Sensori Mems di vibrazioni wireless

MEMS & SENSORI –

Realizzato in tecnologia Mems, il sensore di vibrazione Rf di Analog Devices ha capacità di immagazzinamento dati, può identificare e classificare le sorgenti di vibrazioni, monitorare le variazioni nel tempo e reagire a livelli di soglia programmabili

Per migliorare il proprio livello di produttività molte imprese ricorrono all’uso dell’automazione industriale. Per mantenere un processo al massimo dell’efficienza è necessario programmare la manutenzione nel migliore dei modi, tale da risultare economicamente vantaggiosa e garantire l’assenza di guasti e fermi macchina. Un nuovo tipo di approccio, denominato manutenzione predittiva, consente di monitorare lo stato delle macchine in continuo e di intervenire in maniera mirata non appena si hanno i primi sintomi di usura che possono portare a una rottura. In questo modo i fermi macchina possono essere programmati, con un impatto minimo sulla produzione, e interventi su parti realmente usurate, evitando così di sostituire pezzi ancora pienamente efficienti.
Tra i parametri fondamentali nel monitoraggio di una macchina di produzione ci sono le vibrazioni. Ogni macchina dotata di organi in movimento presenta un certo livello di vibrazione. L’analisi armonica della vibrazione evidenzia l’esistenza di frequenze di risonanza tipiche del macchinario; la distribuzione spettrale di queste frequenze prende il nome di firma vibrazionale. Sbilanciamenti, raccordi allentati, cuscinetti usurati, si traducono in una variazione del livello di vibrazione e una traslazione delle frequenze tipiche. Senza un accurato monitoraggio diventa difficile rilevare questi cambiamenti, e quando il difetto si manifesta macroscopicamente potrebbe essere troppo tardi e il guasto potrebbe avere conseguenze catastrofiche. Esistono approcci collaudati per limitare o evitare del tutto le perdite di produzione dovute a guasti che impiegano la manutenzione predittiva; il tutto parte dalla conoscenza delle condizioni reali della macchina. Tuttavia monitorare un processo comporta una certa complessità che tende a controbilanciarne i benefici. Alcuni processi richiedono sensori mini-invasivi che diano misure precise, affidabili e in tempo reale. I metodi attuali hanno dei limiti, specialmente quando si tratta di analizzare i dati di vibrazione, indipendentemente da come sono stati raccolti, e isolarli dalle sorgenti di errore. Metodi tipici di raccolta dati includono strumenti palmari basati su semplici sensori piezoelettrici montati sulla macchina. Questi metodi presentano una serie di limitazioni, soprattutto se confrontati con la soluzione ideale di un sistema di rilevamento e analisi completa che può essere incorporato nel macchinario e agire autonomamente. Prima di implementare una rete di sensori wireless totalmente autonoma è necessario tenere a mente 10 fattori che influenzeranno il processo di misura e raccolta dei dati.

Misure precise e ripetibili

Le sonde di vibrazioni portatili attualmente in uso offrono alcuni vantaggi implementativi. Per cominciare non richiedono alcuna modifica del macchinario. Date le dimensioni non necessariamente contenute possono raggiungere un elevato grado di integrazione, consentendo buoni livelli di elaborazione e archiviazione dati. Uno degli svantaggi principali però è la mancanza di misure ripetibili. Lievi differenze nella posizione della sonda o dell'angolo produrranno profili di vibrazione inconsistenti, rendendo i paragoni nel tempo imprecisi. Pertanto il manutentore si chiederà se qualsiasi cambiamento registrato sia dovuto a una anomalia della macchina oppure alla tecnica di misura. Idealmente il sensore dovrebbe integrare dell’intelligenza e allo stesso tempo presentarsi compatto in modo da poter essere incorporato permanentemente all'interno del macchinario, eliminando eventuali problemi di misura dovuti al cambio di posizione del sensore. L’intelligenza dovrebbe permettere una completa flessibilità nella programmazione delle rilevazioni.

Frequenza e programmazione delle misure

Il monitoraggio del processo può essere particolarmente utile in un impianto di produzione per apparecchiature di elevato valore, come nelle fabbriche di componenti elettronici. In questo caso, lievi variazioni nella catena di montaggio possono portare a un calo del livello produttivo, così come a variazioni dei parametri del prodotto finale. Per ovviare a ciò è necessario un monitoraggio in tempo reale, cosa che non è possibile fare se si utilizza uno strumento palmare. Lo stesso vale per la maggior parte dei sensori piezo montati a bordo macchina, privi di intelligenza; l’analisi deve essere effettuata altrove, in un tempo successivo. Esiste quindi una possibilità che eventi significativi o variazioni nel processo vengano persi o notificati con notevole ritardo. Al contrario, un sistema autonomo, che includa il sensore, l’elaborazione dei dati, memoria e capacità di allarme, il tutto in un piccolo fattore di forma, è in grado di segnalare il più velocemente possibile la comparsa di variazioni nel processo e mostrare il suo andamento nel tempo.

Interpretare i dati

La notifica in tempo reale da un sensore embedded è possibile solo se si impiega l’analisi nel dominio della frequenza . Qualsiasi macchinario in genere ha più fonti di vibrazione alcune delle quali legate al funzionamento della macchina, come ad esempio un trapano o una pressa che normalmente producono vibrazioni. Il segnale rilevato ha pertanto un andamento temporale complesso e fornisce informazioni limitate rispetto a quanto ottenibile con una trasformata di Fourier veloce (Fft). Le soluzioni basate sui sensori piezoelettrici eseguono la Fft esternamente rendendo impossibile la notifica in tempo reale e complicando il processo di raccolta e elaborazione dei dati. Con l'analisi Fft incorporata sul sensore anomalie nella firma vibrazionale vengono identificate immediatamente e associate a fonti specifiche. L’impiego di sensori intelligenti dotati di un livello di autonomia elevato riduce sensibilmente il tempo di sviluppo di un macchinario.

Accesso ai dati e trasmissione

Il rilevamento embedded rappresenta la soluzione ideale per ottenere andamenti accurati e in tempo reale m complica il compito di trasferire i dati ad un controllore remoto o a un operatore. L’analisi Fft integrata presuppone che il segnale analogico sia stato elaborato e convertito in digitale e ciò dovrebbe semplificare la trasmissione dei dati. Dato che la maggior parte dei macchinari industriali si trovano in ambienti rumorosi, con parti in movimento, a volte inaccessibili se non addirittura pericolosi, vi è la necessità di semplificare il più possibile il cablaggio di interconnessione effettuando la maggior parte dell’analisi direttamente alla sorgente in modo da avere una rappresentazione della vibrazione che sia la più accurata possibile. In questo caso un sensore abbinato a un nodo di comunicazione wireless facilita l'accesso immediato e semplifica notevolmente l'implementazione della rete di sensori riducendone il costo.

Direzionalità della misura

Molte soluzioni disponibili sul mercato si basano su trasduttori piezoelettrici monoassiali. Questi sensori non forniscono informazioni sulla direzione; la mancanza di direzionalità richiede l’uso di costosi sensori a basso rumore per consentire una comprensione sufficientemente chiara del profilo di vibrazioni dei macchinari. La disponibilità di sensori Mems multidirezionali aumenta significativamente la capacità di isolare la sorgente delle vibrazioni ad un costo potenzialmente inferiore.

Posizione e distribuzione dei sensori
I profili di vibrazione dei macchinari sono complessi, variano col tempo, dipendono dai materiali utilizzati e dalla posizione di installazione. Il problema di dove collocare sensori è critico, dipende fortemente dal tipo di macchinario, dall'ambiente e anche dal suo ciclo di vita. Considerando il costo elevato dei sensori che limita il numero di punti di misura ad uno o poco più la criticità del problema è ancora più sentita. Pertanto, per non compromettere la qualità dei dati acquisiti si deve dedicare del tempo a determinare sperimentalmente il punto ideale in cui collocare il sensore. La disponibilità di sensori integrati ad un costo sensibilmente inferiore consente il posizionamento di più sensori eliminando la necessità di sperimentazioni e riducendo tempo e costi di sviluppo.

Riconfigurazione durante il ciclo di vita

Mentre un sistema di monitoraggio portatile può essere adattato ai cambiamenti durante il ciclo di vita, ricalibrare un sensore embedded richiede una attenzione preliminare durante la fase di progettazione. Ad esempio, i progettisti hanno bisogno di determinare se il sensore deve essere configurato per i primi anni di vita, quando i guasti sono meno probabili, o alla fine del ciclo di vita, quando le rotture non solo sono più probabili ma potenzialmente più dannose. L'approccio preferito è un sensore programmabile in-system che adegui i cambi nel corso del ciclo di vita. Monitoraggi poco frequenti (per ridurre il consumo di energia) possono essere utilizzati a inizio vita; verso fine vita, o quando una soglia di attenzione è stata superata, si rende necessario riconfigurare il sistema per poterlo monitorare più di frequente.

Valutazione delle prestazioni

Adattare il sensore alle variazioni durante il ciclo di vita richiede una conoscenza di base della risposta del macchinario. Ciò si può ottenere anche mediante l’impiego di semplici sensori analogici, supponendo che l’operatore faccia le misure, esegua l'analisi offline, memorizzi questi dati e in qualche modo li identifichi con il macchinario specifico e la posizione della sonda; un approccio soggetto ad errori. È sicuramente preferibile memorizzare l’Fft del segnale direttamente nel sensore, semplificando la localizzazione dei dati ed evitando potenziali errori di scambio. Questi dati di base sono utili anche a stabilire i livelli di allarme che possono essere programmati direttamente sul sensore. In questo modo è possibile allertare il sistema in tempo reale nel caso si verifichi una condizione di allarme.

Tracciabilità dei dati e documentazione

All'interno di una fabbrica, il programma di analisi delle vibrazioni potrebbe monitorare decine o addirittura centinaia di punti. Durante la vita di un macchinario questo può significare effettuare migliaia di registrazioni in memoria. La validità del programma di manutenzione predittiva dipende dalla corretta mappatura delle registrazioni, che identifichi sensore e data. Per minimizzare il rischio conviene che ciascun sensore abbia la capacità di memorizzare e datare le registrazioni.

Affidabilità

Il sensore di vibrazione viene impiegato per segnalare con sufficiente anticipo il rischio di guasto, aumentando così l’affidabilità complessiva del processo controllato. Ma che dire dell’affidabilità stessa del sensore? Se il sensore segnala un guasto quanto si è confidenti del fatto che il guasto sia imputabile al macchinario e non al sensore stesso? Specialmente verso fine vita non è facile discriminare tra derive imputabili al processo o deriva delle caratteristiche del sensore. Per molti trasduttori di tipo piezo questo è un limite reale in quanto non forniscono alcun meccanismo per valutarne l’integrità. Un sistema di monitoraggio affidabile deve fornire la possibilità di testare da remoto la funzionalità del sensore. Fortunatamente alcuni sensori basati su tecnologia MEMS sono dotati di un sistema di self-test in grado di rilevare malfunzionamenti del sensore e segnalarli come tali.

Il sensore di vibrazioni wireless

Analog Devices ha introdotto l’ADIS16229, un sensore di vibrazioni digitale in tecnologia Mems, dotato di un transceiver Rf, completamente autonomo e di tipo wireless; il dispositivo effettua l’analisi nel dominio della frequenza utilizzando una Fft a 512 punti a valori reali, ha capacità di immagazzinamento dati, può identificare e classificare le singole sorgenti di vibrazioni, monitorare le variazioni nel tempo e reagire a livelli di soglia programmabili. Il dispositivo fornisce allarmi configurabili su bande spettrali e opzioni di windowing che permettono un’analisi dello spettro di frequenza mediante la configurazione di sei bande e due allarmi (soglia di avviso e soglia di guasto) per un rilevamento tempestivo e accurato dei problemi. Il cuore del dispositivo è un sensore Mems multiassiale a larga banda, con frequenza di campionamento programmabile (fino a 20 kSPS) e opzioni di media e decimazione che consentono una valutazione più accurata di cambiamenti minimi nel profilo di vibrazione. Il sensore Mems possiede una modalità di self-test digitale per verificare di continuo la funzionalità e l'integrità dei dati. Il dispositivo è completamente integrato e programmabile, consentendo il posizionamento vicino alla sorgente di vibrazioni e il rilevamento tempestivo di segnali di piccola ampiezza in modo ripetibile , evitando discrepanze tra le misure a causa di differenze nella posizione e nell’accoppiamento del sensore, come nel caso di dispositivi palmari. Un protocollo d’interfaccia wireless proprietario consente la lettura remota del nodo sensore ADIS16229. L’ADIS16000 funge da gateway ed è provvisto di un’interfaccia seriale standard Spi con cui connettersi ad un qualsiasi controllore di sistema. Il Gateway consente la gestione di un numero massimo di 6 nodi. Sensori di vibrazione completamente integrati e affidabili, configurabili e capaci di un funzionamento autonomo consentono ai programmi di manutenzione predittiva di migliorare significativamente la qualità e l'integrità del processo di raccolta dei dati, senza le limitazioni e i compromessi derivanti da approcci di analisi delle vibrazioni del passato. Con l'alto livello d’integrazione e un'interfaccia semplificata, programmabile e senza fili, questi sensori consentono una distribuzione più pervasiva di punti di rilevamento delle vibrazioni. Le caratteristiche di questi sensori, che non richiedono operazioni di retrofit o speciali infrastrutture di tipo elettrico per l’installazione, che misurano le variazioni con elevata precisione affidabilità, offrono l'opportunità di ridurre drasticamente i costi di manutenzione siano essi iniziali o ricorrenti.

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