MEMS per il monitoraggio basato sulle condizioni in applicazioni industriali

Qualsiasi macchinario industriale prima o poi si guasta. Se vi sono difetti di produzione il guasto arriva prima. In presenza invece di un accumulo di detriti, deterioramento delle parti interne o semplicemente usura, il problema si manifesta più tardi. Con la crescita delle linee industriali automatizzate, gli operatori di una fabbrica devono affrontare un ciclo apparentemente infinito di manutenzione e riparazione che può portare all'arresto della linea, specie quando i guasti non rilevati dei macchinari assumono una portata catastrofica.

Anziché dover far fronte a guasti imprevisti o a inutili tempi di fermo per una manutenzione non giustificata, gli operatori dell'impianto possono utilizzare gli indicatori di monitoraggio basato sulle condizioni (CBM) per programmare in modo più efficiente la manutenzione e le riparazioni molto prima che un'apparecchiatura entri in uno stato operativo critico. In un ambiente industriale, la capacità di monitorare lo stato operativo di una macchina può tradursi in risparmi ingenti. Rilevando le condizioni che tipicamente precedono il guasto di un'apparecchiatura, gli ingegneri industriali possono correre ai ripari per tempo.

Nell'implementazione del CBM, tuttavia, la natura delle condizioni da monitorare può essere diversa, per cui gli sviluppatori devono costruire catene di segnali dei sensori accurate che soddisfino le loro specifiche esigenze.

Questo articolo prende in esame i requisiti per l'implementazione di CBM per le apparecchiature industriali e descrive come gli sviluppatori possono costruire catene di segnali in grado di soddisfare tali requisiti utilizzando una combinazione di dispositivi di Analog Devices.

Analisi vibrazionale

L'analisi vibrazionale che sta alla base dei metodi CBM è diventata la tecnica predominante per valutare lo stato operativo dei macchinari e delle loro parti in movimento. In questo approccio, gli ingegneri industriali analizzano le misurazioni delle vibrazioni per identificare modelli che indicano squilibri, disallineamenti o danni a rotori, ingranaggi, cuscinetti e a qualsiasi altra interfaccia meccanica tra i componenti della macchina. Ad esempio, i modelli ripetuti di vibrazioni ad alta ampiezza possono essere un sintomo di eventi di shock meccanico dovuti a frizioni, ingranaggi, cuscinetti, piste di cuscinetti o altre superfici a contatto con la macchina, danneggiati o usurati.

Oltre a questa misurazione delle vibrazioni nel dominio del tempo, tuttavia, la misurazione nel dominio della frequenza mediante l'analisi con la trasformata di Fourier veloce (FFT) può fornire dettagli ancora più specifici sullo stato della macchina. Anche se i calcoli FFT utilizzati per generare questa analisi nel dominio della frequenza richiedono una maggiore potenza di calcolo, il risultato premia lo sforzo. Usando questo approccio, ingegneri esperti hanno trovato diversi indicatori affidabili relativi alla frequenza di difetti come lo squilibrio, il disallineamento, l'allentamento e i difetti dei cuscinetti, tra gli altri (Figura 1).

Figura 1: Misurando la grandezza assoluta e relativa dei picchi nel dominio della frequenza, gli ingegneri industriali possono dedurre un'ampia gamma di problemi attuali e potenziali dei macchinari, che vanno dallo squilibrio dei componenti della macchina ai guasti dei cuscinetti. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tra questi indicatori, le variazioni della frequenza fondamentale, detta anche componente 1x, rispetto alle sue armoniche e alle misurazioni 1x precedenti della linea di base, possono indicare uno squilibrio nella macchina, riflesso in un segnale la cui ampiezza è proporzionale al quadrato della velocità di rotazione e la cui frequenza corrisponde a quella di rotazione o di risonanza della macchina. Per contro, disallineamenti o allentamenti tra le parti di una macchina causano un aumento caratteristico nella prima armonica, detta anche componente 2x, e anche nei componenti di frequenza fino a 10x. Allo stesso modo, parti interne sbilanciate, disallineate o danneggiate come gli ingranaggi, provocano picchi più elevati a frequenze correlate alla loro velocità di rotazione e al numero di denti.

Gli indicatori di guasto possono diventare piuttosto complessi, in particolare per i cuscinetti inseriti in profondità all'interno di una macchina. Dato che i cuscinetti si muovono nella loro pista, generano un segnale caratteristico a una frequenza chiamata frequenza di rotazione delle sfere (BSF), all'interno di un inviluppo legato alla frequenza fondamentale del treno di impulsi (FTF) della pista del cuscinetto - la velocità con cui la gabbia ruota intorno al cuscinetto. Cuscinetti o piste difettosi provocano un evento di ampiezza relativamente più elevata alla BSF, con un conseguente treno di vibrazioni di bassa ampiezza modulate dalla FTF (Figura 2).

Figura 2: Le firme di vibrazione associate ai guasti dei macchinari possono andare da picchi facilmente riconoscibili alla frequenza fondamentale e poche armoniche, a firme complesse per i guasti dei cuscinetti che modulano gli impulsi alla frequenza di rotazione delle sfere (BSF) con un segnale di inviluppo legato alla frequenza fondamentale del treno di impulsi (FTF) della pista del cuscinetto. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La firma nel dominio della frequenza dei difetti dei cuscinetti risultante può essere piuttosto complessa, apparendo come un ampio aumento delle componenti a bassa ampiezza distribuite su un'ampia banda di alta frequenza (vedere il lato destro della Figura 1).

Malgrado l'apparente complessità delle firme nel dominio della frequenza, gli ingegneri industriali hanno sviluppato un ampio catalogo di metodi di analisi e indicatori dettagliati per diagnosticare difetti che vanno dagli squilibri e disallineamenti a problemi più impercettibili legati ai cuscinetti.

A seguito della maggiore richiesta e disponibilità di soluzioni più efficaci, i metodi di analisi e di misurazione delle vibrazioni si fanno sempre più sofisticati. In passato, gli ingegneri utilizzavano in genere monitor portatili delle vibrazioni con datalogger portatili per registrare i modelli ai fini di successive analisi offline.

Il passaggio all'automazione dell'Industria 4.0 e il crescente ricorso a macchine automatiche hanno reso meno pratici i metodi manuali. Data la disponibilità di dispositivi a semiconduttori più avanzati, le applicazioni CBM si basano sempre più spesso su dispositivi di misurazione delle vibrazioni collegati direttamente ai macchinari critici per offrire un monitoraggio continuo.

Requisiti per la misurazione delle vibrazioni

Come per qualsiasi applicazione di acquisizione dei segnali dei sensori, i dispositivi di misurazione delle vibrazioni per CBM si affidano a una topologia familiare della catena di segnali che comprende un sensore, uno stadio di condizionamento del segnale, un convertitore analogico/digitale (ADC) e un processore (Figura 3).

Figura 3: I sistemi di rilevamento delle vibrazioni utilizzano una topologia familiare che combina una catena di segnali che comprende un sensore, un filtro passa-basso (LPF), un amplificatore operazionale e un ADC con un processore e dispositivi di supporto. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per supportare il tipo di analisi del dominio della frequenza ricordato sopra, le specifiche di questa catena di segnali di vibrazione in genere differiscono in modo significativo dalle catene di segnali utilizzate per il rilevamento del movimento nei dispositivi consumer.

Una delle differenze più cruciali tra le applicazioni industriali e quelle consumer risiede nei requisiti di larghezza di banda dei sensori di vibrazioni. Come notato in precedenza, gli indicatori di guasto nelle macchine possono presentarsi come armoniche che sono 5 o addirittura 10 volte quelle della frequenza fondamentale oppure in linea di massima su una banda di frequenza ancora più alta. Solitamente le macchine industriali lavorano a centinaia o addirittura migliaia di giri al minuto (rpm), quindi a 1.000 rpm potrebbe essere necessario un sensore di vibrazioni con una larghezza di banda di 5 kHz o più per consentire l'acquisizione di picchi a frequenze associate a difetti dei cuscinetti o a disallineamenti complessi. Analogamente, serve un'ampia larghezza di banda per acquisire i segnali associati ai cuscinetti che operano nelle loro gamme BSF più elevate.

Le prestazioni ad ampia larghezza di banda da sole possono essere insufficienti per acquisire le firme di errore più impercettibili associate a piccoli squilibri, disallineamenti o problemi delle piste dei cuscinetti o dei cuscinetti stessi. Anche se di piccola ampiezza, queste sorgenti di segnali possono riflettere problemi emergenti o addirittura guasti imminenti in caso di problemi ai cuscinetti. Di conseguenza, i dispositivi di misurazione delle vibrazioni CBM devono funzionare anche con un basso rumore di fondo e con una risoluzione sufficiente a isolare i segnali a bassa ampiezza associati a questi guasti.

Sensori MEMS (sistemi microelettromeccanici)

Sebbene in passato nelle applicazioni industriali spesso siano stati utilizzati accelerometri piezoelettrici, di recente i sensori MEMS (sistemi microelettromeccanici) si sono rivelati una soluzione efficace. Realizzate su un substrato di silicio, queste strutture in polisilicio si basano su celle costituite da una piastrina mobile posta tra due piastrine fisse (Figura 4).

Figura 4: Fabbricato con le tecnologie tradizionali utilizzate per i semiconduttori, un sensore MEMS (sistema microelettromeccanico) incorpora celle di piastrine fisse e mobili che si flettono in risposta all'accelerazione, con conseguente variazione della capacità delle celle. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando l'accelerazione provoca la flessione della piastrina mobile rispetto alle piastrine fisse, la capacità differenziale cambia, producendo un'uscita del sensore proporzionale all'accelerazione.

Anche in presenza di flessioni minime, i sensori avanzati di vibrazioni MEMS supportano gli intervalli ad alte prestazioni necessari per tracciare l'accelerazione associata alle macchine industriali.

Secondo l'equazione per il moto armonico semplice, l'accelerazione è correlata alla frequenza come segue:

a = -(2pf)²x (Equazione 1)

Dove:

a = accelerazione

f = frequenza

x = ampiezza dello spostamento dalla posizione centrale (in genere dell'ordine di 1 µm nei sensori di vibrazioni MEMS)

Di conseguenza, l'accelerazione di un sensore MEMS per macchinari industriali può raggiungere ordini di grandezza di centinaia di gs, superiori agli intervalli di accelerazione dei sensori di vibrazioni MEMS comunemente utilizzati nei prodotti consumer (Figura 5).

Figura 5: I sensori MEMS possono essere interessati da un'accelerazione molto alta agli intervalli di giri/minuto, tipica dei macchinari industriali. (Immagine per gentile concessione di DigiKey da dati di Analog Devices)

Grazie ai continui progressi nelle tecnologie di fabbricazione dei MEMS, gli sviluppatori ora possono trovare sensori di vibrazioni MEMS come quelli della famiglia di accelerometri MEMS ADXL100x di Analog Devices che non solo soddisfano i severi requisiti per le applicazioni CBM basate sulle vibrazioni, ma semplificano anche la progettazione dei sistemi di rilevamento delle vibrazioni sottostanti.

Sensori MEMS integrati

La famiglia ADXL100x di sensori di vibrazioni MEMS ad asse singolo di Analog Devices, che comprende ADXL1001, ADXL1002, ADXL1003, ADXL1004 e ADXL1005, offre agli sviluppatori una gamma di dispositivi in grado di soddisfare i requisiti industriali in termini di intervallo di accelerazione, larghezza di banda, risoluzione e rumore (Tabella 1).

Tabella 1: Specifiche delle prestazioni dei sensori di vibrazioni ADXL100x di Analog Devices (Tabella per gentile concessione di Analog Devices)

Essendo fabbricati con tecnologie di processo per i semiconduttori convenzionali, i sensori MEMS possono essere facilmente integrati con altri circuiti per offrire molteplici funzioni analogiche e digitali. Ogni membro della famiglia ADXL100x utilizza la stessa architettura funzionale, combinando il sensore MEMS con un amplificatore di sensori, un demodulatore, un amplificatore di uscita e altre funzioni (Figura 6).

Figura 6: Tutti i membri della famiglia ADXL100x di sensori di vibrazioni di Analog Devices combinano un sensore MEMS con uno stadio completo di condizionamento del segnale del sensore, oltre a ulteriori capacità funzionali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tra queste funzioni vi sono una capacità di rilevamento overrange (OR) che aiuta a proteggere il sensore quando l'accelerazione supera di circa due volte l'intervallo g specificato del dispositivo. Questi eventi non sono rari nei macchinari normalmente in funzione, specie quando una macchina si avvia o quando in seguito cambia velocità. Finché non si stabilizza alla sua frequenza fondamentale, la combinazione delle frequenze di risonanza che vengono generate mentre i suoi componenti si portano alla velocità di funzionamento potrebbe sovrasaturare anche il più robusto sensore di vibrazioni.

In caso di overrange, il sottosistema OR di ADXL100x imposta il segnale di uscita OR per avvertire il processore host. Inoltre, per evitare danni alla struttura del MEMS, disabilita il clock interno per 200 μs. Se l'overrange continua oltre questo periodo di 200 μs, il sottosistema OR attiva nuovamente il segnale di uscita e il periodo di spegnimento ogni 500 μs.

Costruzione della catena di segnali

L'amplificatore di uscita integrato di ADXL100x può pilotare carichi resistivi fino a 2 mA di corrente di source con una capacità di carico massima di 100 pF. Di conseguenza, in linea di massima gli sviluppatori potrebbero collegare ADXL100x direttamente a ADC con registro ad approssimazioni successive (SAR) a 16 bit AD4000 di Analog Devices.

In pratica, l'uso di questa configurazione di connessione diretta richiede una frequenza di campionamento di almeno 220 kHz. Tale requisito deriva dalla necessità di campionare a due volte la larghezza di banda della risposta in frequenza di 3 dB del dispositivo, che è molto superiore a quella del sensore MEMS (vedere la Tabella 1). Infatti, l'amplificatore di uscita integrato è progettato con una larghezza di banda di 70 kHz della risposta in frequenza di 3 dB, per consentire misurazioni a frequenze che si avvicinano a quella di risonanza del sensore, che può essere molto superiore ai 3 dB previsti nelle specifiche (Figura 7).

Figura 7: La famiglia ADXL100x di sensori di vibrazioni di Analog Devices offre una risposta in frequenza ad ampia larghezza di banda simile alla curva qui indicata per ADXL1002, che specifica una larghezza di banda 3 dB di 11 kHz e presenta un picco della frequenza di risonanza caratteristico a una banda di frequenza molto superiore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Come per qualsiasi catena di segnali di conversione, per evitare l'inclusione dell'aliasing del rumore nella banda di frequenza di interesse, la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della larghezza di banda del rumore equivalente (ENBW). Dato che ENBW = π/2 x ω_3 dB, dove in questo caso ω_3 dB è 70 kHz, l'ENBW per dispositivi ADXL100x è di 110 kHz. Pertanto, la frequenza di campionamento richiesta deve essere di almeno 220 kHz.

Gli sviluppatori possono facilmente ridurre questo requisito di campionamento aggiungendo semplicemente un filtro passa-basso unipolare. Analog Devices raccomanda infatti di utilizzare un filtro resistore-condensatore (RC) bipolare tra il sensore e un ADC, come il suo AD4000 ricordato in precedenza (Figura 8).

Figura 8: Gli sviluppatori possono ridurre la frequenza di campionamento del sensore richiesta utilizzando un semplice filtro passa-basso bipolare tra un sensore MEMS ADXL100x di Analog Devices e un ADC AD4000 anch'esso di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ad esempio, utilizzando un resistore R1 da 16 kΩ, un condensatore C1 da 300 pF, un resistore R2 da 32 kΩ e un condensatore C2 da 300 pF fornirebbero un'attenuazione di circa 84 dB alla frequenza di clock interno di 200 kHz di ADXL1001/ADXL1002. In questo caso, una frequenza di campionamento dell'ADC di 32 kHz sarebbe sufficiente per misurare vibrazioni tra 0 e 10 kHz senza artefatti di aliasing.

Utilizzando il sensore ADXL100x con l'ADC AD4000 e solo pochi componenti passivi, gli sviluppatori possono implementare una catena di segnali completa per la misurazione delle vibrazioni. Il nucleo di un sistema di sensori di vibrazioni può essere rapidamente completato con l'aggiunta di un regolatore di tensione come quello a bassa caduta di tensione (LDO) ADP7104 di Analog Devices, una sorgente di riferimento come ADR4550 di Analog Devices e un processore come il microcontroller ADUCM4050 di Analog Devices.

Utilizzando questi pochi componenti con diversi membri della famiglia ADXL100x, gli sviluppatori possono soddisfare requisiti prestazionali specifici come una maggiore gamma di accelerazione o una maggiore larghezza di banda associata alla loro specifica applicazione CBM.

Misurazioni a tre assi

Per applicazioni CBM più complesse, la capacità della famiglia ADXL100x di effettuare misurazioni a un solo asse potrebbe non essere sufficiente. Sebbene gli sviluppatori potrebbero facilmente replicare il loro progetto di base per ogni asse di misurazione richiesto, con il suo modulo a sensore di vibrazioni triassiale ADcmXL3021 Analog Devices offre un approccio più semplice.

Il modulo ADcmXL3021 di Analog Devices è racchiuso in un alloggiamento in alluminio di 23,7 x 27,0 x 12,4 mm con flange di montaggio e supporta la misurazione a tre assi utilizzando tre accelerometri MEMS ADXL1002 posizionati lungo assi di rilevamento reciprocamente ortogonali (Figura 9).

Figura 9: Il modulo ADcmXL3021 di Analog Devices è contenuto in un alloggiamento in alluminio di 23,7 × 27,0 × 12,4 mm (a sinistra) e offre un sistema di misurazione delle vibrazioni a tre assi completo (a destra) in grado di soddisfare i requisiti prestazionali industriali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

All'interno della catena di segnali di ogni sensore MEMS, un ADC dedicato campiona a 220 ksps, memorizzando i risultati nel buffer FIFO (first-in, first-out) incorporato nel modulo. Il processore integrato supporta misurazioni nel dominio del tempo e della frequenza con quattro diverse modalità operative:

• Streaming in tempo reale (RTS), che fornisce dati in tempo reale
• Modalità FFT manuale (MFFT), che genera dati nel dominio della frequenza in risposta a un trigger da un segnale esterno o da un comando software
• Modalità FFT automatica (AFFT), che utilizza un timer interno per attivare automaticamente l'acquisizione di dati nel dominio della frequenza
• Modalità acquisizione manuale del tempo (MTC), che acquisisce 4.096 campioni consecutivi nel dominio del tempo e supporta l'uso di funzioni di elaborazione dei segnali, tra cui il filtraggio e la media.

Grazie al suo MCU integrato, ADcmXL3021 offre capacità aggiuntive oltre alle sue quattro modalità di campionamento. Una di queste supporta standard industriali come ISO 10816, che richiede l'uso di avvertenze quando una macchina entra in una condizione operativa non idonea e allarmi quando entra in una condizione critica.

In modalità MTC, ADcmXL3021 fornisce allarmi con tre diversi livelli configurabili (normale, avvertenza e critico) per i dati del dominio del tempo. Per supportare le notifiche ISO 10816, gli sviluppatori possono impostare segnali che indicano il livello normale, segnali di avvertenza che indicano funzionamento non idoneo e segnali di allarme che indicano funzionamento non sicuro.

Per misurazioni nel dominio della frequenza in modalità MFFT o AFFT, ADcmXL3021 offre una capacità di allarme più sofisticata. In questo caso, gli sviluppatori possono impostare sei configurazioni della banda di allarme, ognuna delle quali specifica la gamma di frequenza superiore e inferiore, oltre all'ampiezza superiore e inferiore. Sfruttando questa capacità, possono configurare ADcmXL3021 per riconoscere specifiche firme di frequenza e ampiezza associate a condizioni conosciute di avvertenza o di allarme (Figura 10).

Figura 10: Gli sviluppatori possono configurare il modulo a sensore di vibrazioni ADcmXL3021 di Analog Devices per emettere avvertenze o allarmi utilizzando una combinazione di indicatori basati sull'ampiezza delle vibrazioni e sulla loro banda di frequenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per semplificare lo sviluppo con ADcmXL3021, Analog Devices offre la sua scheda di breakout ADCMXL_BRKOUT dotata di basette per agevolare l'accesso ai pin del connettore a terminali flessibili di ADcmXL3021.

Analog Devices offre anche un'applicazione software ADCMXL Vibration Evaluation basata su Windows studiata per il kit di esplorazione SuperSpeed USB 3.0 CYUSB3KIT-003 di Cypress Semiconductor. Utilizzando l'interfaccia del software di valutazione, gli sviluppatori possono esaminare i dati del dominio del tempo e della frequenza per ogni asse e modificare i registri ADcmXL3021 per esplorare configurazioni di acquisizione alternative (Figura 11).

Figura 11: Gli sviluppatori possono utilizzare un'applicazione software di valutazione di Analog Devices per vedere l'uscita dal modulo a sensore di vibrazioni ADcmXL3021 o modificarne interattivamente i registri per esplorare diverse configurazioni di acquisizione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey/Analog Devices)

Conclusione

La CBM può offrire notevoli vantaggi per evitare inutili manutenzioni programmate o tempi di fermo macchina non programmati a causa di guasti improvvisi. Gli sviluppatori di applicazioni CBM, tuttavia, potrebbero essere scoraggiati dai rigidi requisiti prestazionali che un sistema di misurazione delle vibrazioni deve soddisfare per essere idoneo. A differenza dei sistemi di rilevamento del movimento nelle applicazioni consumer, i sistemi per l'industria richiedono un elevato intervallo di accelerazione, un'ampia larghezza di banda, un'alta risoluzione e una densità di rumore molto bassa. Con i sensori MEMS e i relativi componenti di Analog Devices, gli sviluppatori possono realizzare senza problemi i robusti sistemi di misurazione delle vibrazioni richiesti per implementare sofisticate applicazioni industriali CBM.