Nozioni fondamentali sul monitoraggio delle vibrazioni con VOYAGER4 per ingegneri praticanti

Dall'automazione ai sistemi industriali, i motori elettrici sono fondamentali per l'azionamento di processi essenziali in un'ampia gamma di applicazioni. Qualsiasi guasto o deterioramento delle prestazioni di un motore può causare tempi di fermo ingiustificati, ostacolando la produttività in fabbrica, innescando ritardi sostanziali e interruzioni nella supply chain del produttore e causando perdite sostanziali per l'azienda. Oltre alla perdita di tempo e denaro, i tempi di fermo indesiderati compromettono anche l'immagine del produttore sul mercato.

Di conseguenza, per garantire che il motore funzioni in modo corretti per l'intero ciclo di vita del sistema, lo stato e le prestazioni di queste macchine devono essere costantemente monitorati nei sistemi in cui vengono impiegate. Questo tipo di manutenzione predittiva delle macchine riduce al minimo i guasti, migliora l'affidabilità e aumenta la produttività in fabbrica. Tutto ciò si traduce in un risparmio significativo per l'azienda.

Sebbene esistano diversi parametri da monitorare nelle macchine rotanti, la vibrazione è il più importante e utile per esaminare e determinare lo stato di salute della macchina rotante. Si tratta di una variabile predittiva chiave che può essere utilizzata per monitorare e rilevare potenziali guasti, ad esempio una vite allentata, un cuscinetto ingrippato e altri problemi simili all'interno delle macchine rotanti. Sebbene le vibrazioni non siano difficili da monitorare, raccogliere i dati e creare gli avvisi non sono operazioni banali, ma richiedono analisi dei dati, algoritmi innovativi e connettività wireless.

Monitoraggio delle vibrazioni del motore

Per questa applicazione, Analog Devices, Inc. (ADI) ha sviluppato un sensore wireless per il monitoraggio delle vibrazioni che utilizza la tecnologia di rilevamento degli accelerometri dei sistemi microelettromeccanici (MEMS). Riconosciuti per le dimensioni compatte, il basso consumo energetico e l'ampia risposta in frequenza fino a 8 kHz, i sensori MEMS sono la tecnologia preferita per un'ampia gamma di macchine rotanti industriali.

Progettato per il monitoraggio basato sulle condizioni (CbM) nella robotica e nelle applicazioni industriali, l'innovativo sensore MEMS di ADI, denominato VOYAGER4, incorpora l'intelligenza artificiale (IA) per un'analisi più intelligente dei dati a livello di sensore. Si tratta infatti di una soluzione completa che comprende CI di supporto, componenti e altri dispositivi come accelerometri, processori e CI di gestione dell'alimentazione (PMIC) (Figura 1).

Figura 1: Diagramma a blocchi del sistema VOYAGER4 completo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Kit di valutazione VOYAGER4

Per semplificare agli ingegneri la conoscenza di un sistema di monitoraggio delle condizioni wireless, ADI ha preparato il kit di valutazione per il monitoraggio wireless delle vibrazioni VOYAGER4, EV-CBM-VOYAGER4-1Z. Questo kit è una piattaforma di monitoraggio delle vibrazioni completa e a basso consumo con cui i progettisti possono implementare rapidamente una soluzione di monitoraggio wireless per un motore elettrico o una configurazione di prova simile. Offre i seguenti elementi:

• Decisioni più intelligenti e sicure all'edge
• Un algoritmo di IA per prendere decisioni all'edge
• Capacità di montaggio meccanico e misurazione fino a 8 kHz di larghezza di banda
• Tecnologia di accelerometro MEMS a 3 assi, a bassissimo consumo e a bassissimo rumore
• Microcontroller a bassissimo consumo e robusta tecnologia Bluetooth Low Energy (BLE)

I CI di ADI e gli altri componenti montati sulla scheda a circuiti stampati (PCB) del kit (Figura 2) comprendono i sensori MEMS triassiali con uscita digitale ADXL382 e ADXL367, i microcontroller BLE MAX32666, IA MAX78000, il PMIC MAX20335 e i dispositivi di alimentazione MAX17262 e MAX38642. La PCB popolata è montata verticalmente su una base in alluminio con una batteria fissata a un distanziatore. Inoltre, la base presenta un foro filettato M6 per il montaggio del perno a vite sulla carcassa del motore. L'intera unità è poi racchiusa in un involucro di alluminio di diametro pari a 46 mm e un'altezza di 77 mm.

Figura 2: La PCB popolata del kit EV-CBM-VOYAGER4-1Z sulla sua base in alluminio. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Per evitare di schermare l'antenna della connessione BLE, l'involucro utilizza un coperchio in plastica ABS (Figura 3), dato che è un materiale resistente e non metallico che consente il passaggio dei segnali radio con un'interferenza minima.

Figura 3: Gruppo meccanico dell'unità sensore VOYAGER4 con l'involucro in alluminio e il coperchio in plastica ABS. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Utilizzando l'analisi modale, gli ingegneri di ADI hanno progettato un involucro meccanico solido che consente al sensore VOYAGER4 di estrarre con precisione i dati sensibili sulle vibrazioni dal motore o dalla macchina rotante sotto test. A tale scopo, utilizza un algoritmo di IA per rilevare comportamenti anomali del motore e attivare una chiamata per la diagnostica e la manutenzione della macchina. Tuttavia, prima che il software inizi la diagnostica, il sensore accelerometrico triassiale MEMS a 16 bit e 8 kHz ADXL382 raccoglie i dati di vibrazione grezzi che vengono poi elaborati con il processore MAX78000 AI. Se l'algoritmo IA rileva un guasto o sospetta che i dati di vibrazione siano errati, il sistema invia un avviso di anomalia vibrazionale all'utente tramite la radio BLE wireless MAX32666.

Funzionamento del sistema di sensori

In linea di principio, il sistema di sensori VOYAGER4 elabora i dati di vibrazione iniziali secondo un metodo ben definito (Figura 4). Come illustrato nella figura, i dati grezzi raccolti dal sensore MEMS seguono il percorso (a) verso il processore BLE. Tuttavia, prima di inviarli all'utente tramite la radio BLE o la connessione USB e il CI FT234XD-R con interfaccia UART seriale di base, questi dati MEMS sono inviati al processore con Edge IA lungo il percorso (b) per prevedere i dati della macchina difettosa. Se l'algoritmo di IA prevede che i dati di vibrazione siano errati o sospetti, il sistema utilizza il percorso (c) per avvisare l'utente dell'anomalia tramite la radio BLE. Se non è previsto un guasto o un'anomalia, il sistema VOYAGER4 utilizza il percorso (d) per portare il sensore MEMS in modalità di sospensione fino al successivo evento di rilevamento.

Figura 4: Principio di funzionamento del sistema VOYAGER4. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Il sistema utilizza due accelerometri MEMS per un motivo ben preciso. Mentre l'accelerometro MEMS ad alte prestazioni ADXL382 viene utilizzato per acquisire i dati sulle vibrazioni, l'accelerometro a bassissimo consumo, a 14 bit e 100 Hz ADXL367 può essere utilizzato per riattivare la radio BLE da una modalità di sospensione profonda quando si verifica un evento significativo di vibrazione o urto. Questo dispositivo di riattivazione consuma solo 180 nA, contribuendo a un sostanziale risparmio energetico per prolungare la durata della batteria. Contemporaneamente, i dati grezzi sulle vibrazioni dell'accelerometro MEMS sono inoltrati alla radio BLE di MAX32666 o al microcontroller IA MAX78000 tramite un interruttore analogico unipolare a due vie (SPDT), modello ADG1634BCPZ-REEL7. Questo interruttore analogico è controllato dal microcontroller BLE.

Altri dispositivi periferici collegati al microcontroller BLE MAX32666 includono il CI indicatore di carica a più celle MAX17262, l'array di diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS) MAX3207EAUT+T e il dispositivo di autenticazione sicura DS28C40ATB/VY+T. Mentre il CI dell'indicatore di carica agli ioni di litio implementa l'algoritmo Maxim ModelGauge m5 EZ per monitorare la corrente della batteria, l'array di diodi TVS a bassa capacità di ingresso fornisce una protezione ESD di ±15 kV secondo i modelli di corpo umano e di traferro. Analogamente, per l'integrità dei dati, l'autenticatore sicuro offre una serie di strumenti crittografici derivati da funzioni di sicurezza asimmetriche (ECC-P256) e simmetriche (SHA-256) integrate.

Gestione del consumo energetico e della durata della batteria

Per ridurre al minimo il consumo energetico, VOYAGER4 gestisce in modo intelligente il funzionamento dei PMIC su scheda rispetto alle modalità operative del microcontroller BLE e del processore Edge IA. In sostanza, il microcontroller BLE abilita o disabilita le singole uscite del PMIC MAX20335 per le diverse modalità operative di VOYAGER4. MAX20335 incorpora due regolatori buck a bassissima corrente di quiescenza e tre regolatori lineari a bassa corrente di quiescenza e bassa caduta di tensione (LDO) (Figura 5). Il valore di ciascuna tensione di uscita può essere programmato utilizzando l'interfaccia I²C del PMIC. Se è necessaria un'alimentazione supplementare, il kit fornisce un regolatore buck regolabile a uscita singola a tensione positiva, MAX38642AELT+T, che può fornire fino a 350 mA.

Figura 5: Diagramma a blocchi di MAX20335. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Per ridurre al minimo il consumo energetico, il sensore VOYAGER4 regola le sue caratteristiche di modalità di alimentazione tra stati attivi e inattivi, a seconda delle modalità operative BLE e IA. Ad esempio, in modalità di addestramento, il microcontroller BLE deve prima segnalare la sua presenza nella rete BLE e poi connettersi tramite BLE con il gestore della rete. VOYAGER4 trasmette quindi i dati grezzi del MEMS ADXL382 attraverso la rete BLE per addestrare un algoritmo di IA sul PC dell'utente. In modalità IA normale, le funzioni di presenza, connessione e streaming della radio BLE sono disattivate per impostazione predefinita. Contemporaneamente, a intervalli periodici, MAX78000 si riattiva ed esegue un'inferenza IA. Se non rileva alcuna anomalia, VOYAGER4 torna in modalità di sospensione profonda (Figura 6).

Figura 6: Consumo medio di energia del sensore VOYAGER4 in funzione dell'intervallo di tempo tra gli eventi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La Figura 6 mostra che quando un sensore non trasmette dati grezzi sulla radio BLE, consuma fino a 50% di energia in meno. In modalità di addestramento, consuma circa 0,65 mW di energia quando la radio BLE è attiva, si presenta, si connette e trasmette dati una volta all'ora. Quando il sensore funziona in modalità IA normale, il sistema consuma 0,3 mW, anche quando il sensore è attivo una volta ogni ora. L'analisi dei dati indica che con un consumo energetico di 0,3 mW, una singola batteria da 1.500 mAh può garantire il funzionamento per due anni. Tuttavia, utilizzando due batterie standard AA da 2,6 Ah è possibile prolungare la durata delle batterie a circa sette anni. Per tempi più lunghi, si consiglia di utilizzare batterie con correnti di base basse e impulsi di periodo.

GUI e firmware VOYAGER4

L'interfaccia grafica utente (GUI) di VOYAGER è scritta in Python e utilizza librerie chiave come bleak, asyncio e Tkinter per creare un'interfaccia interattiva che si connette al sensore VOYAGER4 tramite la radio BLE.

Il kit di valutazione VOYAGER4 comprende due microcontroller e diversi dispositivi periferici, tra cui sensori, PMIC, memoria flash e interfacce di comunicazione. ADI offre strumenti per sviluppare il codice necessario a controllare e comunicare con il PC host. Ad esempio, gli ingegneri possono utilizzare l'IDE CodeFusion per lo sviluppo embedded in generale e l'SDK VOYAGER per la distribuzione di applicazioni IA. In particolare, per i microcontroller MAX32666 e MAX78000 sono disponibili risorse di sviluppo dedicate per la programmazione di questi dispositivi.

Conclusione

Il sensore wireless di ADI per il monitoraggio delle vibrazioni, VOYAGER4, è uno strumento efficace per il monitoraggio basato sulle condizioni dei motori nella robotica e di altre macchine rotanti nei sistemi industriali. Il kit di valutazione di ADI consente agli ingegneri di conoscere e applicare il sensore MEMS e offre una piattaforma completa e a basso consumo per la rapida implementazione del monitoraggio wireless delle vibrazioni.