Utilizzare un sensore MEMS per il monitoraggio delle vibrazioni

Il monitoraggio delle vibrazioni (VM) esiste da molto tempo ed è stato utilizzato per monitorare le condizioni di una macchina, un'attrezzatura o una struttura. I dati sulle vibrazioni raccolti tramite sensori dedicati durante il funzionamento di una macchina vengono monitorati e analizzati in tempo reale.

L'obiettivo principale del monitoraggio delle vibrazioni è quello di ridurre il rischio di danni irreparabili e di potenziali tempi di fermo macchina che si traducono in maggiori costi operativi.

I dati sulle vibrazioni raccolti da un sensore di vibrazione possono essere utilizzati come input a sé stante o essere combinati con i dati di altri sensori, a seconda dei requisiti operativi. Ad esempio, in un'applicazione di automazione di fabbrica, i dati sulle vibrazioni possono essere combinati con:

1. Temperatura
2. Fumo
3. Umidità
4. Pressione
5. Suono

Questa combinazione genera un sistema completo che fornirà una soluzione più robusta e affidabile.

In alcuni altri casi d'uso, come il monitoraggio strutturale, i dati sulle vibrazioni possono essere combinati con i dati sulla posizione di inclinazione raccolti tramite un inclinometro per determinare lo stato di salute della struttura.

I dati raccolti sono inseriti in algoritmi dedicati, tra cui gli algoritmi emergenti di intelligenza artificiale (IA), per sviluppare un modello in grado di prevedere potenziali guasti futuri. Le informazioni predittive del modello possono quindi essere utilizzate per formare la base di conoscenza su cui prendere decisioni in merito alla necessità di intraprendere azioni immediate per evitare perdite di produttività.

Una nuova tendenza nell'automazione di fabbrica è l'emergere di algoritmi IA che possono essere addestrati sulla base dei dati dei sensori per prevedere quali compiti eseguire. Ciò riduce l'onere per i singoli operatori che in precedenza dovevano prendere decisioni criticamente difficili e dispendiose in termini di tempo. Una fabbrica automatizzata in modo autonomo allevia le responsabilità dei singoli operatori e reagisce automaticamente a qualsiasi cambiamento delle condizioni operative.

Sensore di vibrazione

Un componente chiave in un'applicazione di monitoraggio delle vibrazioni è un sensore di vibrazione. I più recenti sensori di vibrazione sono basati sulla tecnologia MEMS che utilizza lo stesso concetto di rilevamento dell'accelerazione in un accelerometro. La differenza principale è nella larghezza di banda del sensore. Un accelerometro MEMS ha una larghezza di banda tipica di 3 kHz, tuttavia, un sensore di vibrazione è in grado di rilevare la vibrazione a una larghezza di banda significativamente superiore. La capacità di un sensore di vibrazione di catturare segnali ad alta frequenza permette un'analisi più accurata della frequenza di vibrazione. Il più recente sensore di vibrazione MEMS offre una larghezza di banda di oltre 6 kHz, che sarà discussa più avanti.

Un sensore di vibrazione basato su MEMS ha molte applicazioni e la Figura 1 offre un elenco di alcune delle più importanti. Il monitoraggio delle vibrazioni di un motore è un elemento essenziale per la buona riuscita dell'automazione di fabbrica. Il monitoraggio delle vibrazioni delle strade ferrate può aiutare ad evitare incidenti catastrofici sui treni. Gli elettrodomestici come le lavatrici sono stati dotati di monitoraggio delle vibrazioni fin dall'inizio dei sensori MEMS nelle applicazioni industriali. L'applicazione del monitoraggio strutturale ha trovato slancio dall'emergere dei sensori MEMS ad un costo accessibile. Ad esempio, le municipalità hanno la responsabilità di monitorare le vibrazioni dei ponti per assicurare che le strutture siano in buona salute e in buone condizioni. I dati sulle vibrazioni di un ponte, in particolare durante le ore di punta, possono fornire informazioni preziose su qualsiasi anomalia che possa causarne il crollo.

Figura 1: Alcune applicazioni di sensori MEMS per le vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Le specifiche tecniche di un sensore di vibrazione devono essere studiate attentamente per garantire che il sensore possa soddisfare i requisiti dell'applicazione finale. La Tabella 1 illustra i parametri principali di uno dei più recenti sensori di vibrazione offerti da STMicroelectronics. Questo dispositivo può catturare la vibrazione nello spazio tridimensionale (x, y, z). I tre gradi di libertà offerti forniscono la flessibilità per posizionare il dispositivo nell'orientamento di montaggio.

L'intervallo di fondo scala fino a 16 g di accelerazione per asse è sufficiente a coprire l'ampiezza delle vibrazioni tipicamente richiesta per monitorare lo stato di salute di una macchina.

Questo dispositivo offre una larghezza di banda molto ampia, una risposta in frequenza piatta fino a 6,3 kHz e un filtraggio incorporato che elimina l'aliasing di frequenza.

Un'altra importante caratteristica di questo dispositivo è la densità di rumore spettrale molto bassa. Questo è un vantaggio molto importante quando si devono catturare le vibrazioni a bassa frequenza.

Rispetto al sensore di vibrazione esistente, l'intervallo della temperatura di funzionamento è esteso a +105 °C per soddisfare il requisito di un ambiente operativo esigente.

Il dispositivo può essere utilizzato sia in una modalità a 3 assi sia in una modalità ad asse singolo selezionabile attraverso registri dedicati. Nella modalità a 3 assi, tutti e tre gli assi (x, y, z) sono attivi simultaneamente. Nella modalità ad asse singolo è attivo un solo asse. Nella modalità ad asse singolo, la risoluzione (densità di rumore) dell'asse attivo migliora significativamente.

Tabella 1: Parametri principali dei più recenti sensori di vibrazione offerti da STMicroelectronics.

Applicazioni di monitoraggio delle vibrazioni

Il monitoraggio delle vibrazioni di solito si riferisce all'analisi delle vibrazioni di una macchina, un'attrezzatura o un apparecchio come parte di un'applicazione completa ed è definito Monitoraggio delle condizioni (CM) o Monitoraggio basato sulla condizione (CbM). L'analisi delle vibrazioni riveste un ruolo significativo nel monitoraggio dello stato di salute di una macchina nel tempo. Tuttavia, oltre alla raccolta di dati sulle vibrazioni, una soluzione completa di monitoraggio delle condizioni incorpora più sensori per raccogliere i parametri vitali delle apparecchiature, tra cui temperatura, rumore, pressione, fumo e umidità. Ognuno di questi sensori fornisce informazioni preziose su una condizione specifica della macchina. Questi dati dei sensori sono fusi, elaborati e analizzati per formare la base di conoscenza delle condizioni generali della macchina su cui prendere decisioni critiche in termini di manutenzione.

La Figura 2 illustra alcune delle principali applicazioni del monitoraggio delle vibrazioni in vari mercati. La ripartizione in questa figura evidenzia l'importanza della raccolta e dell'analisi dei dati sulle vibrazioni come parte di una soluzione completa per il CM. Si possono utilizzare altri sensori per raccogliere dati che saranno combinati per un risultato affidabile ed efficace. Nelle soluzioni più recenti offerte dal settore, gli algoritmi intelligenti che utilizzano i dati dei sensori portano le capacità e l'efficacia di tali soluzioni a un nuovo livello. Queste soluzioni innovative e potenti possono aiutare a ridurre significativamente il costo e le inefficienze associate a situazioni di fermo macchina delle attrezzature, che sarebbero altrimenti inevitabili.

Figura 2: Varie applicazioni del monitoraggio delle vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Il cloud computing è diventato un elemento critico di una soluzione estesa che coinvolge i dati dei sensori raccolti da più punti per garantire che non ci sia alcuna interruzione a qualsiasi livello in qualsiasi luogo. L'unità di elaborazione centrale nel cloud serve per combinare e analizzare tutti i dati e monitorare le macchine e le attrezzature in tempo reale, per garantire un funzionamento regolare e senza interruzioni.

La Figura 3 fornisce un elenco degli elementi costitutivi essenziali di un sistema di monitoraggio delle vibrazioni. A seconda delle esigenze e dei requisiti del sistema, vari sensori possono essere montati sull'attrezzatura da monitorare. L'elenco dei sensori comprende:

• Vibrazioni
• Modulo sensore inerziale
• Temperatura
• Umidità
• Pressione
• Sensore di luce ambiente
• Inclinometro

È necessaria un'unità di elaborazione per analizzare i dati raccolti. A seconda della quantità di dati, della privacy, della sicurezza dei dati, della latenza e dei requisiti energetici, le analisi possono essere eseguite nell'unità di elaborazione locale o trasmesse a un centro di elaborazione nel cloud che raccoglie e analizza tutti i dati provenienti da più apparecchiature.

Figura 3: Elementi costitutivi di un sistema di monitoraggio delle vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Ad un certo punto dopo l'installazione e durante il funzionamento della macchina, la condizione della macchina inizia a cambiare. È fondamentale avere installati tutti i sensori necessari per raccogliere dati su ultrasuoni e rumore udibile, vibrazioni, consumo energetico, temperatura e qualsiasi potenziale fumo. Con il passare del tempo, la necessità di raccogliere i parametri della macchina e i dati dei sensori diventa cruciale per monitorare lo stato di salute della macchina.

La Figura 4 mostra la tipica curva di installazione e punto di avaria (IPF) di una macchina monitorata. Il tempo che intercorre tra il cambiamento delle condizioni della macchina e il guasto finale può durare mesi o addirittura anni prima che cominci a manifestare i sintomi del guasto. L'analisi precoce dei dati dei sensori può dare un'indicazione sullo stato di salute della macchina e gli algoritmi IA addestrati che usano i dati dei sensori come input possono prevedere un guasto e avviare le contromisure necessarie.

Figura 4: Curva IPF. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

La Figura 5 è un esempio di monitoraggio delle vibrazioni di una pompa elettrica. Diverse condizioni, come lo squilibrio, l'allentamento, l'albero di uscita e il cambio della pompa possono essere monitorati utilizzando un sensore di vibrazione. I dati del sensore di vibrazione vengono poi trasmessi per le analisi approfondite, tra cui la trasformata di Fourier veloce (FFT) dei dati di vibrazione che può determinare la firma di frequenza individuale di queste condizioni.

Figura 5: Monitoraggio delle vibrazioni di una pompa elettrica in varie condizioni. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Un sistema di monitoraggio delle condizioni di un motore elettrico può avere diversi componenti oltre al motore elettrico. La soluzione può avere vari sensori tra cui quelli di vibrazione, temperatura, pressione e altri a seconda dei requisiti dell'ambiente operativo. L'opzione di connettività tra la pompa e l'unità di elaborazione può essere cablata o non cablata, con protocolli di comunicazione dedicati. L'unità di elaborazione e analisi può fornire strumenti di diagnostica e visualizzazione della pompa per aiutare l'operatore a identificare e affrontare in modo proattivo problemi come le irregolarità che potrebbero comportare tempi di inattività e interruzioni. Questo impegno proattivo può aumentare il profitto di un'azienda abbassando i costi operativi e di manutenzione della fabbrica.

Conclusione

Sono utilizzati molti sensori per implementare una soluzione completa per la manutenzione predittiva. I più recenti sensori di vibrazione basati su MEMS hanno permesso soluzioni di monitoraggio delle vibrazioni efficienti e convenienti nell'automazione di fabbrica, nei servizi energetici, negli elettrodomestici e nella sorveglianza e supervisione della salute strutturale. Il monitoraggio delle vibrazioni può essere implementato come soluzione standalone o come parte del monitoraggio basato sulle condizioni che è emerso come elemento essenziale di una soluzione completa per monitorare varie macchine raccogliendo e analizzando i dati in tempo reale. Questa soluzione ha permesso alle fabbriche del XXI secolo di monitorare e affrontare in modo proattivo i problemi derivanti dalle interruzioni della produttività delle macchine e dai tempi morti. Il monitoraggio delle vibrazioni è un elemento cruciale di una soluzione completa per l'automazione di fabbrica.

Riferimenti

1. Sensore digitale di vibrazioni, 3 assi, basso rumore, larghezza di banda ultra-ampia. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/iis3dwb.html
2. Microfono analogico con porta alla base con risposta in frequenza fino a 80 kHz per applicazioni di analisi a ultrasuoni e manutenzione predittiva. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/imp23absu.html
3. Sensore di temperatura I²C/SMBus 3.0 a bassa tensione, bassissima potenza e con una precisione di 0,5 °C. https://www.st.com/en/mems-and-sensors/stts22h.html
4. https://www.st.com/en/applications/factory-automation/condition-monitoring-predictive-maintenance.html#overview
5. https://www.st.com/en/applications/factory-automation.html