振動感測

機器人以及各種旋轉機具的狀態監測(CbM)，像是渦輪、風扇、泵浦、馬達等機具，會記錄下機具健康與效能方面的即時資料，藉以進行針對性的預測維護，以及優化控制。在機器生命週期初期執行針對性預測維護能降低生產線停擺的風險，進而提高可靠度，省下可觀成本，以及提高廠區的生產力。 振動感測為狀態監測常用方案 工業機具的狀態監測可採用許多種類的感測器資料，包括如電性量測、振動、溫度、潤滑油品質、聲響等，以及像流量與壓力等製程量測數據。目前最常見的則是振動量測，因為振動是反映諸如不平衡以及軸承失效等各種機器問題最可靠的指標。本文專注探討運用振動感測，而這類量測方法同樣也適用於其他感測器的資料。 感測器資料從感測節點傳至主控制器或雲端的傳輸方式極大程度取決於應用。在許多應用中，本地端資料處理機制會建置在邊界節點上，整理後的資料接著會以無線方式傳送到網路閘道器，或透過手機網路直接傳送到雲端或分析伺服器。 在這些情況中，傳送資料量一般都很低，而且邊界節點由於使用電池供電，其傳送功率也比較低，反觀其他應用，傳送的則是未經處理的資料。 舉例來說，在匹配與融合多個感測器的資料之後，再將結果傳出並進行分析。一些應用還需要傳送未處理資料，這些資料用來執行即時控制。在這些應用中，較可行的資料傳輸解決方案則是有線介面。工業應用的狀態監測可採用優化型微機電系統(MEMS)訊號鏈加速計、低功耗微控制器，以及有線型iCoupler隔離介面，利用它們執行擷取、整理，以及可靠地傳遞機具的健康資料，並將這些從遠端CbM從屬設備取得的資料傳回到主控制器進行後續的分析。 經過長時間累積後，機器的健康資料即可用來建立軟體模型，藉此判斷機器行為的變化，以及維護機器的健康。在像是CNC數控加工機這類應用中，這類資料還可用來即時優化系統的效能。 實作有線CbM介面面臨的挑戰包括透過長纜線傳送資料時EMC強固性、在高傳輸率下資料完整性(即時CbM資料串流傳輸)，以及通訊實體層/協定的不匹配等。本文將以ADI的有線介面解決方案為例，它們除了能協助客戶縮減設計週期與測試時間外，還能讓工業CbM解決方案加快上市時程。 有線CbM設計實作考量 在設計與部署有線式狀態監測解決方案方面，必須考量許多系統效能因素以及做出取捨。第一，在選擇適合MEMS加速計方面，必須考量需要量產的失效種類，才知道應該挑選具備什麼樣頻寬以及雜訊效能的MEMS元件，才能因應相關的系統需求。另外邊界節點的處理能力則須匹配選中的處理器，以確保能發揮最大的系統彈性。 第二，有線CbM系統的設計必須小心挑選適合的有線通訊協定以及實體層元件，以進行高速即時資料串流傳輸。建置有線介面方面，其中，需要審慎考量EMC效能、資料傳輸線路/連接器/以及透過線路傳送電力等因素。 選擇適合MEMS加速計 選擇適合MEMS振動感測器涉及多個層面的因素，首先是軸向數量。監控軸向的數量，通常和失效種類以及感測器裝設方位有關聯。如果失效分布在明顯的軸向，而且沿著該軸向有著明顯的傳遞路徑，那麼單軸向感測器就足夠應付需求。對於涉及分布在多個軸向上能量的失效，或是失效能量的傳遞路徑並不明顯的狀況，就適合採用三軸感測。 其次是失效種類。要監視的失效種類，對於挑選感測器有很大的影響。在這方面，感測器的雜訊密度以及頻寬都是重要的規格，因為它們決定了能可靠擷取到振動以及頻寬的範圍。以一個例子來看，低轉速機器的不平衡以及錯位(Misalignment)失效，需要一個低雜訊密度感測器，頻寬需求則相當低；若是齒輪失效的偵測，感測器需要的規格則是低雜訊密度以及高頻寬。 最後則是效能需求。除了失效種類，還必須瞭解CbM的效能需求。在建構精密預警機制方面，需要基本流量狀況的偵測警訊，藉以反映效能水準。這方面除了涉及到部署的分析機制以及演算法，同時也會影響到選用的感測器。感測器在頻寬、雜訊密度，以及線性度等方面的效能越高，分析功能就會越先進。 選擇適合的訊號處理 在訊號處理設計方面，考量因素則有三點。第一是加速計輸出，加速計的輸出端通常是類比或序列數位訊號介面，通常是SPI。類比輸出感測器則需要一個轉換階段，將資料轉換成數位格式，以及訊號調節步驟。包括採用分立ADC以及前置放大器調節，或是在微控制器內嵌入ADC。 第二為邊界節點處理要求，邊界節點必須執行一些基本的高速傅立葉轉換(FFT)或訊號處理演算法，才能降低資料鏈路與/或中央控制器/伺服器的工作負擔。 第三則是資料傳輸協定要求。ADC或感測器的輸出端通常是一個SPI介面。該介面本身並沒有提供任何涉及資料完整性檢查、時間標記(Time Stamping)，以及混合不同感測器資料等方面的機制。其中一種有效的處理方法就是在邊界節點上以高階通訊協定將感測器資料裝入封包，然後再進行傳輸。 這種作法雖然會提高感測器介面的強固性以及彈性，然而，邊界節點的負擔也會隨之增加，因此須妥善處理以及封裝資料流。 將加速計輸出端移植到有線通訊匯流排 如先前所述，加速計的輸出通常為類比或序列數位訊號，大多為SPI規格。SPI輸出訊號可就地處理(促成協定的彈性)之後再加入到實體層介面，或直接移植到實體層。 SPI是一種非平衡式單端序列介面，用在短距離通訊上。想要直接將SPI移植到更長距離傳輸的實體層，則可採用RS-485線路的發送與接收元件。RS-485訊號為平衡的差動格式，其原本就擁有抗擾性，且經過長距離傳輸仍能維持強固性。 利用SPI介面在主控與從屬兩端進行較長距離的傳輸則會面臨許多挑戰。SPI本質上屬於同步式，由SPI主控端啟動一個時脈(SCLK)。而SPI資料線-主設備輸出/從設備輸入(MOSI)以及主設備輸入/從設備輸出(MISO)–則會與SLCK時脈同步化，這種機制在短距離內會可靠地達成。此外，SPI還有一種主動式低電平啟動(Low Enable)晶片選擇(CS)訊號，若有需要也能允許個別從屬端定址。 在經過長纜線傳輸後，SCLK訊號會延著纜線出現傳輸延遲，每100公尺會延遲500奈秒。在MOSI的資料傳輸方面，MOSI與SCLK經過纜線傳輸後產生的延遲會呈現一致。然而，由從屬端MISO到主控端的資料傳輸，產生的延遲則會是纜線傳輸延遲的兩倍。 想要回復主控與從屬兩端的同步性，其中一種作法是把時脈訊號由從屬端饋送到主控端，另一種方法，則是利用時脈相位偏移(Phase Shift)特性，在主控端補償纜線延遲。時脈的相位偏移必須匹配系統的延遲總和。 有線通訊實體層 在進行長距離通訊時，強固的實體層是不可或缺的要素。如先前提到，RS-485訊號擁有平衡、差動，以及天生的雜訊抗擾等特性。系統雜訊會等量耦合到RS-485雙絞線的兩條線路。 其中一個訊號發出另一個訊號的反相波，而耦合到RS-485匯流排通道的電磁場則會相互抵銷，因此整個系統的電磁干擾(EMI)便得以降低。RS-485還具備了一些額外關鍵的優點，使它適合用在CbM系統，其中包括： ．更高的資料傳輸率，在較短線路中最高可達 50Mbps(低於100公尺)。 ．以較低的資料傳輸率，在最長至1000公尺的纜線進行傳輸。 ．全雙工/半雙工RS-485與RS-422多重發送/接收纜線對，可用最少零件轉換成雙向SPI至RS-485匯流排訊號。 ．較寬的共模輸入範圍，允許主控端與從屬端之間存在對地電位差。 有線介面EMC效能 通訊網路經過冗長纜線的傳遞時容易遇到包括共模雜訊、對地電位差，以及高瞬時電壓等干擾的危害。長達100公尺的纜線容易受到各種導通與幅射雜訊源影響通訊的可靠度。 想要提高對這些雜訊源的免疫力，可採用iCoupler晶片級變壓器隔離技術。另外，共模瞬態抗擾度(CMTI)指的是隔離元件拒斥高電壓/高迴轉率(Slew Rate)雜訊瞬態，並維持無錯誤通訊的能力。訊號以及isoPower隔離元件提供25kV/μs的最低共模瞬態抗擾度，並能承受最高100kV/μs的瞬態電壓而不會永久閂鎖(Latch Up)或損壞。 在工廠自動化環境中，系統設計者通常無法控制通訊網路的電氣安裝工作。因此最好的作法是假設存在對地電位差。在動作控制系統方面，對地電位差經常多達數百伏特。一個RS-485通訊節點需要電氣隔離，並確保數據線路在可環境中能可靠工作。訊號與isoPower隔離元件能提供600V峰值(基本)的最高持續工作電壓或353V峰值(增強)電壓。對於存在相當大對地電位差的狀況下，基本隔離機制能促成可靠的通訊。而強化隔離機制則能保護操作人員在廠房環境不會觸電。 在有線通訊網路中，包括外露的連接器以及布線會暴露在嚴苛的瞬態電壓干擾下。系統層級IEC 61800-3標準針對可調整速度的電力驅動系統在抗擾性方面的要求，最低須達到±4kV接觸/±8kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護能力。 透過資料線傳遞幻象電源 主控端控制器與遠端CbM感測器節點之間的電力與數據線需要創新解決方案來降低布線成本。數據與供電整合到一個雙絞線對，不僅能大幅降低成本，還能造就出更小的印刷電路板(PCB)連接器解決方案，適合用在空間受限的邊界感測器節點。 透過一個電感-電容網路，可藉由雙絞線傳遞電源與資料。高頻率資料透過串聯電容耦合到數據線，這些串聯電容也會保護RS-485收發器不會受到直流匯流排電壓影響。電源則是透過連到數據線的電感接到主控端的控制器，而供電接著在CbM從屬端感測器節點透過一個電感進行濾波，而該節點位於纜線的終端處。 另外，纜線兩端的電感應妥善匹配以避免產生差模雜訊，而自我共振頻率應至少在10MHz以上，以避免和新一代振動量測系統的即時快衝模式相互干擾。請注意，電源與資料耦合解決方案應加入數據線，這些數據線中不應出現dc資料內容，像是RS-485介面的MOSI或MISO。 選擇適宜方案實現高效振動檢測 根據設計者的設計考量因素，圖1可提供幾種選擇途徑來協助建構強固的有線工業振動DVD-R/RW解決方案。在圖1中，選項2包含ADuM5401，該元件從資料匯流排擷取5伏直流電，並向ADcmXL3021提供3伏隔離供電。此外，ADuM5401還包含4個訊號隔離通道，這種組態適合3+1的SPI隔離。 圖1　強固/高度整合/有線MEMS加速計狀態監測解決方案的選項 圖1的選項3包含ADuM5402，這個元件類似ADuM5401。兩者之間的關鍵差異在於ADuM5402提供2個傳送以及2個接收數位隔離通道。 如先前所述，ADuM5401/ADuM5402能提高有線CbM介面的EMC抗擾力，保護ADcmXL3021使其不會受高電壓干擾，以及避免在RS-485纜線介面上出現對地電位差。 表1比較三種解決方案，以多項關鍵標準進行比較，包括設計彈性、電路板空間、解決方案成本、複雜度，以及EMC效能。將微控制器整合到CbM感測器節點雖然會提高設計彈性，但代價是會增加電路板空間以及額外的軟體複雜度。由於日後主控端CbM節點會配置處理器，故圖1中選項3基本上會是一個雙微控制器的系統，因此相較於主控端CbM節點的單微控制器配置，啟動運行的速度會比較慢。 表1　各種CbM選項的取捨比較 選項1與選項2雖然設計彈性比較低，但卻提供一條部署速度更快的途徑，因為它們能促成低複雜度、透明化的SPI連結RS-485鏈路。相較於選項3，選項1與選項2還提供邁向更小電路板的途徑，選項3的應用需要額外的電路板空間來容納微控制器以及相關的電路(像是時脈振盪器以及多個被動元件)。在選項2與選項3中加入iCoupler訊號與電源隔離機制，不僅增加占用的電路空間最小，還會提升EMC效能，勝過採用晶片內部保護機制搭配RS-485/RS-422收發器的作法。 (本文作者分別為ADI自動及能源事業部系統應用工程師和系統應用經理)