Plattform zur Erfassung von hochgenauen Vibrationsdaten für die Zustandsüberwachung

Chris Murphy, Applikationsingenieur bei Analog Devices er Beitrag erläutert, wie sich Beschleunigungssensoren aufgrund von Weiterentwicklungen der MEMS-Technologie gegenüber piezoelektrischen Sensoren, speziell bei Anwendungen der zustandsorientierten Überwachung (CbM), zunehmend durchsetzen. Auch erörtert wird die Handhabung der Entwicklungsplattform CN0549, welche die Realisierung von CbM-Anwendungen mit MEMS-Sensoren ermöglicht.

  • Bild 1: Elemente der CbM-Entwicklungsplattform.
    Bild 1: Elemente der CbM-Entwicklungsplattform.
  • Bild 2: Testaufbau für die Vibrationsmessung: Das Board EVAL-CN0532-EBZ ist mit dem Aluminium-Montageblock EVAL-XLMOUNT1 an einem Schwingtisch befestigt.
    Bild 2: Testaufbau für die Vibrationsmessung: Das Board EVAL-CN0532-EBZ ist mit dem Aluminium-Montageblock EVAL-XLMOUNT1 an einem Schwingtisch befestigt.
  • Bild 3: CN0540: Hochgenaue Datenerfassung mit hoher Leistungsfähigkeit und großer Bandbreite für IEPE-Sensoren.
    Bild 3: CN0540: Hochgenaue Datenerfassung mit hoher Leistungsfähigkeit und großer Bandbreite für IEPE-Sensoren.
  • Beispiel-Anwendungsfall für das CN0549
    Beispiel-Anwendungsfall für das CN0549
  • Tabelle 2: Vergleich MEMS- und piezoelektrische Sensoren
    Tabelle 2: Vergleich MEMS- und piezoelektrische Sensoren
  • Plattform zur Erfassung von hochgenauen Vibrationsdaten für die Zustandsüberwachung
    Plattform zur Erfassung von hochgenauen Vibrationsdaten für die Zustandsüberwachung

Bei der zu­stands­orien­tierten Über­wachung (CbM) wer­den Ma­schi­nen oder An­la­gen mit Sen­so­ren über­wacht, um den ak­tu­el­len Ge­sund­heits­zu­stand zu ermit­teln. Die vo­r­aus­schau­ende In­stand­hal­tung (PdM) nutzt Tech­niken wie CbM, Ma­chine Learn­ing (ML) und Ana­ly­tik, um be­vor­ste­hen­de War­tungs­zyk­len oder Aus­fäl­le von An­la­gen vor­her­zu­sa­gen. 

Ange­sichts des welt­weit prognos­tizier­ten sig­nifi­kanten Wachs­tums bei der Über­wachung der Ma­schi­nen­ge­sund­heit soll­ten Ent­wick­ler die wich­tigs­ten Trends ken­nen und ver­ste­hen. Im­mer mehr im Be­reich CbM ak­tive Unter­nehmen set­zen auf PdM, um ih­re Pro­dukt­an­ge­bo­te zu dif­fer­enzie­ren. Für War­tung und Be­trieb Ver­ant­wort­li­chen er­öf­f­net die zu­stands­orien­tier­te Über­wa­chung neue Mög­lich­keiten, wie bei­spiels­weise draht­lose In­stal­la­tio­nen und kos­ten­güns­ti­gere, leis­tungs­star­ke Lö­sun­gen. 

Bei den meis­ten CbM-Sys­te­men läs­st sich neue MEMS-Tech­no­lo­gie oh­ne Ände­run­gen an der Infra­struk­tur durch­führen zu müs­sen direkt in Sys­teme inte­grie­ren, die bis­her mit piezo­elek­tri­schen Sen­so­ren aus­ge­stat­tet wa­ren oder bei de­nen aus Kos­ten­grün­den auf eine Über­wa­chung der Ma­schi­nen­gesundheit verzichtet wurde. 

Zu­stands­über­wa­chung - Technische Her­aus­for­de­run­gen und Ent­schei­dun­gen bei der Ent­wick­lung 

In einer ty­pi­schen Sig­nal­ket­te für CbM-An­wen­dun­gen müs­sen Ent­wick­ler vie­le ver­schie­de­ne tech­ni­sche Dis­zi­pli­nen und Tech­no­lo­gien be­herr­schen, die sich stän­dig ver­bes­sern und im­mer kom­ple­xer wer­den. Es gibt ver­schie­dene An­wen­der­ty­pen mit Fach­wis­sen in be­stim­mten Be­rei­chen wie Al­go­rith­men­ent­wick­lung (nur Soft­ware) oder Hard­ware­de­sign (nur Hard­ware). Know-how in bei­den Be­rei­chen zu­gleich ist je­doch nicht im­mer vor­han­den. 

In­gen­ieu­re, die Al­go­rith­men ent­wi­ckeln, be­nö­ti­gen Data Lakes mit In­for­matio­nen, um An­la­gen­aus­fälle und Aus­fall­zeiten genau vorher­sagen zu kön­nen. Auf die Ent­wick­lung von Hard­ware oder die Über­prü­fung der Inte­gri­tät der Da­ten wol­len Algo­rithmen­ent­wi­ckler ver­zich­ten und statt­dessen nur Da­ten ver­wen­den, die be­kan­nter­ma­ßen sehr zu­ver­läs­sig sind. Hard­ware-In­gen­ieure, die die System­zuver­lässig­keit er­hö­hen oder die Kos­ten sen­ken wol­len, be­nö­ti­gen hin­ge­gen ei­ne Lö­sung, die sich pro­blem­los in die be­ste­hen­de Infra­struk­tur ein­bin­den lässt, um ei­nen Ver­gleich mit be­stehen­den Lö­sun­gen durch­zu­füh­ren. Hard­ware-Ent­wick­ler be­nö­ti­gen Zu­gang zu den Da­ten in ei­nem les­baren For­mat, das sich ein­fach hand­haben und ex­por­tie­ren lässt, um kei­ne Zeit mit der Be­wer­tung der Leis­tungs­daten zu ver­lie­ren. Viele der Her­aus­forde­rungen auf System­ebene las­sen sich mit einem Platt­form­kon­zept lösen, der vom Sen­sor bis hin zur Algo­rithmen­ent­wick­lung allen Kunden­typen ge­recht wird. 

Was genau ist die Platt­form CN0549 und wie kann sie hel­fen, die Lebens­dauer von Ge­rä­ten zu ver­län­gern? 

Die Entwick­lungs­platt­form CN0549 für zu­stands­ba­sier­te Über­wa­chung ist eine leis­tungs­starke Hard­ware- und Soft­ware­lö­sung, die ein ori­gi­nal­ge­treu­es Stream­ing von Vibra­tions­daten aus ei­ner An­la­ge in die Algo­rith­men-/Ma­chine-Learn­ing-Ent­wick­lungs­um­ge­bung er­mög­licht. Hard­ware-Ex­per­ten pro­fi­tie­ren von der Platt­form, da es sich um ei­ne ge­tes­te­te und ge­prüf­te Sys­tem­lö­sung han­delt, die ei­ne hoch­ge­naue Da­ten­er­fas­sung, eine be­währ­te me­cha­ni­sche Kopp­lung mit der An­la­ge und ei­nen leis­tungs­star­ken Breit­band-Vibra­tions­sensor bie­tet. 

Alle Hardware-Ent­wick­lungs­da­tei­en wer­den zur Ver­fü­gung ge­stel­lt und er­mög­li­chen ei­ne ein­fa­che In­te­gra­tion in das zu ent­wi­ckeln­de Pro­dukt. Die Ent­wick­lungs­platt­form CN0549 ist auch für Soft­ware-Ex­per­ten at­trak­tiv, da sie die Hard­ware der Zu­stands­über­wa­chungs-Sig­nal­ket­te ab­stra­hiert und Soft­ware-Teams und Da­ten­wis­sen­schaft­lern er­mög­licht, di­rekt mit der Ent­wick­lung von Ma­chine-Learn­ing-Al­go­rith­men zu be­gin­nen. Wichtige Merk­male und Vor­tei­le sind: 

  • Einfache Mon­ta­ge an An­lagen unter Bei­be­hal­tung der Signal­inte­gri­tät der mecha­ni­schen Kopp­lung
  • MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sensor mit gro­ßer Band­breite und IEPE-Da­ten­aus­gabe­format (Integrated Elec­tro­nics Piezo Elec­tric)
  • IEPE, High-Fi­de­lity-Da­ten­er­fas­sungs­lö­sung (DAQ) mit ana­lo­ger Ein­gangs­band­brei­te von DC bis 54kHz 
  • Embedded Gate­way er­fasst und spei­chert die Roh­daten für die Verar­bei­tung lo­kal oder im Netz­werk 
  • Grafische Darstellung von Frequenzbereichsdaten in Echtzeit mit der Anwendung IIO Oscilloscope von Analog Devices
  • Streamen von Sen­sor­da­ten di­rekt in gän­gi­ge Daten­ana­lyse­tools wie Python und MATLAB®.

Hochgenaue, originalgetreue Datenerfassung und –verarbeitung

Sen­so­ren mit grö­ße­rer Band­brei­te und ge­rin­g­erem Rau­schen er­mög­lic­hen eine frü­he­re Er­ken­nung von Feh­lern wie Lager­prob­lemen, Kavi­tation und Zahn­ein­griff. Es ist un­er­läs­slich, dass die Daten­er­fas­sungs­elek­tro­nik die Ge­nauig­keit der ge­mes­se­nen Schwin­gungs­da­ten bei­be­hält, da sonst wich­ti­ge Feh­ler­in­for­ma­tio­nen ver­loren ge­hen kön­nen. 

Die Bei­be­hal­tung der Ge­nau­ig­keit der Vi­bra­tions­da­ten er­mög­licht es, Trends frü­her zu er­ken­nen, und man kann mit ei­nem ho­hen Maß an Ver­trau­en vor­beu­gen­de War­tungs­maß­nah­men emp­feh­len. Da­durch läs­st sich un­nö­tiger Ver­schleiß an Me­cha­nik­tei­len ver­rin­gern und die Le­bens­dauer der An­la­ge ver­län­gern. 

Kosteneffiziente Metho­den für die Zu­stands­über­wa­chung von An­la­gen mit ge­rin­ge­rer Kri­ti­ka­li­tät

Piezo-Be­schleu­nigungs­sen­so­ren sind die leis­tungs­stärks­ten Vi­bra­tions­sen­so­ren, die in kri­ti­schen An­la­gen zum Ein­satz kom­men, bei de­nen die Leis­tungs­an­for­de­rungen gegen­über den Kos­ten im Vor­der­grund ste­hen. Die Zu­stands­über­wa­chung von we­ni­ger kri­ti­schen An­la­gen ver­bot sich bis­her auf­grund der ho­hen Kos­ten von Piezo-In­stal­la­tio­nen. 

MEMS-Vibrationssensoren, die bezüglich Rauschen, Bandbreite und g-Bereich inzwischen mit piezoelektrischen Sensoren vergleichbar sind, ermöglichen für Instandhaltung und Betrieb Verantwortlichen tiefere Einblicke in weniger kritische Anlagenteile, die bisher bis zum Eintreten eines Fehlers (Run to Failure) betrieben wurden oder durch einen reaktiven Wartungsplan abgedeckt waren. Dies ist vor allem auf die hohe Leistungsfähigkeit und die niedrigen Kosten von MEMS-Bauteilen zurückzuführen. Anlagen mit mittlerer bis geringer Kritikalität können nun kontinuierlich und kostengünstig überwacht werden. Unnötiger Anlagenverschleiß lässt sich leicht erkennen und beheben, wodurch eine längere Lebensdauer durch fortschrittliche Vibrationsmessung erzielbar ist. Dies kann auch die Gesamteffektivität der Anlage steigern und Maschinen- oder Prozessausfallzeiten verkürzen. 

Überwa­chung von An­la­gen — Mes­sun­gen un­ent­behr­lich

Bei CbM und PdM gibt es vie­le ver­schie­dene Mög­lich­kei­ten, In­for­matio­nen zu er­fas­sen. Am meis­ten ge­nutzt wer­den Strom­mes­sung, mag­ne­tische Mes­sung und Durch­fluss­über­wa­chung. Die Vibra­tions­mes­sung ist die in der Zu­stands­über­wa­chung am häu­figs­ten ver­wen­dete Me­tho­de, und Piezo-Be­schleu­nigungs­sen­so­ren sind die am häu­figs­ten ver­wen­deten Vi­bra­tions­sen­so­ren. Der fol­gen­de Ab­schnitt zeigt auf, wie sich das Spek­trum an Vi­bra­tions­sen­so­ren auf­grund des tech­no­lo­gi­schen Fort­schritts er­wei­tert und wie sich dies auf die Ent­schei­dungs­fin­dung bei der An­wen­dung aus­wirkt. 

MEMS gegenüber Piezo­elek­trik

Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren gel­ten als beson­ders leis­tungs­stark. Auf­grund ihrer ho­hen Leis­tungs­fähig­keit sind je­doch viele Kom­pro­misse bei der Ent­wick­lung er­for­der­lich. Die­se Art von Sen­so­ren ist in der Re­gel auf den Ein­satz in ka­bel­ge­bun­de­nen In­stal­la­tio­nen be­schränkt, da sie über­mäßig viel E­ner­gie ver­brau­chen, gro­ße Ab­mes­sun­gen ha­ben kön­nen (ins­be­son­de­re drei­ach­sige Sen­so­ren) und teu­er sind. Wenn all diese Fak­to­ren zu­sam­men­kom­men, ist es nicht prak­ti­ka­bel, die ge­samte Fab­rik mit Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren aus­zu­stat­ten. Des­halb wer­den Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren über­wie­gend nur in kri­ti­schen An­la­gen ein­ge­setzt. 

Bis vor kur­zem er­reich­ten MEMS-Be­schleu­nigungs­sen­so­ren kei­ne aus­rei­chend gro­ße Band­brei­te und ihr Rau­schen war zu hoch. Außer­dem wa­ren ih­re g-Berei­che auf die Über­wa­chung we­ni­ger kri­ti­scher An­la­gen­tei­le be­grenzt. Durch Weiter­ent­wick­lungen der MEMS-Tech­no­lo­gie ist es ge­lun­gen, die ge­nannten Ein­schrän­kun­gen zu über­winden und den Ein­satz von MEMS-Sen­so­ren zur Vi­bra­tions­über­wa­chung so­wohl in ein­fa­chen als auch in hoch­kriti­schen An­la­gen zu ermög­lichen. 

Tabelle 1 zeigt die wich­tigs­ten Eigen­schaf­ten von Piezo- und MEMS-Sen­so­ren für CbM-An­wen­dungen. Da MEMS-Be­schleu­nigungs­sen­soren kleine Ab­mes­sun­gen ha­ben, jahre­lang mit der glei­chen Bat­te­rie be­trie­ben wer­den kön­nen und bei ver­gleich­ba­ren Leis­tungs­da­ten wie Piezo-Sen­so­ren kos­ten­güns­tig sind, avan­ciert die­ser Sensor­typ für viele CbM-An­wen­dungen schnell zum Bau­teil der Wahl. 

Die CbM-Ent­wick­lungs­platt­form CN0549 ist mit MEMS- und IEPE-Piezo­be­schleu­nigungs­sen­so­ren kom­pa­tibel, um einen Bench­mark-Ver­gleich zwi­schen den Sensor­typen zu er­mög­li­chen.

 

Piezoelektrisch

MEMS

DC-Verhalten

 

Schockbeständigkeit

 

Integrationsmöglichkeiten (Drei-Achsen, A/D-Wandler, Alarme, FFT)

 

Schwankungen der Leistungsfähigkeit über Zeit und Temperatur

 

Leistungsaufnahme

 

Abmessungen (kleiner ist besser)

 

Selbsttest

 

Kosten für ähnliche Leistungsdaten

 

Rauschen

 

Bandbreite

Mechanische Befestigung

Schnittstelle nach Industriestandard

g-Bereich

Einsatz von MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren mit be­ste­hen­der IEPE-In­fra­struk­tur 

Wie Tabelle 1 zeigt, kön­nen MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren im Ver­gleich zu Piezo­sen­so­ren wett­be­werbs­fä­hige Spe­zi­fi­ka­tio­nen und Leis­tungs­fähig­kei­ten bie­ten. Doch kön­nen sie ei­nen vor­han­de­nen Piezo­sen­sor er­set­zen? 

Damit Ent­wick­ler Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren mög­lichst ein­fach prü­fen und durch MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren er­set­zen kön­nen, hat Analog Devices ei­ne zum De-facto-Stan­dard IEPE für Piezo-Sen­so­ren in CbM-An­wen­dun­gen kom­pa­tib­le Schnitt­stel­le ent­wi­ckelt. 

IEPE-Sen­sor­schnitt­stel­le und me­cha­ni­sche Be­fes­ti­gung (CN0532)

Mit dem Eva­luierungs­board CN0532 von Analog Devices kön­nen Ent­wick­ler MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren di­rekt und ge­nau wie je­den an­de­ren IEPE-Sen­sor an die IEPE-In­fra­struk­tur an­schlie­ßen. 

Normaler­wei­se hat ein ein­achsi­ger MEMS-Sen­sor drei Aus­gangs­lei­tun­gen: Strom­ver­sor­gung, Mas­se und Be­schleu­ni­gungs­aus­gang. Die IEPE-In­fra­struk­tur be­nö­tigt nur zwei Aus­gangs­leit­ungen: Mas­se auf ei­ner Lei­tung und Strom­ver­sor­gung/Sig­nal auf der an­de­ren. Der Sen­sor wird mit Strom ver­sorgt, und wenn der Sen­sor Vi­bra­tio­nen misst, wird auf der­sel­ben Lei­tung eine Span­nung aus­ge­ge­ben. 

Das Board CN0532 ist 2,286mm (90mil) stark, um den im Daten­blatt an­ge­ge­be­nen Fre­quenz­gang des MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­sors bei­zu­be­hal­ten. Ein Wür­fel, der sich an ei­nem Bol­zen be­fes­ti­gen läs­st, er­mög­licht ei­nen so­for­ti­gen Test nach dem Aus­pa­cken. Der Mon­ta­ge­wür­fel wur­de zu­sam­men mit der Lei­ter­plat­te, der Löt­pas­te usw. um­fas­send cha­rak­teri­siert, um eine me­cha­ni­sche Über­tra­gungs­funk­tion mit vol­ler Band­brei­te zu ge­währ­leis­ten, wel­che die Sicht­bar­keit ei­nes brei­ten Feh­ler­spek­trums in­ner­halb der Sen­sor­band­breite op­ti­miert und so­mit die Le­bens­dau­er der An­la­ge durch die Fä­hig­keit, die­se Feh­ler zu er­fas­sen, ver­län­gert. Mit die­sen Lö­sun­gen kön­nen Ent­wick­ler von CbM-Lö­sun­gen MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren auf ein­fa­che Wei­se an Ge­rä­te an­brin­gen und naht­los an die be­ste­hen­de Piezo-In­fra­struk­tur an­schlie­ßen. 

Bei allen Hochfrequenz-Vibrationstests ist die Integrität des mechanischen Signalpfads sehr wichtig. Mit anderen Worten: Auf dem Weg von der Quelle zum Sensor darf es weder eine Dämpfung, noch eine Verstärkung (durch Resonanz) des Vibrationssignals geben. In Bild 2 garantieren ein Aluminium-Montageblock (EVAL-XLMOUNT1), vier Schraubbefestigungen und eine starke Leiterplatte einen flachen Verlauf der mechanischen Antwort für den relevanten Frequenzbereich. Das IEPE-Referenzdesign macht es Entwicklern einfach, einen MEMS-Sensor anstelle eines Piezosensors zu implementieren. 

Vi­bra­tion zu Bits — In­te­gri­tät der Da­ten­wand­lung

Wie be­reits er­wähnt, kön­nen MEMS-Sen­so­ren an­stel­le von IEPE-Piezo­sen­so­ren ver­wen­det wer­den. Auch ist be­kan­nt, wie sich MEMS-Sen­so­ren leicht an An­la­gen mon­tie­ren las­sen, oh­ne dass die Leis­tungs­da­ten im Daten­blatt be­ein­träch­tigt wer­den. 

Ein wich­ti­ger Be­stand­teil einer Ent­wick­lungs­platt­form für CbM-Lö­sun­gen ist die Mög­lich­keit, qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge Vi­bra­tions­da­ten, ob mit MEMS- oder Piezo-Sen­so­ren, in der rich­ti­gen Um­ge­bung zu er­fas­sen. Im Fol­gen­den geht es um die Er­fas­sung von IEPE-Sen­sor­da­ten so­wie die Auf­recht­er­hal­tung von Da­ten mit höchs­ter Ge­nau­ig­keit, um die best­mög­li­chen CbM-Al­go­rith­men oder Ma­chine-Learn­ing-Algo­rith­men zu ent­wi­ckeln. Er­mög­licht wird dies durch ein wei­te­res CbM-Re­fe­renz­de­sign von Analog Devices mit der Be­zeich­nung CN0540. 

Hoch­wer­ti­ges 24-bit-Da­ten­er­fas­sungs­sys­tem für IEPE-Sen­so­ren (CN0540)

Bild 3 zeigt eine im Labor ge­tes­te­te und veri­fi­zier­te IEPE-DAQ-Sig­nal­ket­te. Das Re­fe­renz­de­sign stellt die op­ti­male ana­loge Sig­nal­ket­te für MEMS- und Piezo-Be­schleu­ni­gungs­auf­neh­mer zur Ver­fü­gung. Analog Devices ist nicht nur auf Lö­sun­gen mit MEMS-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren fo­kus­siert. Wie er­wähnt, sind Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren am leis­tungs­fä­higs­ten und die am häu­figsten ver­wen­de­ten Vi­bra­tions­sen­so­ren. Da­her gel­ten Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren als wich­tig­ste Sen­so­ren für hoch­ge­naue Sig­nal­ket­ten. 

Die Schaltung in Bild 3 zeigt ei­ne Sen­sor-zu-bits-Sig­nal­ket­te (Da­ten­er­fas­sung) für ei­nen IEPE-Sen­sor. Die Lö­sung be­steht aus Strom­quel­le, Ein­gangs­schutz, Pegel­an­pas­sungs- und Dämp­fungs­stu­fe so­wie ei­nem Anti­alias­ing-Fil­ter drit­ter Ord­nung und ent­hält fer­ner ei­nen Trei­ber für ei­nen Ana­log/Di­gi­tal-Wand­ler so­wie ei­nen voll­stän­dig dif­fe­rent­iel­len ∑/Δ-A/D-Wand­ler. 

CbM-Sys­tem­ent­wick­ler, die Piezo-Be­schleu­ni­gungs­sen­so­ren ein­set­zen, be­nö­ti­gen ei­ne hoch­leis­tungs­fä­hi­ge ana­loge Sig­nal­ket­te, um die Qua­li­tät der Schwin­gungs­da­ten sicher­zu­stel­len. Ent­wick­ler kön­nen die Leis­tungs­da­ten der Sig­nal­ket­te so­fort be­wer­ten, in­dem sie ih­ren IEPE-Sen­sor oder den IEPE-Sen­sor auf dem CN0532 di­rekt an das DAQ-Re­fe­renz­de­sign CN0540 an­schlie­ßen. Analog Devices hat das De­sign aus­gie­big ge­tes­tet und stellt Open-Source-Ent­wick­lungs­da­tei­en (Schalt­plan, Lay­out­da­tei­en, Stück­lis­ten usw.) zur Ver­fü­gung, wel­che eine ein­fa­che­re Im­ple­men­tie­rung in End­an­wen­dun­gen er­mög­li­chen. 

Das IEPE-Da­ten­er­fas­sungs­board CN0540 ist eine ge­tes­te­te und ge­prüf­te ana­lo­ge Sig­nal­ket­te zur Er­fas­sung von IEPE-Sen­sor-Vi­bra­tions­da­ten mit ei­nem Sig­nal/Rausch-Ver­hält­nis (SNR) von mehr als 100dB. Die meis­ten Lö­sun­gen für piezo­elek­tri­sche Sen­so­ren sind AC-ge­kop­pelt und es feh­len DC- und Sub-Hertz-Mess­mög­lich­kei­ten. Das CN0540 eig­net sich für An­wen­dun­gen mit DC-Kopp­lung, bei de­nen die Gleich­strom­kom­po­nen­te des Sig­nals oder das An­sprech­ver­hal­ten des Sys­tems bis zu Fre­quenzen von 1Hz oder da­run­ter bei­be­hal­ten wer­den muss. 

Das Referenz­de­sign für die hoch­ge­naue Da­ten­er­fas­sung wur­de mit zwei MEMS-Sen­so­ren und drei Piezo-Sen­so­ren ge­tes­tet (Tabelle 2). Zu se­hen ist, dass g-Be­reich, Rausch­dich­te und Band­brei­te je­des Sen­sors recht un­ter­schied­lich sind, eben­so wie der Preis. Be­mer­kens­wert ist, dass Piezo­sen­so­ren noch im­mer die bes­ten Ei­gen­schaf­ten bei Rausch­ver­hal­ten und Band­brei­te für Vi­bra­tio­nen auf­wei­sen. 

Beim Daten­er­fas­sungs­board CN0540 ist die Sys­tem­band­brei­te auf 54kHz fest­ge­legt, und das Rausch­ver­hal­ten der Sig­nal­ket­te ist auf Sen­so­ren aus­ge­rich­tet, die ei­nen Dy­na­mik­be­reich von >100dB über die­se Band­brei­te er­rei­chen kön­nen. So zum Bei­spiel der Be­schleu­ni­gungs­sen­sor 621B40 von PCB Piezo­tronics, der 105dB bei 30kHz er­reicht. 

Das Da­ten­er­fas­sungs­board CN0540 wur­de so kon­zi­piert, dass es über zu­sätz­li­che Band­brei­te und Prä­zi­sions­funk­tio­nen ver­fügt, wel­che die der­zeiti­gen Leis­tungs­da­ten von Vi­bra­tions­sen­so­ren über­tref­fen. Dies stellt sicher, dass beim Sam­meln von Hoch­leis­tungs-Vi­bra­tions­daten kein Eng­pass ent­steht. Es ist sehr ein­fach, MEMS und Piezo­ele­mente auf dem­sel­ben Sys­tem zu ver­glei­chen und zu be­wer­ten. Un­ab­hän­gig davon, ob mit MEMS-, Piezo- oder bei­den Sen­sor­ty­pen ge­ar­bei­tet wird, re­prä­sen­tiert das CN0540 die bes­te Sig­nal­ket­ten­lö­sung für die Da­ten­er­fas­sung und -ver­ar­bei­tung, und läs­st sich in ei­ne Em­bedded-Lö­sung in­te­grie­ren. 

Davon aus­gehend, dass MEMS-Sen­so­ren ver­gleich­bare Leis­tungs­da­ten zu wesent­lich nied­ri­ge­ren Kos­ten bie­ten, sieht man für den Be­schleu­ni­gungs­sen­sor ADXL1002 ein SNR von 83dB bei mehr als 10 Mal nied­ri­ge­ren Kos­ten im Ver­gleich zu Piezo­sen­so­ren. Da­her ha­ben sich MEMS-Sen­so­ren als Al­ter­na­tive zu den leis­tungs­stärk­sten Piezo­sen­so­ren etab­liert - und das zu einem Bruch­teil der Kos­ten. 

Embedded Gateway

Sobald die Vi­bra­tions­da­ten von der DAQ-Sig­nal­ket­te er­fas­st wur­den, müs­sen sie ver­ar­bei­tet und in Echt­zeit ange­zeigt und/oder an die Ma­chine-Learn­ing- oder Cloud-Um­ge­bung über­tra­gen wer­den - dies ist die Auf­gabe des Em­bedded Gate­ways. 

Vibrationsdaten in Echt­zeit vor Ort ver­ar­bei­ten 

Es werden zwei Em­bedded-Platt­for­men von Intel® (DE10-Nano) und Xilinx® (Cora Z7-07S) unter­stützt. Beide Platt­formen be­in­hal­ten Sup­port für al­le zuge­höri­gen HDL, Gerä­te­trei­ber, Soft­ware­pa­kete und An­wen­dun­gen. Auf je­der Platt­form läuft das Em­bedded ADI Kuiper Linux®, wel­ches die gra­fi­sche Dar­stel­lung von Zeit- und Fre­quenz­bereichs­da­ten in Echt­zeit er­mög­licht. Des­wei­te­ren er­mög­licht das Be­triebs­sys­tem Zu­griff auf die in Echt­zeit er­fassten Da­ten über Ether­net, stellt Schnitt­stel­len zu gän­gi­gen Daten­ana­lyse­tools wie MATLAB oder Python be­reit und rea­li­siert so­gar ei­ne Ver­bin­dung zu ver­schie­de­nen Cloud-Com­put­ing-In­stan­zen wie AWS und Azure. Das Em­bedded Gate­way kann 6,15Mbit/s (256kSample/s × 24bit) über Ether­net an das vom An­wen­der ge­wähl­te Al­go­rith­mus-Ent­wick­lungs­tool über­tragen. Wich­tige Merk­male der Em­bedded Gate­ways sind: 

  • Terasic DE10-Nano (Intel)
    ■    Dual-Core Arm® Cortex®-A9 MP Core-Prozessor mit 800MHz neon™ Framework Media Processing Engine mit FPU mit dop­pel­ter Ge­nauig­keit 
    ■    1Gbit Ethernet PHY mit RJ45-Stecker
  • Digilent Cora Z7-07S (Xilinx)
    ■    667MHz Cortex-A9 Prozessor mit integriertem Xilinx FPGA
    ■    512MB DDR3-Memory
    ■    USB- und Ethernet-Schnittstellen

Das IIO Oscilloscope ist eine kosten­freie Open-Source-An­wen­dung, wel­che mit ADI Kuiper Linux in­stalliert wird und An­wen­dern er­mög­licht, Da­ten im Zeit- und Fre­quenz­be­reich schnell zu vi­su­ali­sie­ren. IIO Oscillos­cope ba­siert auf dem Linux-IIO-Frame­work und ver­fügt über eine di­rek­te Schnitt­stel­le zu den Li­nux-Ge­räte­trei­bern von Analog Devices. So­mit kön­nen die Ge­räte­kon­fi­gu­ra­tion, das Aus­lesen von Ge­räte­da­ten und die vi­su­el­le Dar­stellung in ei­nem ein­zi­gen Tool er­fol­gen. 

Industrie­stan­dard-Tools wie MATLAB und Python wer­den eben­falls von ADIs Kuiper Linux Image unter­stützt. Un­ter Ein­satz von Schnitt­stellen­schich­ten, die mit dem IIO-Frame­work ar­bei­ten, wur­den IIO-Bindings ent­wi­ckelt, um Da­ten di­rekt in die Daten­ana­lyse­tools zu über­tragen. 

Entwickler kön­nen mit die­sen leis­tungs­star­ken Tools in Ver­bin­dung mit den IIO-In­te­gra­tions­frame­works Da­ten grafisch dar­stel­len und ana­ly­sie­ren, Algo­rith­men ent­wickeln sowie Hard­ware-in-the-Loop-Tests (HIL) und an­de­re Daten­mani­pula­tions­tech­niken durch­führen. Bei­spiele, mit de­nen sich hoch­wer­ti­ge Vi­bra­tions­da­ten an MATLAB- oder Python-Tools über­tragen las­sen, ste­hen zur Ver­fü­gung. 

Ent­wick­lung von Sys­te­men für voraus­schau­ende War­tung mit dem CN0549 

Es gibt fünf typi­sche Schritte bei der Ent­wick­lung von Ma­chine-Learn­ing-Algo­rith­men für PdM-An­wen­dun­gen (Bild 8). Bei der voraus­schau­enden In­stand­hal­tung wer­den zur Vor­her­sage be­vor­ste­hen­der Aus­fälle in der Regel Regres­sions- statt Klas­si­fi­ka­tions­mo­delle ver­wen­det. Die Mo­del­le lie­fern bes­sere Ergeb­nisse, wenn sie über mehr Trainings­da­ten für das Vor­her­sage­mo­dell ver­fü­gen. 

Über eine Zeit­span­ne von zehn Minuten gesam­mel­te Vi­bra­tions­daten werden wahr­schein­lich nicht alle Be­triebs­merk­male er­fas­sen. Wesent­lich bes­sere Ergeb­nisse las­sen sich er­zie­len, wenn Da­ten über eine Zeit­dauer von zehn Stun­den ge­sam­melt wer­den. Ein noch bes­se­res Modell lässt sich er­rei­chen, wenn Da­ten über zehn Tage hin­weg ge­sam­melt wer­den. 

Die Ent­wick­lungs­platt­form CN0549 er­mög­licht die Da­ten­er­fas­sung in Form eines ein­fach be­dien­ba­ren Sys­tems, mit dem sich hoch­wer­ti­ge Vi­bra­tions­da­ten in eine Ma­chine-Learn­ing-Um­ge­bung der Wahl über­tragen las­sen. Der MEMS-IEPE-Sen­sor ver­fügt über ei­nen me­cha­ni­schen Mon­ta­ge­block, wel­cher die Be­fes­ti­gung ein­es MEMS-Sen­sors an einer An­la­ge oder einem Schüttler er­mög­licht. Man be­ach­te, dass IEPE-Piezo­sen­so­ren auch mit die­sem Sys­tem ver­wen­det und prob­lem­los an An­la­gen oder Sha­kern ange­bracht wer­den kön­nen. 

Vor der Über­tra­gung der Da­ten an die Da­ten­ana­lyse­tools, sollte die Sen­sor­befestigung überprüft werden, um sicherzustellen, dass keine unerwünschten Resonanzen entstehen. Dies ist mit IIO-Oscilloscope auf einfache Weise in Echtzeit überprüfbar. Sobald das System einsatzbereit ist, kann ein Anwendungsfall definiert werden (Bild 5). Beispielsweise der Betrieb eines gesunden Motors bei einer Lastkapazität von 70%. Hochwertige Vibrationsdaten können dann an MATLAB- oder Python-basierte Datenanalysetools wie TensorFlow oder PyTorch (und viele andere) weitergeleitet werden. 

Die Ana­ly­se kann durch­ge­führt wer­den, um Schlüs­sel­sig­na­tu­ren und -merk­male zu er­mit­teln, wel­che den Ge­sund­heits­zu­stand der An­la­ge de­fi­nie­ren. So­bald es ein Mo­dell für ei­nen ge­sun­den Be­trieb gibt, kön­nen Feh­ler ent­weder ab­sicht­lich ein­ge­bracht (Fault Seed­ing) oder si­mu­liert werden. Schritt 4 wird wie­der­holt, um Schlüs­sel­sig­na­turen zu er­ken­nen, wel­che den Feh­ler de­fi­nie­ren, und ein Modell wird ab­ge­lei­tet. Die Feh­ler­da­ten kön­nen mit den Da­ten des ge­sun­den Mo­tors ver­gli­chen wer­den. So las­sen sich Vor­her­sage­mo­del­le ent­wi­ckeln. 

Dies ist ein ver­ein­fach­ter Über­blick über den Ma­chine-Learn­ing-Pro­zess, wel­cher durch die CbM-Ent­wick­lungs­platt­form er­mög­licht wird. Das Wich­tig­ste ist, dass die Platt­form sicher­stellt, dass die Ma­chine-Learn­ing-Um­ge­bung mit Vi­bra­tions­da­ten höchs­ter Qua­li­tät ver­sorgt wird. 

Autorenvorstellung

Chris Murphy ist Applikationsingenieur im European Centralized Applications Center von Analog Devices mit Sitz in Dublin, Irland. Er ist seit 2012 bei Analog Devices beschäftigt und bietet Kunden Entwicklungsunterstützung für Motorsteuerungs- und Industrieautomatisierungsprodukte. Murphy hat die Abschlüsse Master of Engineering in Elektronik und Bachelor of Engineering in Computertechnik. Erreichbar ist er unter chris.murphy@analog.com.