有效地維護(hù)復(fù)雜的工業(yè)過程對保持生產(chǎn)力和降低成本至關(guān)重要,。狀態(tài)檢測 (CBM) 是定期維護(hù)計(jì)劃的替代方案,使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的數(shù)據(jù),,在故障發(fā)生之前監(jiān)測性能上的惡化趨勢,。本文將探討這個主題,并為傳感器節(jié)點(diǎn)推薦合適的電源模塊,。
發(fā)展中國家正朝向高水平的工業(yè)自動化邁進(jìn),,以高靈活性和低成本實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出。同樣地,,數(shù)據(jù)中心,、配送倉庫和基礎(chǔ)設(shè)施的目標(biāo)是在幾乎沒有人工的情況下「關(guān)燈」運(yùn)作 (無人工廠) 以減少人工費(fèi)用,。「工業(yè) 4.0」或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 是其中不可或缺的一環(huán),,將智能推至流程的「邊緣」,,靠近需要監(jiān)控和控制的位置來加快反應(yīng)時間,因此在監(jiān)控和傳感器與中央控制之間需要一個通信網(wǎng)絡(luò),。這可能是通過「云端」,,經(jīng)由收集和分析數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)套進(jìn)控制算法來優(yōu)化所謂的智能工廠的流程,。
智能工廠的好處有很多,,不但可以實(shí)現(xiàn)低成本的產(chǎn)品和服務(wù)還能大幅減少能源消耗。但如果出現(xiàn)問題該怎么辦,?我們在這里不是在談?wù)摗笝C(jī)器的崛起」,,只是在談一個簡單的機(jī)械損壞,或因?yàn)樵馐苡钪嫔渚€干擾而導(dǎo)致處理器虛假故障,,又或者無數(shù)種原因所造成的「偶然故障」,。全球大部分電力基礎(chǔ)設(shè)施的使用年限超過 25 年,因此不斷升高的故障率令人擔(dān)憂,?;诖耍到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供關(guān)鍵器件所需的冗余以應(yīng)付單一或雙重故障,,根據(jù)不同的應(yīng)用選擇大余量器件來實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行,。然而,「磨損」是機(jī)械部件甚至電子產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí),,電容器會變干老化,、浪涌限制器會受損,而半導(dǎo)體會隨著時間產(chǎn)生晶格缺陷,。
必須持續(xù)維護(hù)
我們可以等待故障發(fā)生之后從源頭解決問題,,采取「如果沒壞就別修」的態(tài)度,但是故障很少只在方便的時候才發(fā)生,。 這種「矯正」維護(hù)對非關(guān)鍵功能是一種很有吸引力的方法,,例如照明燈具組有一個 LED 熔斷,或者就如我們之前多重冗余系統(tǒng)的例子,,系統(tǒng)不會受到單一故障的影響,。當(dāng)然這個前提是您必須知道故障發(fā)生了,因此監(jiān)控是關(guān)鍵,。無時無刻都要確保充足的零件庫存和人力,,也必須隨時待命「以防萬一」。
大多數(shù)的流程為了更好地保持生產(chǎn)量依靠定期的「預(yù)防性」維護(hù)和檢查。簡單的機(jī)械系統(tǒng)要定期更換過濾器和機(jī)油,、檢查軸承或調(diào)整間隙等,。在電子產(chǎn)品方面,可能會更換正常運(yùn)作但老舊的保險絲,、避雷器和電解電容器,。決定何時采取行動并不容易,太晚執(zhí)行可能導(dǎo)致破壞性故障,,太早更換可能將好的零件丟棄造成不必要的工作和成本浪費(fèi),。因此時間安排是一個挑戰(zhàn),根據(jù)使用時間,、使用情況或只是靠直覺和經(jīng)驗(yàn)來安排工作,。高可用性系統(tǒng)通常會進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析 (FMECA),,在科學(xué)的基礎(chǔ)上預(yù)測故障頻率及影響,。這樣可以盡可能減少零件庫存并在適當(dāng)?shù)臅r間安排維護(hù)工作。
以狀態(tài)為基礎(chǔ)的維護(hù)是理想的做法
面對大型又復(fù)雜的流程時很難準(zhǔn)確設(shè)定預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃,,因此替代方案是狀態(tài)維護(hù)(CBM),。根據(jù)量測后的剩余使用壽命來進(jìn)行更換或調(diào)整才是理想的方式。這包含了解零件的當(dāng)前狀況,,雖然它仍表現(xiàn)良好但已經(jīng)開始進(jìn)入「磨損」階段,。例如,今天機(jī)油濾清器可能有足夠的潤滑油流量,,但損失 10% 的過濾效果,,但如果您知道損失 50% 是不可以的并且還要 10 周才會達(dá)到這個狀態(tài),那么您可以安排在 8 周后更換,。同樣地,,實(shí)時分析電機(jī)或機(jī)器振動特征的變化就可以推算軸承何時會發(fā)生故障。
性能變化和趨勢能通過偵測獲得參數(shù),,例如液位變化、振動特征,、非接觸式溫度測量的紅外熱成像,、油混濁度、電源設(shè)備的電流和電壓特征,、超聲波泄漏檢測,、電弧和電暈的臭氧傳感器 等。如果在現(xiàn)有的系統(tǒng)上實(shí)施 CBM,,增加這種級別的密集監(jiān)測的成本在短期看來可能令人卻步,,但長期下來的節(jié)省是非常明確的。幸運(yùn)的是,,實(shí)施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的排程和優(yōu)化也會產(chǎn)出數(shù)據(jù)給 CBM 分析,。CBM 所需的任何傳感器特定功能都相對容易連接到在現(xiàn)有流程邊緣的處理器節(jié)點(diǎn),。CBM 數(shù)據(jù)在本質(zhì)上變化緩慢,而且增加到IIoT計(jì)算和通信的要求小到可以忽略不計(jì),,無論是有線或無線,。維護(hù)制度的不同如圖 1 所示。
圖 1:維護(hù)制度對過程性能和可靠性的影響
CBM 需要為傳感器提供可靠的電源
IIoT 節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)有遠(yuǎn)程傳感器及數(shù)據(jù)接口所需的電源,,可能來自有線直流電源,、車載電池、本地能量收集器或 AC/DC 轉(zhuǎn)換器,。傳感器,、IIoT 節(jié)點(diǎn)及電源所處的環(huán)境可能惡劣且多變,每當(dāng)重型機(jī)械啟動或停止時都會出現(xiàn)高電涌,,因此需要對直流和交流電源進(jìn)行隔離,。此外,當(dāng)過程本身退化,,比如有更高的溫度和振動水平,,此時監(jiān)控功能必須繼續(xù)可靠工作,因?yàn)槿绻?CBM 本身需要定期維護(hù)或使用壽命很有限,,那就毫無意義了,。因此CBM的穩(wěn)定性至關(guān)重要,尤其電源轉(zhuǎn)換器必須有高效率,、低能耗低和低熱應(yīng)力才不會縮短使用壽命,。
RECOM 的 RxxCT(E)xx 系列是一款具有高環(huán)境溫度額定值(最高 140°C)的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器, 5V標(biāo)稱輸入轉(zhuǎn)5V 或 3.3V 輸出,,功率為 0.5W 或 1W,,全在一個薄型 SOIC-16 封裝中實(shí)現(xiàn)。輸出電壓與有源傳感器和微控制器或數(shù)據(jù)分析的 DSP 前端兼容,。隔離式 CANBusTM,、MODBus TM 或 PROFIBusTM 接口電源提供 5kVac 增強(qiáng)隔離,應(yīng)用要求不高時也可以選擇基本隔離3kVDC的版本,。
如果可用電源變化很大,,例如為電池充電的太陽能,則需要穩(wěn)壓直流輸出,。簡單的線性穩(wěn)壓器的效率太低會很快耗盡電池電量,。在這種情況下,RECOM 的 R-78Exx-1.0 是理想的開關(guān)穩(wěn)壓器模塊,,在戶外的太陽能應(yīng)用中效率高達(dá) 97% 也適合用來監(jiān)測移動設(shè)備,,例如鐵路車軸軸承。
使用本地 AC 電源的節(jié)點(diǎn)電源的解決方案通常選擇小型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器,有時可達(dá)277VAC,。這些可以與即將推出的 IO-Link 工業(yè)傳感器系統(tǒng)結(jié)合使用,,這是一種使用標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器的數(shù)字雙向串行接口。該系統(tǒng)需要 24V且每個節(jié)點(diǎn)最大負(fù)載為 410mA,,因此RECOM 的RAC10,、RAC20 和 RACM40 系列的板載 AC/DC 轉(zhuǎn)換器符合四個 IO-Link 端口的 40W 要求。較低功率的 RAC03 系列還能用在無線連接過程控制器,,可以遠(yuǎn)程控制過程并在溫度超規(guī)時發(fā)出信號,。
圖 2 所示的例子在完成制造后的體積僅 40x25x25mm。過程反饋不僅限于溫度,;噪聲,、流體流量或氣體傳感器可以很容易地結(jié)合在一起。
圖 2:小型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器為傳感器,、微控制器和雙向無線電路供電
氣體泄漏,、噪聲和 IR 溫度傳感器一般是安裝在天花板上,照明電路提供合適的交流電源 115V,、230V 或 277VAC,,即480V 三相系統(tǒng)中的相電壓。使用遠(yuǎn)程 LPWAN 無線電(LoRa,、sigfox,、KNX-RF 等)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)(5G、NB-IoT,、GSM 等)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。由于功率要求通常較低,因此RECOM的通用輸入,、5W板載 RAC05-K/277 是一個不錯的選擇,。
為了達(dá)到自治的目標(biāo),一些傳感器節(jié)點(diǎn)可以由收集能源供電,,這有可能是太陽能也可能是聲學(xué),、射頻、振動或溫度梯度,。電壓源可能非常低因此需要高效的電源轉(zhuǎn)換以升壓至適合傳感器和處理器的電壓,。RECOM REH-3-31.8 模塊專為這項(xiàng)工作而設(shè)計(jì),可在低至 50mV 的輸入電壓下運(yùn)行同時實(shí)現(xiàn)3.3V/1.8V 雙輸出,。該部件包括光伏電池的最大功率點(diǎn) (MPP) 追蹤功能,并可與電池或超級電容器耦合以進(jìn)行能量存儲,。
狀態(tài)監(jiān)控是一個以最低成本保持過程可用性的理想方式,,同時容易與 IIoT 結(jié)合在一起。可靠且經(jīng)濟(jì)的電源轉(zhuǎn)換是 CBM 的重要元素,,RECOM 提供的各種產(chǎn)品組合能滿足應(yīng)用的所有要求,。