Implementare rapidamente i sensori per la manutenzione predittiva basata su IIoT utilizzando gli accelerometri MEMS

Il monitoraggio delle condizioni dei macchinari tramite sensori di vibrazione è un elemento chiave dell'obiettivo di Internet delle cose industriale (IIoT) (o Impresa 4.0) nell'ambito della manutenzione predittiva. Negli impianti di produzione consente di identificare e risolvere i problemi dei macchinari prima che causino guasti catastrofici che possono portare all'arresto della produzione per intervenire con riparazioni di emergenza. Per i progettisti, l'uso tradizionale di sensori di vibrazione piezoelettrici (PE) costa sia in termini di distinta base che di cablaggio e complessità di implementazione che possono limitarne l'impiego.

Per abbassare i costi e semplificare l'implementazione, i progettisti possono invece prendere in considerazione i sensori basati su sistemi microelettromeccanici (MEMS) capacitivi. Grazie ai recenti miglioramenti, questi sensori hanno raggiunto livelli prestazionali paragonabili a quelli dei sensori PE, pur mantenendo i vantaggi della loro tecnologia CMOS: costi inferiori, maggiore integrazione e tolleranza industriale. I miglioramenti riguardano l'integrazione di convertitori analogico/digitale (ADC), filtri e persino componenti per l'apprendimento automatico. Tale evoluzione è mirata a offrire dispositivi con caratteristiche valide a prezzi accessibili che ne giustifichino l'installazione diffusa.

Questo articolo illustra i vantaggi degli accelerometri capacitivi MEMS nelle applicazioni di monitoraggio delle vibrazioni. Presenta quindi dispositivi di esempio di Analog Devices e STMicroelectronics e mostra come poterli implementare rapidamente sotto forma di rete di sensori diffusa per mettere in atto in modo più accurato ed economicamente vantaggioso la manutenzione predittiva delle macchine industriali.

Perché usare le vibrazioni per la manutenzione predittiva

Le vibrazioni sono un indicatore utilizzato da tempo nel monitoraggio delle condizioni, nella diagnostica e nella manutenzione predittiva delle macchine industriali. Ad esempio, un sensore, affiancato da un'elaborazione appropriata, può essere usato per rilevare problemi come sbilanciamenti del carico, disallineamento, anomalie dei cuscinetti a sfere e certi tipi di ampiezze e frequenze di vibrazione che potrebbero anticipare l'insorgenza di un altro tipo di guasto futuro (Figura 1).

Figura 1: Un sensore affiancato da un'elaborazione appropriata può essere usato per rilevare problemi come sbilanciamenti del carico o sul motore, anomalie dei cuscinetti a sfere e vibrazioni che potrebbero anticipare l'insorgenza di un altro tipo di guasto futuro. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Fortunatamente, sono stati stabiliti degli standard per i sistemi di sensori utilizzati nel monitoraggio delle vibrazioni. Lo standard ISO 2954:2012, "Vibrazioni meccaniche di macchine rotanti e alternative - Requisiti per gli strumenti per la misurazione della severità di vibrazione" ne è un ottimo esempio. In questi strumenti, gli accelerometri sono fondamentali. In genere però, i segnali del sensore non vengono utilizzati direttamente.

Nei sistemi moderni, come primo passo nel monitoraggio delle vibrazioni il segnale dell'accelerometro viene portato nel dominio digitale utilizzando un ADC. Una volta digitalizzata, la misurazione dell'accelerazione è molto meno sensibile al rumore elettrico e si può fare a meno del condizionamento del segnale analogico di precisione. Il monitoraggio delle vibrazioni richiede quindi diversi stadi di filtraggio e di pre-elaborazione dei dati grezzi dell'accelerometro per eliminare il rumore ed estrarre informazioni utili a fini diagnostici.

Requisiti di pre-elaborazione dei segnali dell'accelerometro

I segnali dell'accelerometro devono prima essere filtrati con un filtro passa-alto per rimuovere qualsiasi componente c.c., come la polarizzazione del sensore o gli effetti della gravità. Il segnale filtrato può quindi essere utilizzato in due modi: lavorando direttamente con le informazioni sull'accelerazione, oppure lavorando con la velocità delle vibrazioni ottenuta integrando il segnale filtrato con il tempo. Il segnale della velocità risultante richiede anche un filtro passa-alto per evitare di dover conoscere la velocità iniziale del sistema (la costante di integrazione) quando si analizzano le informazioni sulla velocità (Figura 2).

Figura 2: Per rimuovere la polarizzazione, i dati grezzi dell'accelerometro devono essere pre-elaborati. Inoltre, devono essere integrati per produrre una misurazione della velocità delle vibrazioni prima di estrarre informazioni utili per il monitoraggio e la diagnostica. (Immagine per gentile concessione di Richard A. Quinnell)

A seconda dell'applicazione, a questi segnali di accelerazione e velocità possono essere applicate diverse tecniche di analisi per estrarre informazioni utili sulle condizioni della macchina. Una delle tecniche più comuni e ampiamente utilizzate è quella di calcolare la velocità quadratica media (RMS) delle vibrazioni e di determinarne l'andamento nel tempo. Via via che le macchine si usurano, aumentano le tolleranze degli organi in movimento con conseguente incremento della velocità delle vibrazioni. Il monitoraggio dell'andamento della velocità RMS fornisce un indicatore dell'usura che può essere confrontato con soglie predeterminate per identificare la necessità di manutenzione.

L'accelerazione può essere confrontata anche con soglie prestabilite per rilevare la flessione o la rottura di meccanismi, specie nelle macchine rotanti. Questi difetti si manifestano tipicamente come "picchi" periodici nel segnale. Anche l'aumento tendenziale dell'accelerazione o dell'instabilità del profilo di accelerazione nel tempo è un indicatore di usura e di danni.

L'analisi spettrale fornisce ulteriori informazioni

La trasformazione dei dati di accelerazione e velocità dal dominio del tempo a quello della frequenza utilizzando una trasformata di Fourier veloce (FFT) offre informazioni ancora più dettagliate sulle condizioni della macchina. Nelle macchine rotanti, ad esempio, un segnale forte su una singola frequenza correlato alla velocità di rotazione, indica lo squilibrio o la piegatura di un albero. L'allentamento generale o il dente rotto di un ingranaggio creeranno invece un segnale di impatto ricco di armoniche. Un segnale forte, modulato in ampiezza da una frequenza più bassa, è un potente strumento diagnostico per l'analisi degli ingranaggi.

Il successo di queste varie tecniche diagnostiche impone una serie di requisiti all'accelerometro che fornisce i dati di origine. La sua larghezza di banda, ad esempio, dovrebbe essere abbastanza ampia da catturare facilmente sia la modulazione alla rotazione di base del motore che le armoniche di ordine superiore. I motori c.a. sincroni ruotano in genere a 3600 giri/min, mentre quelli c.c. possono ruotare tra 10 e 7000 giri/min o più, per cui, a seconda del progetto della macchina, una larghezza di banda adeguata del sensore potrebbe richiedere un intervallo anche di soli 0,1 Hz o tra 5 e 10 kHz.

Anche la sensibilità è importante. A seconda delle dimensioni del sensore, l'unico punto di montaggio disponibile per il monitoraggio delle condizioni dei macchinari in movimento potrebbe trovarsi sull'alloggiamento, ben lontano dalla sorgente effettiva delle vibrazioni all'interno della macchina. Questa distanza attenuerà le vibrazioni e porterà a un segnale debole. Di conseguenza, sia il segnale del sensore che il percorso dal sensore all'ADC devono avere un rumore il più basso possibile per evitare che le interferenze elettriche - come quelle provenienti dagli avvolgimenti per motore - inondino il segnale d'interesse.

I sensori di monitoraggio delle vibrazioni devono avere una buona stabilità nel tempo e sull'intervallo della temperatura. La stabilità è particolarmente importante quando come strumento diagnostico si utilizza l'andamento della velocità RMS. I cambiamenti nella lettura dell'accelerazione nel tempo o sull'intervallo della temperatura si accumuleranno durante l'integrazione che genera i dati di velocità, compromettendo la misurazione tendenziale.

Oltre a questi requisiti, diversi attributi del sensore sono importanti dal punto di vista della progettazione del sistema. Il sensore dovrebbe essere il più piccolo possibile per massimizzare le opzioni di posizionamento sulla macchina monitorata. Anche la leggerezza è importante per evitare che la massa del sensore influisca sulle caratteristiche di vibrazione della macchina.

Per ridurre al minimo la necessità di utilizzare costosi cavi coassiali a basso rumore per collegare un sensore analogico a un digitalizzatore, molti accelerometri per il monitoraggio delle condizioni industriali sono abbinati a un ADC, a circuiti di comunicazione e talvolta a una qualche elaborazione digitale del segnale nel modulo sensore. In questi moduli, sia le dimensioni contenute che il basso consumo energetico creano un'opportunità per il funzionamento a batteria e wireless, semplificando ulteriormente il posizionamento e riducendo i costi e la complessità del cablaggio. Ridurre al minimo il costo totale del modulo sensore migliora il rapporto costi/benefici del monitoraggio delle condizioni, ampliando la possibilità di sfruttare la manutenzione preventiva.

Gli accelerometri MEMS rispondono alla sfida delle prestazioni, dei costi e dell'integrazione

I progressi nella progettazione e nella tecnologia di fabbricazione dei CMOS hanno permesso agli accelerometri capacitivi MEMS di soddisfare queste prestazioni e gli attributi di progettazione del sistema per una vasta gamma di applicazioni industriali di monitoraggio delle condizioni. Essendo realizzati utilizzando processi compatibili con la produzione di circuiti integrati CMOS, gli accelerometri MEMS hanno un vantaggio significativo rispetto ai tradizionali accelerometri piezoelettrici, infatti possono integrare molte delle funzioni di un modulo sensore completo in un contenitore delle dimensioni di un chip.

NOTA: è importante sottolineare che i sensori piezoelettrici sono ancora molto diffusi e prevalenti in applicazioni che richiedono una tolleranza estrema alla temperatura o in cui è probabile che le vibrazioni superino i 50 g.

L'accelerometro MEMS triassiale IIS3DWBTR di STMicroelectronics è un buon esempio (Figura 3). Questo dispositivo contiene tre sensori di accelerazione a banda ultra larga (da c.c. a 6 kHz) oltre a un ADC, una catena di filtri digitali configurabili dall'utente, un sensore di temperatura, una FIFO da 3 kB e un'interfaccia seriale SPI, il tutto in un contenitore a montaggio superficiale di soli 2,5 x 3 x 0,83 mm. È a basso consumo, funziona da 2,1 a 3,6 V e assorbe solo 1,1 mA a pieno regime. Al rilevamento dell'attività, il sensore si riattiverà automaticamente dalla modalità di sospensione a 5 µA. È anche robusto, con un intervallo di temperatura di lavoro tra -40 °C e +105 °C e una resistenza agli urti di 10.000 g. La sensibilità selezionabile (±2, ±4, ±8 o ±16 g) consente inoltre di adattarlo a una serie di requisiti applicativi.

Figura 3: La tecnologia MEMS CMOS permette agli accelerometri come IIS3DWBTR di STMicroelectronics di alloggiare un ADC, un filtro digitale, una memoria FIFO e altro ancora in contenitori compatti e a basso consumo per ridurre al minimo i costi di monitoraggio delle vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

L'avvento di dispositivi come IIS3WDB ha cambiato le opportunità di monitoraggio delle condizioni di vibrazione. Integrando tutte le caratteristiche essenziali di un modulo sensore a basso costo, riducono al minimo i costi complessivi della distinta base per rendere il monitoraggio economicamente vantaggioso su un più ampio campo di applicazioni. Le dimensioni ridotte e il rilevamento a tre assi (che elimina la necessità di un orientamento specifico) ampliano le opzioni per il posizionamento dei sensori, compreso il loro inserimento all'interno del macchinario. L'interfaccia digitale consente di semplificare il cablaggio per collegare il sensore ai processori host per la raccolta e l'analisi dei dati, mentre la pre-elaborazione integrata e il buffer FIFO agevolano le comunicazioni con l'host. La richiesta di basso consumo apre la porta al funzionamento a batteria.

La progettazione dei dispositivi MEMS può favorire l'integrazione. Nelle stesse dimensioni del contenitore di IIS3WDBTR, ad esempio, ISM330DHCXTR di STMicroelectronics accoglie un accelerometro a 3 assi e un giroscopio a 3 assi per sei gradi di rilevamento del movimento, oltre a tutte le funzionalità presenti in IIS3DWBTR. Inoltre, include un'interfaccia I²C, capacità come hub di sensori, 9 kB di FIFO, una macchina a stati finiti programmabili per l'elaborazione dei dati e i blocchi fondamentali per l'apprendimento automatico in modo che il dispositivo possa adattare il funzionamento alla particolare installazione.

I moduli integrano l'elaborazione dei dati

Per applicazioni ancora più esigenti, i moduli sensore MEMS, completi di elaborazione integrata, sono ora disponibili in formati estremamente compatti. Ad esempio, il modulo sensore di vibrazioni ADIS16228CMLZ di Analog Devices è un accelerometro MEMS triassiale completo, ±18 g, con un ADC integrato e una FFT da 512 punti per l'analisi delle vibrazioni nel dominio della frequenza - il tutto in un alloggiamento di 15 x 24 x 15 mm (Figura 4). Il dispositivo ha anche allarmi programmabili per sei bande spettrali che sono in grado di segnalare avvertimenti o rilevamento dei guasti a seconda dei livelli di energia in quelle bande.

Figura 4: Moduli sensore di vibrazioni MEMS completi di elaborazione FFT integrata e rilevamento dei guasti basato sulla frequenza, come ADIS16628 di Analog Devices, sono disponibili in alloggiamenti robusti e compatti. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La tecnologia MEMS offre sistemi di sensori completi in grado di gestire fino a ±50 g. ADCMXL3021BMLZ di Analog Devices, ad esempio, ha una larghezza di banda del sensore di 10 kHz, ADC di 220 ksps, filtri digitali e allarmi condizionali basati sul tempo e su FFT configurabili dall'utente. Nonostante tutte le sue capacità di elaborazione incorporate, il dispositivo richiede in genere solo 30 mA a 3,3 V.

Questi moduli completi di sistema basato su sensori di vibrazione offrono molte opzioni configurabili dall'utente per attributi come la larghezza di banda del filtro di pre-elaborazione, la funzione di windowing FFT, l'impostazione della soglia della banda di frequenza, le statistiche temporali e altre ancora. Per usarli in modo efficace, gli utenti devono comprendere perfettamente le caratteristiche del loro sistema e le numerose tecniche di analisi delle vibrazioni che potrebbero applicare. Da parte loro, gli sviluppatori che cercano di realizzare sistemi di monitoraggio delle vibrazioni utilizzando sensori a chip come IIS3DWB o ISM330DHCX dovranno conoscere le caratteristiche del sistema di destinazione e comprendere le opzioni di elaborazione.

Iniziare con un kit di valutazione

Per iniziare, un kit di sviluppo come STEVAL-STWINKT1 di STMicroelectronics potrebbe essere un buon punto di partenza (Figura 5). Il modulo del kit comprende sia IIS3DWB che ISM330DHCX, oltre a numerosi altri sensori e a un processore Arm® Cortex®-M4 con unità a virgola mobile per gestire elaborazioni supplementari. Il modulo può essere alimentato dalla batteria agli ioni di litio inclusa e offre una radio Bluetooth Low Energy integrata e una scheda di espansione Wi-Fi per la connettività wireless, che permettono di usare il kit come sensore autonomo di monitoraggio delle condizioni in installazioni sul campo.

Figura 5: I kit di sviluppo come STEVAL-STWINKT1 non solo forniscono agli sviluppatori accelerometri e altri sensori MEMS da valutare, ma possono anche funzionare come moduli autonomi e pronti all'uso per il monitoraggio industriale. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il kit viene fornito con un set completo di firmware per lo sviluppo di applicazioni di monitoraggio delle condizioni e di manutenzione predittiva. Sono inclusi il middleware per l'analisi delle vibrazioni nel dominio del tempo (velocità RMS e picchi di accelerazione) e nel dominio della frequenza. Il software è compatibile anche con il pannello di manutenzione predittiva basato sul Web DSH-PREDMNT dell'azienda per i dati del sensore di monitoraggio e lo stato del dispositivo. Per dare agli sviluppatori un aiuto nello sviluppo di software personalizzato, sono disponibili implementazioni di esempio.

Conclusione

Anche se i sensori piezoelettrici sono ancora prevalenti nelle applicazioni che richiedono una tolleranza estrema alla temperatura o regimi di vibrazione superiori a 50 g, le loro dimensioni e la necessità di ADC discreti e di hardware di pre-elaborazione (con i relativi costi e complessità di cablaggio) ne hanno sempre limitato il campo di applicazione al monitoraggio di apparecchiature di alto valore.

I progettisti possono utilizzare gli accelerometri MEMS, un'alternativa compatta ed economica che semplifica l'impiego e amplia la gamma di applicazioni per il monitoraggio delle vibrazioni. Oltre a prestazioni sempre più elevate, gli accelerometri MEMS consentono ai progettisti di sfruttare prontamente i vantaggi del monitoraggio delle condizioni di vibrazione e la manutenzione predittiva per macchinari di qualsiasi dimensione.