Воскресенье , 7 августа 2022
Домой / Промышленность / Системы мониторинга работы оборудования

Системы мониторинга работы оборудования

Системы мониторинга работы оборудования

Система мониторинга позволяет следить за работой оборудования и при необходимости удаленно им управлять. Грубо говоря, оператору не придётся каждый раз идти к станку, чтобы узнать, как он работает и всё ли с ним в порядке. Это повышает эффективность работы персонала, особенно при большом парке оборудования. Собранная информация кроме того позволяет планировать и вовремя проводить техобслуживание и ремонты, что тоже хорошо для эффективности, снижения простоев и издержек.

Эта статья рассказывает о некоторых способах реализации системы мониторинга. Во второй части краткий обзор нескольких существующих на рынке решений.

В простейшем случае MDC-система (англ. Machine Data Collection) автоматически фиксирует время и длительность работы/простоев/аварийных состояний станка, в продвинутом варианте — собирает данные о технологических режимах (подаче, оборотах, нагрузке), выполняемой в данный момент управляющей программе (УП), кодах ошибок, причинах простоя.

Полученная информация используется для оценки эффективности работы как единицы оборудования, так и всего станочного парка, принятия управленческих решений, а также может быть передана в MES (англ. Manufacturing Execution System) — специализированное прикладное программное обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции.

Реализация систем мониторинга

Схема работы любой системы MDC подразумевает передачу данных со станков по локальной (реже беспроводной) сети на сервер с последующей обработкой и визуализацией в клиентских приложениях — пользователи получают картину работы станочного парка в режиме реального времени, а также могут формировать отчеты о состоянии оборудования за определенный временной интервал, эффективности работы, причинах и времени простоя, коэффициенте загрузки и количестве обработанных деталей.

Можно выделить два основных варианта реализации MDC-системы:

аппаратный — используются датчики и/или специальные терминалы (блоки мониторинга), которые подключаются к электроавтоматике станка для регистрации его базовых состояний: включен/выключен, рабочий цикл/простой, сигнал ошибки (аварии) и др.;

программный — обеспечивается прямой коммутацией сервера мониторинга с устройством ЧПУ (УЧПУ) по локальной сети и позволяет автоматически фиксировать базовые состояния станка, читать память УЧПУ, собирать детальные сведения о текущих параметрах работы: подача, обороты, номер УП, нагрузка, код ошибки и др.

Комбинированный подход сочетает аппаратные и программные технологии в зависимости от характеристик и функциональных возможностей объекта мониторинга.

Очевидный плюс аппаратной реализации — возможность сбора дискретных сигналов практически с любого оборудования. Система мониторинга может объединить в единое информационное пространство не только станки с ЧПУ, но и универсальные станки, сварочные установки, печи термической обработки и т.д. Кроме того, если в качестве аппаратной части использовать блоки мониторинга в форм-факторе терминала с экраном и клавиатурой, то оператор станка может интерактивно взаимодействовать с системой мониторинга и различными подразделениями предприятия: например, указывать причину простоя станка и получать информацию из системы управления производством.

На практике для программного подключения необходимо, чтобы:

на УЧПУ была сетевая карта и порт Ethernet;

ЧПУ станка допускало свободный обмен системными данными;

полученная информация была в формате системы мониторинга.

Далеко не всегда оборудование отвечает этим требованиям. Обычно станочный парк предприятия представляет собой собрание станков различных типов и марок, многие из которых вовсе не имеют контроллеров. Некоторые производители станков снабжают свои изделия «фирменным» ПО для удаленной диагностики и мониторинга, но зачастую оно не способно работать совместно «чужими» программами. Поэтому на практике реализовать программный мониторинг может быть весьма проблематично.

Платформы промышленного интернета вещей предлагают для подобных задач готовые решения.

Задачи мониторинга: контроль параметров и повышение эффективности

Теперь разберемся, какие процессы, связанные с работой станочного парка, могут быть оптимизированы с помощью систем мониторинга.

Как показывает опыт, причин для простоя станка немного:

холостая отработка (прогон) УП;

установка и снятие заготовки;

различные поломки и техническое обслуживание;

контрольно-измерительные и вспомогательные операции;

отсутствие заготовок, корректной программы, оснастки или необходимой документации.

Некоторые из перечисленных проблем естественно возникают в процессе производства, другие — из-за ошибок персонала или несогласованности действий различных служб предприятия, отвечающих за подготовку производства.

Если сократить время реакции специалистов и цеховых служб на возникающие проблемы, то можно уменьшить время неплановых простоев. При этом простая фиксация факта простоя без указания причины и информирования ответственных специалистов улучшить производственный процесс не поможет.

В большинстве случаев программная реализация позволяет собирать большой массив данных о работе оборудования, однако значительная их часть относится к технологическим параметрам или системным переменным станка (скорость, подача, координаты, нагрузка, код ошибки). Такая информация практически не помогает сократить простои, так как не выявляет их причины.

Некоторые аппаратные средства мониторинга позволяют обеспечить не только контроль состояния оборудования, но и реализовать мероприятия, направленные на уменьшение неплановых простоев. Здесь, например, может помочь видеофиксация с использованием ИИ, который при обработке видеоряда классифицирует простой, а в связке с программным продуктом высылает соответствующее сообщение на телефон оператора или начальника цеха о внеплановой остановке станка.

В общем случае классификация простоев оборудования лежит на плечах оператора того или иного станка. Важно, чтобы классификация не отнимала много времени и чтобы вносить данные в программу мониторинга было удобно. Тогда персонал сможет быстро и безболезненно освоить новые технологии.

Современные системы мониторинга не ограничивают количество возможных причин простоя. При желании в список причин можно включить даже такие, как «Обеденный перерыв» или «Ушел курить». Оптимальным количеством считается набор из 5–10 причин, которые характерны для любого производства. Среди них: наладка, техническое обслуживание, отсутствие материала (заготовки), отсутствие инструмента или оснастки, отсутствие программы и т. д. Слишком длинный список может запутать оператора и отобьёт желание лишний раз взаимодействовать с системой мониторинга.

Терминал с экраном и клавиатурой даёт оператору возможность не только указывать причины простоя, но и предоставляет ему необходимую технологическую и справочную информацию: список актуальных УП, сменно-суточное задание, параметры его выполнения и т.д.

Разнообразные аппаратные опции также могут оказаться весьма полезны:

датчик RFID используется для авторизации исполнителя по электронному пропуску;

сканер ШК применяется для считывания штрих-кодов на маршрутных и технологических картах;

IP-камера производит видеозапись, автоматически реагируя на аварийные ситуации со станком.

Классификацию простоев сложно завязать на один из контролируемых параметров. Например, для большей части металлообрабатывающего оборудования метод измерения увеличения потребляемой мощности для определения фактической обработки той или иной детали если и применим, то весьма ограничено. Во всех остальных случаях нельзя достоверно зафиксировать факт обработки детали, а не «воздуха», особенно при автоматизированном мониторинге превышения порогового значения, полученного при контрольных замерах потребляемой мощности.

Более современный и прозрачный метод, позволяющий отделить настоящую обработку от «липовой», основан на применении сканеров штрих-кода. Вместе с заготовкой на станок поступает маршрутная карта: оператор в начале обработки детали и по её завершении сканирует соответствующий штрих-код, а система анализирует и сравнивает количество фактически произведенных деталей с количеством зарегистрированных циклов.

При таком подходе появляются дополнительные возможности для учета подготовительно-заключительного и машинного времени обработки партии деталей. Этот метод, однако, имеет свои узкие места и применять его следует, исходя из конкретных производственных задач.

Еще одна из задач систем мониторинга — идентификация работника и действий, производимых на станке: собирается информация о том, какая партия изделий была произведена, на каком станке, за какое время и кто был оператором оборудования. Для своевременного обслуживания важно собирать данные об износе оборудования. Они помогают эффективнее планировать загрузку персонала и металлообрабатывающих станков.

Суммируя, программно-аппаратная реализация позволяет удовлетворить возрастающие потребности современного производства, обеспечить в равной степени получение данных из УЧПУ и уменьшение простоев, связать в единое информационное пространство станки и подразделения предприятия, повысить эффективность эксплуатации оборудования.

Качество и количество собираемых с оборудования данных и, соответственно, выбор технологии мониторинга определяются уровнем пользователя продукта и производственными задачами.

Обзор некоторых систем мониторинга

Winnum CNC

Платформа для промышленного Интернета Вещей, включающая полный набор инструментов для удалённого мониторинга, диагностики оптимизации работы оборудования и процессов его эксплуатации. Полностью готовое решение, внедрение которого занимает меньше недели.

В состав системы входят:

готовые приложения и web AR/VR;

набор интерфейсов и объектов для упрощения процесса разработки решений и интеграции данных;

облачное хранилище больших данных;

семейство микропрограммного обеспечения для безопасного подключения оборудования, устройств и любых других источников данных;

DPA (Discrete Processes Automation)

DPA (Discrete Processes Automation) — производственная аналитическая платформа, выполняющая мониторинг станков с ЧПУ в режиме реального времени. Инструмент объективного контроля состояния оборудования, который позволяет подключать значительную часть существующего на рынке оборудования с ЧПУ «из коробки» без доработки и длительной дорогостоящей наладки.

анализ и визуализация (графическое представление), собранных напрямую с оборудования, машинных данных (получение информации с контроллеров и цифровых датчиков);

управление данными (аварийные сообщения, сигналы и события), требующих реакции или ручного ввода значений, в режиме реального времени;

установка временных норм на выполнение операций и потребности в ресурсах, а также формирование недостающих норм и технологий по истории производства;

работа по технологии (последовательность операций с нормативами времени и ресурсами): вычитывание и сравнение загруженного и выполненного кода по УП;

контроль отклонений и немедленная реакция на них, что позволяет минимизировать брак и потери, благодаря чему сроки становятся реальными;

интеграция с ТОиР и ОТК учитывает операции на техобслуживание и контроль, позволяя сформировать выполнимое сменно-суточное задание, с учётом производственных мощностей и достижимой производительности, благодаря чему заказы выполняются в срок;

выбор критериев и методов оптимизации плана, обмен данными с другими информационными системами (внешние APS и BI системы);

возможность ведения справочной информации;

управление правами доступа к объектам системы, учётными записями и сеансами (сессиями) пользователей, в том числе в разрезе штатного расписания;

формирование отчётных форм.

CIMCO MDC-Max

CIMCO разрабатывает и продает программное обеспечение для автоматизации производства. Штаб-квартира CIMCO и главный учебный центр расположены в Копенгагене (Дания). Здесь базируется отдел продаж и команда техподдержки.

Продукт включает 10 приложений: редактор УП, приложение для управления файлами УП и цеховой документацией, программное обеспечение для сбора станочных данных, мониторинга оборудования в режиме реального времени и анализа эффективности работы цеха.

Пользователь может загрузить с сайта бесплатные пробные версии ПО CIMCO и опробовать их в течение 30 дней. После истечения срока демонстрационного периода необходимо приобрести коммерческую лицензию.

АИС «Диспетчер»

Система мониторинга станков с ЧПУ и персонала «Диспетчер» позволяет оценить реальную загрузку оборудования, найти узкие места технологических цепочек, оценить реальные потери рабочего времени, производственных ресурсов и определить ответственные службы и ответственных работников.

Дополнительные компоненты, реализованные по веб-технологии, предоставляют пользователям возможности сбора, обработки и отображения информации при помощи интернет-сервисов, агрегирующих территориально разнесенные хранилища данных и поддерживающих сеансы веб-доступа в масштабах локальной сети, либо сегмента глобальной сети, в том числе при помощи мобильных устройств.

Подключение станков как с помощью терминалов, так и путём непосредственной интеграцией УЧПУ в локальную сеть позволяет осуществлять развертывание системы мониторинга в короткие сроки. Хорошо отработанные типовые решения минимизируют стоимость работ на этапе внедрения и позволяют проводить монтаж системы мониторинга силами предприятий-заказчиков.

подключение к любому оборудованию;

кроссплатформенный сервер, выполняющий сбор и обработку технических и технологических данных производственного оборудования;

интеграция с системами подготовки производства, системами планирования управления и контроля за производственным процессом, системами для управления простоями и надежностью оборудования;

клиентские места реализуются как через адаптированный web-интерфейс, так и с использованием приложения.

Ознакомиться с возможностями программно-аппаратного комплекса «Диспетчер» можно на базе демо-стендов компании в Смоленске, а также в демо-залах партнеров.

СМПО Foreman

Система мониторинга промышленного оборудования (СМПО) Foreman используется для мониторинга работы оборудования и повышения эффективности производственных процессов, связанных с работой станков с ЧПУ. Особенность решения заключается в способности объединить в единое информационное пространство как новейшие импортные, так и отечественные станки предыдущих поколений.

СМПО Foreman позволяет контролировать работу станочного парка и производственного персонала в режиме реального времени, выполнять классификацию и анализ простоев, проводить оперативную диспетчеризацию цеховых и сервисных служб, передавать управляющие программы на станки с ЧПУ, выпускать отчетную документацию, взаимодействовать с системами планирования и управления производством.

На сайте компании можно найти и скачать не только демо дистрибутивы программ, но и спецификации, инструкцию по монтажу и развёртыванию системы, руководство по эксплуатации.

НАВИМАН

Навиман — модульное программное обеспечение, состоящее из полноценных самостоятельных блоков, которое может быть дополнено аппаратной частью. Навиман позволяет осуществлять в реальном режиме времени контроль работы, как технологического оборудования, так и производственного персонала промышленных предприятий.

Система предназначена для машиностроительныx предприятий, заинтересованных в кратном росте производительности труда, а также в кратном сокращении объема закупок нового технологического оборудования.

Модули системы не зависят друг от друга и являются полноценными самостоятельными единицами, но в связке дают более полную и подробную картину о техническом состоянии оборудования, использовании фонда рабочего времени и о ходе производства в целом. Выбор тех или иных модулей зависит от задач, которые требуется решить на производстве.

Систему можно протестировать бесплатно.

Рекомендации по выбору системы мониторинга

Подумайте, какие задачи вы поставите перед системой: cобирать данные о работе оборудования или повысить эффективность производства, сократив неплановые простои. В первом случае достаточно чисто программного решения, во втором — потребуется программно-аппаратный продукт, обеспечивающий взаимодействие оператора и цеховых служб с системой.

Выясните, поддерживают ли ваши станки программную технологию сбора данных. Если часть станков не допускает прямой информационный обмен с сервером мониторинга по локальной сети, следует искать аппаратное решение.

Опыт показывает, что беспроводная сеть — не лучший вариант для реализации мониторинга станочного парка, особенно если система используется для передачи управляющих программ.

Не требуйте от системы мониторинга решения всех производственных проблем. Возможно, что для передачи программ обработки на станки, планирования технического обслуживания и ремонта (ТОиР), формирования сменно-суточных заданий целесообразнее использовать специализированное программное обеспечение.

Выберите 2–3 системы мониторинга, у которых есть тестовый период, опробуйте их на собственном предприятии. Даже если они вам не подойдут, полученный опыт поможет вам в выборе оптимального варианта системы.

Специалисты портала СТАНКОТЕКА подробно проконсультируют вас по системам мониторинга работы оборудования и помогут подобрать оптимальный для решения ваших задач вариант. Звоните по телефону в Москве или оставьте заявку на сайте.

Индустрия 4.0: датчики ST предсказывают неисправности промышленного оборудования

Наступление четвертой промышленной революции – Индустрии 4.0 – предполагает массовое внедрение различных датчиков в состав промышленного оборудования. В последнее время это становится реальностью благодаря появлению компактных, недорогих и малопотребляющих МЭМС-датчиков, таких как производимые STMicroelectronics. Среди их преимуществ – возможность ранней диагностики неисправностей и предотвращение отказов промышленного оборудования.

Закон Чизхолма гласит: «Все, что может испортиться – портится». Думаю, любой опытный ремонтник промышленного оборудования сможет рассказать о случаях, подтверждающих справедливость этого высказывания. Однако это не повод сидеть сложа руки и ждать неизбежного. Теперь с помощью современных бюджетных, компактных и малопотребляющих датчиков, а также предсказательного математического аппарата приближение поломки можно обнаружить задолго до выхода оборудования из строя.

Износ оборудования в процессе эксплуатации обычно носит плавный характер (рисунок 1). Например, станок после начальной приработки находится в идеальном состоянии. Однако с течением времени, даже при проведении плановых мероприятий по техобслуживанию, происходит износ подвижных механических деталей, ухудшение характеристик электроники в связи со старением и так далее. Если после длительного срока эксплуатации не осуществить капитальный ремонт, станок вследствие выработки механических частей перестанет соответствовать начальным характеристикам, например, потеряет точность позиционирования рабочих инструментов.

Рис. 1. Любое оборудование с течением времени изнашивается

Рис. 1. Любое оборудование с течением времени изнашивается

К сожалению, кроме процесса старения эксплуатация промышленного оборудования сопровождается запланированными и незапланированными простоями. Любой станок периодически приходится останавливать для выполнения технического обслуживания и ремонта. Гораздо хуже, если простой вызван непредвиденной аварией.

Периодическое профилактическое обслуживание эффективно и позволяет значительно снизить время незапланированных простоев. Однако оно, во-первых, предполагает наличие запланированных простоев, во-вторых же, замена отдельных деталей и модулей проводится еще до того, как они вырабатывают свой ресурс, что увеличивает стоимость эксплуатации. К тому же, профилактическое обслуживание не гарантирует безаварийной работы оборудования.

Второй подход предполагает планирование мероприятий по обслуживанию оборудования на основе данных, получаемых от датчиков. Как было сказано выше, станок обычно не ломается сразу, а изнашивается постепенно. Об этом износе можно судить по различным ранним косвенным признакам: ультразвуковым шумам, вибрациям, увеличению потребления, слышимым шумам, перегреву и так далее (рисунок 2). Для мониторинга этих показателей используются датчики. Достоинством такого подхода становится снижение затрат на профилактическое обслуживание. Однако, как и в случае с периодическими профилактическими мерами, гарантировать безотказную работу оборудования не получится.

Рис. 2. Износ оборудования сопровождается различными косвенными признаками

Рис. 2. Износ оборудования сопровождается различными косвенными признаками

Третий наиболее перспективный вариант заключается в прогностическом обслуживании оборудования. Если посмотреть на диаграмму такой системы, то она практически полностью повторяет рассмотренный выше подход с датчиками, но имеет важное отличие (рисунок 3). Как видно из диаграммы, сенсоры по-прежнему остаются источником информации о состоянии агрегатов, однако обработка получаемых данных производится силами не только локальных процессоров/микроконтроллеров, но и удаленных вычислительных мощностей. При этом в дело вступают не только традиционные цифровые вычислительные системы, но и нейросети.

Рис. 3. Система с прогностическим обслуживанием

Рис. 3. Система с прогностическим обслуживанием

Почему этот аспект важен? Дело в том, что существует бесконечное множество сценариев отказа оборудования из-за взаимного влияния факторов. Например, перегрев механических деталей может привести к нагреву и преждевременному выходу из строя электроники. В результате, чтобы эффективно проанализировать текущее состояние оборудования, требуются не традиционные линейные вычисления, а параллельная обработка множества вариантов.

Тем не менее, ключевая роль по сбору данных по-прежнему остается за датчиками. В этой статье будут рассмотрены промышленные датчики производства компании STMicroelectronics, которые могут стать основой системы прогностического обслуживания.

Датчики параметров окружающей среды

Традиционные датчики параметров окружающей среды могут успешно применяться для мониторинга состояния промышленного оборудования и его отдельных частей и деталей. Это относится к датчикам давления, температуры и влажности от компании STMicroelectronics (рисунок 4, таблица 1).

Таблица 1. Промышленные датчики параметров окружающей среды от STMicroelectronics

Наименование Диапазон температур, ºC Точность Корпус, мм Особенности
HTS221 -40…120 ±3,5% rH ±0,5ºC 2x2x0,9
HLGA-6L
Емкостной датчик влажности и температуры
LPS22HB -40…85 ±0,1 гПа 2x2x0,76
HLGA-10L
Барометр 260…1260 гПа
LPS33HW -40…85 ±0,1 гПа 3,3×3,3×2,9
CCLGA-10L
Барометр 260…1260 гПа для жестких условий эксплуатации
STLM20 -55…130 ±0,5ºC (тип.) 1×1,3×0,5
UDFN-4L
2×2,1
SOT323-5L
Ультрамалопотребляющий прецизионный аналоговый датчик температуры
STTS751 -40…125 ±1ºC (тип.) при 0…85ºС 2x2x0,5
UDFN-6L,
2,9×2,8
SOT323-6L
Низковольтный 2,25 В цифровой датчик температуры

Рис. 4. Использование датчиков окружающей среды

Рис. 4. Использование датчиков окружающей среды

Датчики давления LPS22HB и LPS33HW

Эти цифровые 24-битные емкостные МЭМС-сенсоры могут использоваться в качестве альтиметров и барометров в самых различных коммерческих и промышленных приложениях (рисунок 4а).

Датчики имеют схожие характеристики. Они работают с диапазоном 260…1260 гПа и обеспечивают точность ±0,1 гПа в диапазоне температур 0…65ºC. При этом работоспособность сохраняется в диапазоне температур -40…85ºC. Стоит отметить относительно малое среднеквадратичное значение собственных шумов 0,02 гПа (без фильтрации) и широкий диапазон частоты измерений 1/10/25/50/75 Гц.

Между собой LPS22HB и LPS33HW отличаются в первую очередь корпусным исполнением (рисунок 5). LPS33HW имеет влагозащищенное исполнение и специальный фитинг для подведения давления, например, через трубку.

Рис. 5. Корпусные исполнения датчиков LPS22HB и LPS33HW

Рис. 5. Корпусные исполнения датчиков LPS22HB и LPS33HW

Датчик влажности HTS221

Измерение уровня влажности также является важной задачей с точки зрения безотказной работы. Это касается систем вентиляции, холодильных установок и другого промышленного оборудования (рисунок 4б).

HTS221 – цифровой МЭМС-датчик, позволяющий измерять уровень влажности с разрешением 16-бит (чувствительность 0,004 %/бит).

HTS221 имеет встроенную заводскую калибровку и обеспечивает начальную погрешность измерения ± 3,5% rH в диапазоне 20…80% rH (рисунок 6). Встроенный датчик температуры имеет чувствительность 0,016°С/бит и точность до ±0,5°С.

Рис. 6. Структура датчика влажности HTS221

Рис. 6. Структура датчика влажности HTS221

Датчик HTS221 отличается малым потреблением всего в 2 мкА при частоте опроса 1 Гц. При этом частота опроса может выбираться из ряда 1/7/12,5 Гц.

Датчики температуры STLM20 и STTS751

Датчики температуры могут использоваться для формирования аварийных сигналов при перегреве, калибровки и температурной компенсации электронных блоков, обнаружения даже незначительных повышений температуры. Именно поэтому температурные сенсоры применяются для мониторинга температуры самого различного оборудования и его составных частей (рисунок 4в): силовых полупроводниковых инверторов и блоков питания, обмоток двигателей и вращающегося оборудования (подшипников, валов и так далее), мощных силовых контактов и прочего.

STLM20 – малопотребляющий прецизионный аналоговый датчик температуры. Этот сенсор обеспечивает измерение температуры в диапазоне -55…130°C с типовой начальной точностью до ±0,5°C. Большим преимуществом STLM20 является его малое типовое потребление – всего 4,8 мкА при питании 2,4…5,5 В.

STTS751 – семейство цифровых прецизионных датчиков температуры с разрешающей способностью до 12 бит (0,0625°C/бит). Эти датчики способны обеспечивать типовую начальную точность ±0,5°C в диапазоне -40…125°C, а максимальная начальная погрешность для них не превышает ±2,5°С.

Потребление STTS751 хотя и больше, чем у STLM20, но по-прежнему остается невысоким – от 15 мкА (типовое значение при минимальной частоте опроса составляет 0,0625 Гц).

Инерционные датчики, магнитометры и микрофоны

Инерционные МЭМС-сенсоры востребованы для диагностики состояния различных подвижных механизмов: платформ, валов, подшипников, электродвигателей и прочего. STMicroelectronics предлагает широкий выбор промышленных инерционных сенсоров: акселерометров, гироскопов, магнитометров, электронных компасов, инерционных модулей (таблица 2).

Таблица 2. Промышленные инерционные датчики ST

Наименование Диапазон измерений Плотность шума, тип. Корпус, мм Старт программы 10-летней поддержки Особенности
Акселерометры
IIS2DH ±2, ±4, ±8, ±16 g 250 мкg/Гц 2x2x1
LGA-12
Март 2015 Ультрамалопотребляющий цифровой 3-осевой акселерометр
IIS2DLPC ±2, ±4, ±8, ±16 g 90 мкg/Гц 2x2x0,7
LGA-12
Июль 2018 Ультрамалопотребляющий цифровой 14-битный 3-осевой акселерометр
IIS328DQ ±2, ±4, ±8 g 218 мкg/Гц 4x4x1,8
QFPN-24
Март 2015 Ультрамалопотребляющий цифровой 3-осевой акселерометр
IIS3DHHC ±2, ±5, ±8 g 65 мкg/Гц 5x5x1,7
LGA-16
Декабрь 2017 16-битный малошумящий, высокостабильный инклинометр
Гироскопы
L20G20IS ±100, ±200 dps 0,0038°/с/√Гц 2,0×2,0×0,7
LGA-16L
Двухосевой ультракомпактный гироскоп
I3G4250D ±245, ±500,
±2000 dps
0,03°/с/√Гц 4x4x1,1
LGA-16
Март 2015 3-осевой гироскоп
Магнитометр
IIS2MDC ±50 Гс 2x2x0,7
LGA-12
Сентябрь 2017 16-битный цифровой магнитометр
Цифровые компасы
ISM303DAC ±2, ±4, ±8, ±16 g; ±50 Гс 90 мкg/Гц;
3,5 мГс
2x2x1
LGA-12
Сентябрь 2017 Компактный электронный компас с 3-осевым акселерометром и 3-осевым магнитометром
LSM303AH ±2, ±4, ±8, ±16 g; ±50 Гс 90 мкg/Гц;
3,5 мГс
2x2x1
LGA-12
Компактный электронный компас с 3-осевым акселерометром и 3-осевым магнитометром
Инерционные модули
ISM330DLC ±2, ±4, ±8, ±16 g ±125, ±245, ±500; ±1000, ±2000 dps 0,0038°/с/√Гц 13x13x2
PCB
Июль 2017 Инерционный модуль iNEMO: 3-осевой акселерометр + 3-осевой гироскоп

Очень важно отметить, что большинство из предлагаемых сенсоров входит в состав программы 10-летней гарантии выпуска. Как уже пояснялось выше, очень часто промышленное оборудование имеет срок эксплуатации 10 и более лет, поэтому и жизненный цикл электронных компонентов также должен быть длительным и гарантированным.

Гироскоп L20G20IS – ультракомпактный двухосевой гироскоп, созданный специально для систем оптической стабилизации. В промышленном сегменте L20G20IS находит применение в системах машинного зрения и стабилизации подвижных манипуляторов, например, в промышленных роботах. По аномальным показаниям гироскопа можно судить об опасных отклонениях в работе оборудования.

Для стабилизаторов не требуется значительного динамического диапазона скоростей, зато важна чувствительность, точность измерений, минимальный уровень собственных шумов. По всем этим пунктам L20G20IS демонстрирует отличные показатели.

Быстродействие L20G20IS определяется скоростью выборки – до 9,33 кГц.

Гироскоп I3G4250D – промышленный трехосевой 16-битный универсальный гироскоп. В данном случае универсальность I3G4250D определяется возможностью выбора диапазона измерений 245/500/2000 dps. Таким образом, его можно использовать для контроля движения в различных человеко-машинных интерфейсах (манипуляторах) с незначительными угловыми скоростями (245 dps), а также в роботах с более высокими скоростями вращения до 2000 dps.

Показатели стабильности, точности и быстродействия для I3G4250D не так важны, и ожидаемо оказываются хуже, чем у L20G20IS. Вместе с тем I3G4250D также имеет встроенный 8-битный датчик температуры и возможность самотестирования.

Акселерометры IIS328DQ и IIS3DHHC позволяют измерять ускорения. Чаще всего они применяются в качестве датчиков положения (инклинометров) и датчиков вибрационных и ударных воздействий. Очевидно, что требования к каждому из этих типов сенсоров будут различными.

Датчики IIS328DQ и IIS3DHHC чаще всего используются в качестве инклинометров, которые в штатной ситуации работают исключительно с естественным ускорением 1 g, вызванным силой тяготения Земли. Очевидно, что для инклинометров широкий диапазон в десятки g не требуется. В то же время для них важна чувствительность, точность, стабильность и минимальный уровень шумов.

IIS328DQ – 12-битный трехосевой акселерометр с измеряемым динамическим диапазоном ±2/±4/±8 g. При этом не стоит путать измерительный и допустимый диапазоны ускорений. В частности, IIS328DQ способен сохранять работоспособность при ускорениях до 10000 g. Среди достоинств IIS328DQ следует также отметить наличие встроенного FIFO-буфера, обеспечивающего возможность дополнительной экономии потребления за счет работы по прерываниям.

IIS3DHHC – трехосевой 16-битный прецизионный акселерометр. Имеет те же области применения, что и IIS328DQ, но используется в приложениях со сверхжесткими требованиями к точности измерений.

Диапазон измерений для IIS3DHHC составляет ±2,5 g, при этом по метрологическим характеристикам IIS3DHHC значительно превосходит IIS328DQ. Датчик отличается высокой чувствительностью 0,000076 g/бит, сверхмалым уровнем шумов не более 65 мкg/√Гц, великолепной температурной стабильностью не хуже 0,0004 g/°С. К этому можно прибавить наличие встроенного 12-битного датчика температуры, позволяющего компенсировать температурную погрешность, и встроенный механизм самокалибровки.

Акселерометры IIS2DH и IIS2DLPC. Данная группа акселерометров предназначена для измерения вибрационных и ударных нагрузок. Избыточные и аномальные вибрации являются одним из главных признаков износа и тревожным сигналом о возможном приближении аварии. Для таких сенсоров важно иметь широкий динамический диапазон ускорений и высокое быстродействие.

IIS2DH – ультрамалопотребляющий трехосевой промышленный акселерометр с динамическим диапазоном до ±2/±4/±8/±16 g и частотой измерений до 5,3 кГц. Этот сенсор имеет встроенный FIFO-буфер.

IIS2DH достаточно универсален. Его можно использовать и как датчик положения, и как датчик для измерения вибрации, и даже как датчик столкновений.

IIS2DLPC – ультрамалопотребляющий трехосевой промышленный акселерометр с динамическим диапазоном до ±2/±4/±8/±16 g и полосой пропускания до 800 Гц (частота опроса 1,6 кГц).

Среди достоинств IIS2DLPC можно отметить малый уровень шума – не более 160 мкg/√Гц. При этом типовое значение составляет 90 мкg/√Гц.

Магнитометр IIS2MDC – прецизионный трехосевой 16-битный промышленный магнитометр с динамическим диапазоном ±50 Гс. Этот сенсор может использоваться в качестве как датчика положения, так и датчика магнитного поля.

Электронные компасы ISM303DAC и LSM303AH представляют собой шестиосевые модули, которые объединяют в одном корпусе трехосевой акселерометр и трехосевой магнитометр.

Инерционный модуль ISM330DLC является комбинацией трехосевого акселерометра с диапазонами измерений ±2/±4/±8/±16 g и трехосевого гироскопа с диапазонами измерений ±125/±250/±500/±1000/±2000 dps.

МЭМС-микрофоны MP23AB01DH и IMP34DT05. Как видно из вышесказанного, полоса пропускания акселерометров ограничена, что позволяет использовать их для измерения только низкочастотных вибраций. Вместе с тем о появлении первых неисправностей можно судить по более высокочастотным ультразвуковым шумам (рисунок 7). Для их обнаружения используются МЭМС-микрофоны (таблица 3).

Рис. 7. Использование инерционных датчиков и микрофонов

Рис. 7. Использование инерционных датчиков и микрофонов

Таблица 3. Промышленные микрофоны ST

Наименование SNR, дБ Чувствительность, дБ Полоса, кГц Корпус, мм Особенности
MP23AB01DH 64 38 ±1 До 96 3,35×2,5×0,98 Аналоговый микрофон с нижним расположением порта и сверхвысоким AOP (135 дБSPL)
IMP34DT05 64 26 До 24 3x4x1
HCLGA 4LD
Цифровой микрофон

MP23AB01DH – аналоговый МЭМС-микрофон с полосой чувствительности до 96 кГц (дальний ультразвуковой диапазон).

IMP34DT05 – промышленный цифровой МЭМС-микрофон с полосой чувствительности до 24 кГц (близкий ультразвуковой диапазон). Стоит отметить, что IMP34DT05 входит в программу 10-летней гарантии выпуска, начиная с 1 сентября 2018.

Большим плюсом датчиков производства STMicroelectronics является наличие референсных схем, отладочных наборов и бесплатного ПО. В качестве примера можно рассмотреть отладочный комплект STEVAL-BFA001V1B с референсной платой STEVAL-IDP005V1.

Отладочный набор STEVAL-BFA001V1B с референсной платой STEVAL-IDP005V1

Отладочный набор STEVAL-BFA001V1B включает в себя (рисунок 8):

    – референсную плату промышленного датчика;
  • STEVAL-UKI001V1 – адаптер для подключения программатора ST-LINK/V2-1;
  • плоский кабель 0,050”;
  • 4-контактную промышленную вилку;
  • 4-контактную промышленную розетку с кабелем.

Рис. 8. Состав отладочного набора STEVAL-BFA001V1B

Рис. 8. Состав отладочного набора STEVAL-BFA001V1B

В данном наборе основной интерес привлекает референсная плата STEVAL-IDP005V1, на которой размещены следующие компоненты: 32-битный микроконтроллер STM32F469AI с ядром ARM Cortex-M4, шестиосевой инерционный модуль ISM330DLC, МЭМС-микрофон MP34DT05-A, датчик давления LPS22HB, датчик влажности и температуры HTS221, IO-Link-приемопередатчик L6362A, стабилизатор LDK220, EEPROM-память M95M01 объемом 1 Мбит (рисунок 9).

Рис. 9. Датчики, расположенные на плате STEVAL-IDP005V1

Рис. 9. Датчики, расположенные на плате STEVAL-IDP005V1

STMicroelectronics по традиции выложил в открытый доступ все файлы данной платы (принципиальную схему, Gerber-файлы), поэтому STEVAL-IDP005V1 может использоваться в качестве как отладочной платы, так и основы для разработки собственных устройств.

В комплекте с отладочным набором идет пакет ПО STSW-BFA001V1, который содержит открытые исходники всех демонстрационных программ.

Для вывода данных от STEVAL-IDP005V1 на экран ПК можно использовать программатор ST-LINK/V2-1 либо дополнительную плату STEVAL-IDP004V1 (рисунок 10).

Рис. 10. Внешний вид платы STEVAL-IDP004V1

Рис. 10. Внешний вид платы STEVAL-IDP004V1

При использовании STEVAL-IDP004V1 к услугам пользователей предлагается удобная утилита, позволяющая в графической форме контролировать показания платы (рисунок 11).

Рис. 11. Утилита для работы с STEVAL-IDP004V1

Рис. 11. Утилита для работы с STEVAL-IDP004V1

Что еще нужно для прогностического обслуживания?

В соответствии со схемой, изображенной на рисунке 3, для создания системы диагностики требуются и другие элементы, которые также предлагает STMicroelectronics: высокопроизводительные процессоры STM32 для управления датчиками; решения в области проводных и беспроводных интерфейсов как для связи с датчиками, так и для передачи информации в облако; аналоговые и цифроаналоговые компоненты для нормирования и питания датчиков и многое другое.

Кроме того, важнейшим элементом становится программное обеспечение. К счастью, с точки зрения программной поддержки STMicroelectronics является одним из лидеров. Практически для каждого датчика существует отладочная плата с комплектом открытого и бесплатного ПО, ориентированного на микроконтроллеры STM32.

Помимо этого, компания предлагает и специализированное ПО. В частности, как уже говорилось выше, к отладочному набору STEVAL-BFA001V1B прилагается пакет ПО STSW-BFA001V1, который имеет следующие особенности:

  • два готовых демонстрационных проекта (находятся в папке STSW-BFA001V1ProjectsDemonstrations): мониторинг параметров датчиков, прогностический анализ вибраций;
  • поддержка функций для выполнения анализа вибраций, в том числе быстрое преобразование Фурье (БПФ) с программируемыми параметрами;
  • поддержка функций для акустического анализа, в том числе БПФ, измерение акустического давления и преобразование импульсных показаний микрофона MP34DT05 в 16-битную ИКМ.

Проект, демонстрирующий прогностический анализ, предполагает использование референсного датчика STEVAL-IDP005V1 для контроля параметров вибрации (рисунок 12). Сам проект можно найти в папке STSW-BFA001V1ProjectsDemonstrationsPredictive_Maintenance.

Рис. 12. Использование референсного датчика для контроля параметров вибрации

Рис. 12. Использование референсного датчика для контроля параметров вибрации

Данная демонстрационная программа выполняет временной и частотный анализ показаний акселерометра для оценки работы двигателя. Программа рассчитывает следующие параметры:

  • среднеквадратичную скорость по осям X, Y, Z;
  • пиковое ускорение по осям X, Y, Z;
  • спектральные составляющие ускорений по осям X, Y, Z.

Состояние каждого из перечисленных параметров оценивается отдельно: good – «норма», warning – «предупреждение», alarm – «тревога» (рисунок 13).

Рис. 13. Пример: контроль частотных составляющих вибрации

Рис. 13. Пример: контроль частотных составляющих вибрации

Определения ключевых структур находятся в файле MotionSP_Threshold.h (STSW-BFA001V1ProjectsDemonstrationsPredictive_MaintenanceInc). Там же можно задать пороговые значения параметров для состояний “warning” и “alarm”. Например, для задания пиковых ускорений в м/с 2 (тип “float”) используется константа:

При подключении датчика к ПК результаты измерений и состояние по каждому из параметров можно наблюдать в терминале (рисунок 14).

Рис. 14. Мониторинг состояния с выводом информации на ПК

Рис. 14. Мониторинг состояния с выводом информации на ПК

Для выполнения прогностического анализа идеально подходят нейронные сети. По обещаниям STMicroelectronics, в ближайшее время для пользователей будет доступно расширение STM32CubeMX.AI, которое позволит микроконтроллерам STM32 реализовывать модели нейронных сетей, полученных от сторонних платформ, в том числе Caffe, CNTK, Keras, Lasagne, TensorFlow и theano.

Заключение

Гарантировать безотказную работу оборудования, к сожалению, невозможно. Всегда существует риск остановки производства из-за поломки. Однако своевременное обслуживание значительно снижает этот риск. Более того, прогностические методы планирования обслуживания позволяют обнаруживать потенциальные неисправности задолго до того, как произойдет авария. Это стало возможным во многом благодаря появлению недорогих, компактных малопотребляющих МЭМС-датчиков.

STMicroelectronics предлагает широкий выбор промышленных датчиков, помогающих выполнять мониторинг состояния оборудования. Среди них датчики параметров среды (температуры, давления, влажности), инерционные сенсоры (акселерометры и гироскопы), магнитометры, электронные компасы, инерционные модули, микрофоны.

Отличительной чертой большинства сенсоров от STMicroelectronics является высокая стабильность, встроенные функции самокалибровки, встроенные температурные датчики для температурной компенсации, 10-летняя гарантия выпуска и наличие готовых бесплатных программных решений.

Источник https://stankoteka.ru/blog/sistemy-monitoringa-raboty-oborudovaniya/

Источник https://www.compel.ru/lib/95590

Источник

Про admin

Проверьте также

Классификация газопроводов по давлению газа по новым правилам

Классификация газопроводов по давлению газа по новым правилам Природный газ – понятие условное, которое применяется ...

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.