Индустрия 4.0: датчики ST предсказывают неисправности промышленного оборудования

14 декабря 2018

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 3. Промышленные микрофоны ST

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):

• STEVAL-IDP005V1 – 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

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

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

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

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-BFA001V1\Projects\Demonstrations\): 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-BFA001V1\Projects\Demonstrations\Predictive_Maintenance.

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

Определения ключевых структур находятся в файле MotionSP_Threshold.h (STSW-BFA001V1\Projects\Demonstrations\Predictive_Maintenance\Inc\). Там же можно задать пороговые значения параметров для состояний “warning” и “alarm”. Например, для задания пиковых ускорений в м/с² (тип “float”) используется константа:

static const sTimeDomainThresh_t TDAccPeakThresh =
{
 /* Value in m/s^2 */
 3.5f,         //!< THR_WARN_AXIS_X
 3.5f,         //!< THR_WARN_AXIS_Y
 3.5f,         //!< THR_WARN_AXIS_Z
 6.5f,         //!< THR_ALARM_AXIS_X
 6.5f,         //!< THR_ALARM_AXIS_Y
 6.5f,         //!< THR_ALARM_AXIS_Z
}
;

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

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.