用于设备预测性维护的传感测量技术

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用于设备预测性维护的传感测量技术

一、背景

现如今，随着工业物联网（IIOT）地愈演愈热，企业将致力于利用工业制造领域的进步技术，并采取更大胆的措施来提高增长和运营效率。制造商正在寻求解决将所有生产系统（OT和IT数据、BI、质量管理和生产流程）整合到单一设局模型中的复杂问题，因为他们知道那些成功管理它的人可以在这个过程中击败竞争对手。因此，在接下来几年内物联网设备和服务的采用率将会快速增长。

图1工业物联网

预防性维护服务几乎是所有最近和即将召开的国际工业4.0会议的热门主题。采用现代技术进行机器健康状态监测可以帮助维护团队增加生产时间，制定更高效的备件管理策略，以进行定期的预防性维护。MangoTree机器健康监测技术可帮助工厂工程师将关键设备的数据共享给领域专家，以便他们进行机器振动分析，同时还可将这些数据连接到企业IT系统，以推动数字化转型，实现工业物联网I(IoT)或工业4.0。MangoTree资产状态监测解决方案还具有开放性和可定制性，可让您针对工厂的特定需求开展现代化的预测性维护和流程优化。

二、概览

状态监测系统可用于确定机械设备在运行过程中的状态，帮助用户实时了解与分析被监测设备的健康状态，从而实现一些常见故障的预判。一般地，我们针对不同设备进行故障分析，确定其故障模式，再根据被监测设备的特定组件确定所需传感器类型，最后对传感器获取的数据进行处理分析，来判断组件是否存在异常以及是否会出现相应的故障。

三、用于状态监测应用的测量技术和传感器

用于探测设备组件变化的传感器多种多样。其中振动传感器是监测旋转机械最常用的传感器。振动传感器的特点在于能够在故障发生前两个月左右感测到设备组件的机械性能退化（图2）。

图2机械组件的性能退化

其它设备状态监测感测技术包括电机电流、机油分析、热成像、动态压力以及速度等工作状态传感器（图3）。

图3状态监测传感技术

表1列出了用于状态监测的传感器类型及其一些信号调理需求。

测量	传感器	频率范围	可能的信号调理需求
振动	加速度计	>100Hz	IEPE、交流/直流耦合、±24V输入或交流耦合、抗混叠滤波器
振动	速度	>20Hzto<2kHz	IEPE、交流/直流耦合、±24V输入或交流耦合、抗混叠滤波器
电机电流	电流分流器 电流钳	高达50kHz	±333mV​或​±5V
温度	RTD 热电偶	高达10Hz	噪声​抑制、​激励、​冷​端​补偿
温度	红外​线​相机	每秒​多帧	基于​以太​网​的​GigEVision​连接
机油质量 油珠粒径	黏度、污染、微粒	高达​10Hz	mA​电流​输入、±10V​输入、50/60Hz​噪声​抑制

表1.测量、传感器、频率、信号调理

图4为不同传感器对应的故障模式示例。

图4传感器对应故障图解

上述各种传感器可用于监测旋转机械设备内部机械和电子部件的健康状态。

-振动传感器用于检测滚子轴承的磨损、齿轮箱的磨损、轴倾斜、失衡和机械松动。

-速度传感器与振动传感器结合可将振动与转速和轴角位置相关联。

-电动电流传感器通常安装在电机控制中心，这些传感器可用于检测转子偏心、绕组松动、转子条退化和电力供应不平衡。

-温度传感器通常用于感测摩擦引起的热量，它们经常与振动传感器搭配使用

结合振动情况来探测健康退化。

-热成像可检测相机视场范围内的数百个温度点。

-超声波传感器可以检测电气问题，包括电晕、电弧和漏电痕迹。它们也可以用于检测滚子轴承磨损的早期迹象。

设备的故障类型及所需传感器确定之后，需要选择将传感器数字化的测量硬件。测量硬件的选择依据包括：传感器特性、频率范围、电压范围和信号调理需求等。

根据测量频率范围的不同，有静态传感器和动态传感器两种。动态传感器可测的频率更宽，一般为1Hz或2Hz至15kHz或20kHz，超声波传感器的频率范围最高可达100kHz或以上。静态传感器可测的频率为1Hz到10Hz或20Hz。

电压范围和信号调理需求是传感器的另外两个特性。不同传感器生成电压不同，有的只有几毫伏，有的能够高达30V。还有些传感器需要IEPE激励或冷端补偿。

四、选择正确的硬件来支持感测需求

基于MangoTreeRobustRIO实施控制平台，并搭配通用的动态输入模块MTE741，您可以轻松搭建一套状态监测系统。

分辨率	24位Δ-ΣADC
电压范围	±5V
总通道	4通道同步
最大采样率	128kS/s/通道
IEPE激励电流	2mA, 24V兼容
接口类型	BNC接口
隔离	60VrmsCATII通道接地隔离

表2.MTE741测量模块特性

RobustRIO实施控制平台的设备节点可通过使用多个MTE741模块在单个机箱中实现多达60个通道。图5所示的RobustRIO实施控制平台搭配了15个MTE741模块。

图5配有15个MTE741模块的RobustRIO

许多静态测量可以使用0V~10V输出或4mA~20mA输出传感器实现。这些输出范围适用于常见的控制系统。这些“处理”传感器输出对于石油和天然气、化学处理和发电等工业过程应用来说是非常普遍的。MTE710模块提供八个±10V差分输入，MTE712模块提供4个±25mA输入，电压和毫安输入模块为包含各种处理传感器的RobustRIO监测系统提供了输入，包括表1中列出的传感器。表3列出了一些RobustRIO适用的模块。

动态加速度、速度、声音模块
MTE740	4通道，16bit，±5V，200kS/s/ch，同步
MTE741	4通道，24bit，±5V，128kS/s/ch，同步

静态电压、电流
MTE710	8通道差分输入，16bit，±10V/±5V，200kS/s/ch，同步
MTE711	16通道差分输入，16bit，±10V/±5V，200kS/s/ch，同步
MTE712	4通道，16bit，±25mA，180kS/s/ch，同步

温度
MTE720	8通道热电偶，B/E/J/K/N/R/S/T
MTE721	8通道热电阻，PT100/PT1000
MTE722	16通道热电偶，B/E/J/K/N/R/S/T

数字输入
MTE761	32通道漏极数字输入（触点闭合）
MTE762	32通道漏源极数字输入（触点闭合）

表3.RobustRIO适用的MT测量模块

表3中列出的其他模块包括热电偶模块、RTD模块、隔离电压输入模块和触点闭合监测模块。热电偶模块提供冷端补偿和可选的噪声抑制。RTD模块提供传感器激励和可选的噪声抑制。数字输入模块可监测机器或过程控制中的触点闭合。

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