Praktische Grundlagen der Vibrationsüberwachung mit VOYAGER4 für Ingenieure

Von der Automatisierung bis hin zu industriellen Systemen sind Elektromotoren entscheidend für den Antrieb wichtiger Prozesse in einer Vielzahl von Anwendungen. Jeder Ausfall oder jede Leistungsverschlechterung eines Motors kann zu ungerechtfertigten Ausfallzeiten führen, die die Produktivität in der Fabrik beeinträchtigen, erhebliche Verzögerungen und Unterbrechungen in der Lieferkette des Herstellers auslösen und dem Unternehmen erhebliche Verluste bescheren. Neben dem Verlust von Zeit und Geld schadet die unerwünschte Ausfallzeit auch dem Image des Herstellers auf dem Markt.

Um sicherzustellen, dass der Motor während des gesamten Lebenszyklus des Systems ordnungsgemäß funktioniert, müssen der Zustand und die Leistung dieser Maschinen in den Systemen, in denen sie eingesetzt werden, ständig überwacht werden. Diese Art der vorausschauenden Wartung von Maschinen minimiert Ausfälle, erhöht die Zuverlässigkeit und steigert die Produktivität in der Fabrikhalle. All dies führt zu erheblichen Einsparungen für das Unternehmen.

Es gibt zwar mehrere Parameter für rotierende Maschinen, die überwacht werden können, aber Schwingungen (Vibrationen) sind das wichtigste und nützlichste Merkmal zur Untersuchung und Bestimmung des Zustands der rotierenden Maschine. Es handelt sich um eine wichtige Vorhersagevariable, die zur Überwachung und Erkennung potenzieller Fehler wie weiches Aufsetzen, Lager und ähnliche Probleme in rotierenden Maschinen verwendet werden kann. Obwohl die Überwachung von Vibrationen nicht schwierig ist, sind die Datenerfassung und die aussagekräftige Berichterstattung nicht trivial. Sie erfordert Datenanalyse, neuartige Algorithmen und drahtlose Vernetzung.

Überwachung von Motorvibrationen

Für eine solche Anwendung hat Analog Devices, Inc. (ADI) einen drahtlosen Sensor zur Schwingungsüberwachung entwickelt, der die MEMS-Beschleunigungssensortechnologie (Microelectromechanical Systems) nutzt. MEMS-Sensoren sind bekannt für ihre geringe Größe, ihren geringen Stromverbrauch und ihren breiten Frequenzgang, der bis zu 8 kHz reicht. Sie sind die bevorzugte Technologie für eine breite Palette von rotierenden Industriemaschinen.

Der MEMS-Sensor der neuen Generation von ADI mit der Bezeichnung VOYAGER4 wurde für die zustandsorientierte Überwachung (CbM) in der Robotik und in industriellen Anwendungen entwickelt und verfügt über künstliche Intelligenz (KI) für eine intelligentere Datenanalyse auf Sensorebene. Es handelt sich um eine Komplettlösung, die unterstützende ICs, Komponenten und andere Komponenten wie Beschleunigungsmesser, Prozessoren und Energiemanagement-ICs (PMICs) umfasst (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das vollständige VOYAGER4-Systemblockdiagramm. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

VOYAGER4-Evaluierungskit

Um Ingenieuren das Verständnis für ein drahtloses Zustandsüberwachungssystem zu erleichtern, hat ADI das VOYAGER4-Evaluierungskit EV-CBM-VOYAGER4-1Z für die drahtlose Schwingungsüberwachung entwickelt. Bei diesem Kit handelt es sich um eine komplette Vibrationsüberwachungsplattform mit geringem Stromverbrauch, die es Ingenieuren ermöglicht, schnell eine drahtlose Überwachungslösung für einen Elektromotor oder einen ähnlichen Testaufbau zu entwickeln. Es umfasst:

• Intelligente und sichere Entscheidungen am Netzwerkrand
• Einen KI-Algorithmus für die Entscheidungsfindung am Netzwerkrand (Edge)
• Mechanische Montage und Messbandbreite von bis zu 8 kHz
• Einen 3-Achsen-MEMS-Beschleunigungssensor mit extrem niedrigem Stromverbrauch und extrem geringem Rauschen
• Einen extrem energieeffizienten Mikrocontroller und robuste energiesparende BLE-Technologie (Bluetooth Low Energy)         

Zu den ICs und anderen Bauteilen von ADI, die auf der Leiterplatte des Bausatzes (Abbildung 2) montiert sind, gehören die dreiachsigen MEMS-Sensoren ADXL382 und ADXL367 mit digitalem Ausgang, der BLE-Mikrocontroller MAX32666, der KI-Mikrocontroller MAX78000, der PMIC MAX20335 sowie die Leistungskomponenten MAX17262 und MAX38642. Die bestückte Leiterplatte ist vertikal auf einem Aluminiumsockel montiert, die Batterie ist an einem Abstandshalter befestigt. Außerdem verfügt sie über eine M6-Gewindebohrung im Sockel für die Montage mit Schraubbolzen am Motorgehäuse. Die gesamte Einheit ist dann in einem Aluminiumgehäuse mit einem Durchmesser von 46 mm und einer Höhe von 77 mm untergebracht.

Abbildung 2: Die bestückte Leiterplatte des EV-CBM-VOYAGER4-1Z auf seinem Aluminiumsockel. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Um eine Abschirmung der Antenne der BLE-Verbindung zu vermeiden, verwendet das Gehäuse einen Deckel aus ABS-Kunststoff (Abbildung 3). Es handelt sich um ein starkes, nicht-metallisches Material, das Funksignale mit minimalen Störungen durchlässt.

Abbildung 3: Der mechanische Aufbau der VOYAGER4-Sensoreinheit mit Aluminiumgehäuse und ABS-Kunststoffdeckel (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Mit Hilfe der Modalanalyse haben die ADI-Ingenieure ein solide mechanische Komponente entwickelt, die den VOYAGER4-Sensor in die Lage versetzt, empfindliche Schwingungsdaten aus dem zu prüfenden Motor oder der rotierenden Maschine präzise zu extrahieren. Es verwendet einen KI-Algorithmus, um anomales Motorverhalten zu erkennen und einen Aufruf zur Maschinendiagnose und -wartung auszulösen. Bevor die Software jedoch mit dem Diagnoseprozess beginnt, wird der triaxiale MEMS-Beschleunigungssensor ADXL382 mit 16 Bit und 8 kHz zur Erfassung der Schwingungsdaten eingesetzt. Die gesammelten Schwingungsrohdaten werden dann mit dem KI-Prozessor MAX78000 verarbeitet. Wenn der KI-Algorithmus einen Fehler erkennt oder vermutet, dass die Vibrationsdaten fehlerhaft sind, sendet das System über die BLE-Funkkomponente MAX32666 eine Vibrationsanomalie-Warnung an den Benutzer.

Betrieb des Sensorsystems

Im Prinzip verarbeitet das VOYAGER4-Sensorsystem die Ausgangsschwingungsdaten nach einem wohldefinierten Verfahren (Abbildung 4). Wie in der Abbildung dargestellt, folgen die vom MEMS-Sensor erfassten Rohdaten dem Pfad (a) zum BLE-Prozessor. Bevor sie jedoch über die BLE-Funkkomponente oder die USB-Verbindung mit dem USB-UART-Schnittstellen-IC FT234XD-R an den Benutzer gesendet werden, werden diese MEMS-Daten über Pfad (b) an den Prozessor mit Edge-KI gesendet, um fehlerhafte Maschinendaten vorherzusagen. Wenn der KI-Algorithmus fehlerhafte oder verdächtige Vibrationsdaten vorhersagt, verwendet das System Pfad (c), um den Benutzer per BLE-Funk über die anomalen Daten zu alarmieren. Wird ein Fehler oder keine Anomalie vorhergesagt, versetzt das VOYAGER4-System den MEMS-Sensor über Pfad (d) bis zum nächsten Erkennungsereignis in den Schlafmodus.

Abbildung 4: Das Funktionsprinzip des VOYAGER4-Systems. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Das System verwendet nicht ohne Grund zwei MEMS-Beschleunigungssensoren. Während der hochleistungsfähige MEMS-Beschleunigungssensor ADXL382 zur Erfassung von Vibrationsdaten verwendet wird, kann der extrem stromsparende 14-Bit-ADXL367 mit 100 Hz dazu verwendet werden, die BLE-Funkkomponente aus dem Tiefschlafmodus aufzuwecken, wenn ein signifikantes Vibrations- oder Stoßereignis auftritt. Dieser Wake-up-Baustein verbraucht nur 180 nA und trägt damit zu erheblichen Stromeinsparungen bei, die die Lebensdauer der Batterie verlängern. Gleichzeitig werden die MEMS-Vibrationsrohdaten über einen einpoligen Umschalter (SPDT), den ADG1634BCPZ-REEL7, entweder an die BLE-Funkkomponente MAX32666 oder an den KI-Mikrocontroller MAX78000 weitergeleitet. Dieser analoge Schalter wird durch den BLE-Mikrocontroller gesteuert.

Zu den weiteren Peripherieelementen, die mit dem BLE-Mikrocontroller MAX32666 verbunden sind, gehören das IC MAX17262 zur Mehrzellen-Ladezustandserfassung, das Diodenarray MAX3207EAUT+T zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) und der Baustein DS28C40ATB/VY+T zur sicheren Authentifizierung. Während das IC zur Erfassung des Ladezustands der Li-Ionen-Batterie den ModelGauge-m5-EZ-Algorithmus von Maxim zur Überwachung des Batteriestroms implementiert, bietet das TVS-Diodenarray mit niedriger Eingangskapazität einen ESD-Schutz von ±15 kV gemäß Human-Body- und Air-Gap-Modellen. Für die Datenintegrität bietet der sichere Authentifikator einen Kernsatz kryptografischer Werkzeuge, die von integrierten asymmetrischen (ECC-P256) und symmetrischen (SHA-256) Sicherheitsfunktionen abgeleitet sind.

Management des Stromverbrauchs und der Batterielebensdauer

Um den Stromverbrauch zu minimieren, verwaltet der VOYAGER4 auf intelligente Weise den Betrieb der integrierten PMICs in Bezug auf die Betriebsmodi des BLE-Mikrocontrollers und des Edge-KI-Prozessors. Im Wesentlichen aktiviert oder deaktiviert der BLE-Mikrocontroller die einzelnen Ausgänge des PMICs MAX20335 für verschiedene VOYAGER4-Betriebsmodi. Dieser IC enthält zwei Abwärtsregler mit extrem niedrigem Ruhestrom und drei lineare Low-Dropout-Regler (LDO) mit extrem niedrigem Ruhestrom. Der Wert jeder Ausgangsspannung kann über die I²C-Schnittstelle des PMICs programmiert werden. Falls zusätzliche Leistung benötigt wird, bietet das Kit einen einstellbaren Abwärtsregler mit einem Ausgang und positiver Spannung, den MAX38642AELT+T, der bis zu 350 mA liefern kann.

Abbildung 5: Das Blockdiagramm des MAX20335. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Um den Stromverbrauch zu minimieren, wechselt der VOYAGER4-Sensor je nach BLE- und KI-Betriebsmodus zwischen aktivem und inaktivem Zustand. Im Trainingsmodus muss die BLE-MCU beispielsweise zunächst ihre Anwesenheit im BLE-Netz bekannt geben und sich dann mit dem Netzmanager verbinden. Der Voyager4 streamt dann die Rohdaten des MEMS ADXL382 über das BLE-Netzwerk, um einen KI-Algorithmus auf dem PC des Benutzers zu trainieren. Im normalen KI-Modus sind die Funktionen BLE-Funkwerbung, Verbindung und Streaming standardmäßig deaktiviert. Parallel dazu wacht der MAX78000 in regelmäßigen Abständen auf und führt eine KI-Inferenz durch. Wird keine Anomalie festgestellt, kehrt der VOYAGER4 in den Tiefschlafmodus zurück (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der durchschnittliche Stromverbrauch des VOYAGER4-Sensors in Abhängigkeit von der Zeit zwischen den Ereignissen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Abbildung 6 zeigt, dass ein Sensor, der keine Rohdaten über den BLE-Funk überträgt, bis zu 50% weniger Strom verbraucht. Im Trainingsmodus werden etwa 0,65 mW verbraucht, wenn das BLE-Funkgerät aktiv ist, eine Verbindung herstellt und einmal pro Stunde Daten sendet. Wenn der Sensor im normalen KI-Modus arbeitet, verbraucht das System 0,3 mW, selbst wenn der Sensor einmal pro Stunde aktiv ist. Die Datenanalyse zeigt, dass eine einzelne 1500mAh-Batterie bei einem Stromverbrauch von 0,3 mW zwei Jahre lang betrieben werden kann. Durch die Verwendung von zwei handelsüblichen AA-Batterien mit 2,6 Ah kann die Lebensdauer der Batterie jedoch auf etwa sieben Jahre verlängert werden. Für längere Zeiträume wird die Verwendung von Batteriezellen mit niedrigem Grundstrom und periodischen Impulsen empfohlen.

VOYAGER4-GUI und -Firmware

Die grafische VOYAGER-Benutzeroberfläche (GUI) ist in Python geschrieben und verwendet wichtige Bibliotheken wie Bleak, Asyncio und Tkinter, um eine interaktive Schnittstelle zu ermöglichen, die sich über den BLE-Funk mit dem VOYAGER4-Sensor verbindet.

Das VOYAGER4-Evaluierungskit enthält zwei Mikrocontroller und mehrere Peripherieelemente, darunter Sensoren, PMICs, Flash-Speicher und Kommunikationsschnittstellen. ADI bietet Tools zur Entwicklung des Codes, der zur Steuerung und Kommunikation mit dem Host-PC erforderlich ist. So können Ingenieure beispielsweise die CodeFusion-IDE für die gesamte Embedded-Entwicklung und das VOYAGER-SDK für die Bereitstellung von KI-Anwendungen nutzen. Speziell für die Mikrocontroller MAX32666 und MAX78000 stehen spezielle Entwicklerressourcen zur Programmierung dieser Bausteine zur Verfügung.

Fazit

Der drahtlose Schwingungsüberwachungssensor VOYAGER4 von ADI ist ein effektives Werkzeug für die zustandsorientierte Überwachung von Motoren in der Robotik und anderen rotierenden Maschinen in industriellen Systemen. Das Evaluierungskit von ADI ermöglicht es Ingenieuren, den MEMS-Sensor zu verstehen und anzuwenden, indem es eine vollständige, stromsparende Plattform für den schnellen Einsatz der drahtlosen Schwingungsüberwachung bietet.