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Im Jahr 1966 hatte die amerikanische Rockband Beach Boys mit „Good Vibrations“ einen ihrer größten Hits. In diesem Song geht es darum, dass ein Mann durch andere als seine normalen fünf Sinne wahrnehmen kann, ob es zwischen „ihm" und „ihr" funkt oder nicht. Der Songtexter behauptete, dass die Vibes (Vibrationen, Schwingungen), die er von dem Mädchen empfing, „gut“ waren und daher ihre Schicksale miteinander verschmelzen würden.

Schwingungen erfassen

Ich bin mir nicht sicher, wie man gute Schwingungen quasi übersinnlich wahrnehmen kann. Als Ingenieur bin ich mehr damit vertraut, Schwingungen mit meinen Sinnen oder wissenschaftlichen Instrumenten wahrzunehmen. In der Physik sind Vibrationen mechanische Schwingungen, die durch Frequenz, Amplitude, Phase und Form beschrieben werden können. Schwingungen ermöglichen die Übertragung von potenzieller (gespeicherter) Energie in kinetische (Bewegungs-) Energie. Analog Devices ist weltweit führend bei der Umsetzung von präzisen Signalketten in die Praxis. Einer der technischen Schwerpunkte des Unternehmens sind MEMS-Sensoren (d. h. mikroelektromechanische Trägheitssysteme). In diesem Beitrag geht es darum, wie Entwickler die Voyager 3-Plattform als Systemevaluierungslösung für eine MEMS-Beschleunigungsmesser-basierte Vibrationsüberwachung einsetzen können (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Evaluierungskit EV-CBM-VOYAGER3-1Z von Analog Devices ist eine Systemevaluierungslösung für eine drahtlose Signalkette für eine MEMS-Beschleunigungsmesser-basierte Vibrationsüberwachung. (Quelle: Analog Devices)

Zustandsorientierte Überwachung

Ingenieure und Techniker möchten über den Zustand von Industrieanlagen Bescheid wissen. Dieser Zustand kann sich von Motoren und Pumpen bis hin zu Lagern und Encodern erstrecken. Das Erfassen physikalischer Schwingungen und das Durchführen von Messungen ist eine wichtige Informationsquelle, um mechanische Geräusche von elektrischen Geräuschen zu trennen und die Maschinendiagnose zu verbessern. Die zustandsorientierte Überwachung (Condition-based monitoring, CbM) ermöglicht die frühzeitige Erkennung und Diagnose von Maschinen- und Systemanomalien in Echtzeit. Durch die Identifizierung und Isolierung dieser Probleme eröffnen sich Möglichkeiten zur Optimierung von Ersatzteilbeständen, zur Planung von Stillstandszeiten für geplante Wartungsarbeiten und zur Anpassung von Prozessen während der Betriebszeit mit dem Ziel, die Nutzungsdauer der Anlage zu verlängern. Diese Informationen über den Maschinenzustand ermöglichen eine höhere Produktivität, eine verbesserte Effizienz und eine Maximierung der Betriebszeit und beschleunigen somit den Weg zu Industrie 4.0.

Voyager 3: Drahtlose Vibrationsüberwachungs-Plattform

An dieser Stelle setzt die Systemlösung von Analog Devices an. Sie ermöglicht es Anwendern, schnell eine drahtlose Lösung für eine Maschine oder einen Prüfaufbau einzusetzen. Außerdem können Entwickler die MEMS-Sensortechnologie von ADI für die Schwingungsüberwachung und die SmartMESH-Technologie von ADI für industrielle drahtlose Netzwerke testen.

Diese Lösung kombiniert mechanische Anbauteile, Hardware, Firmware und PC-Software und ermöglicht so den schnellen Einsatz und die Bewertung einer dreiachsigen Vibrationsüberwachungslösung. Das Modul kann über einen ¼"-28 (M6-0,75) Bolzen direkt an einen Motor oder eine Vorrichtung angeschlossen werden. Es kann auch mit anderen Modulen im gleichen drahtlosen Mesh-Netzwerk kombiniert werden, um ein umfassenderes Bild mit mehreren Sensorknoten als Teil eines zustandsbasierten Überwachungssystems zu erhalten. Dies ermöglicht eine schnelle Evaluierung der Plattform.

Die Lösung im Überblick

Die Hardware-Signalkette für eine zustandsorientierte Vibrationsüberwachung besteht aus dem extrem rauscharmen 3-Achsen-MEMS-Beschleunigungssensor ADXL356 mit extrem geringem Stromverbrauch, der an der Basis des Moduls angebracht ist. Die Ausgänge des ADXL356 werden aufbereitet und mit drei stromsparenden 16-Bit-Daisy-Chain-ADCs vom Typ AD7685 in digitale Signale umgewandelt. Die ADC-Ausgänge werden gepuffert und im stromsparenden Mikrocontroller ADuCM4050 in den Frequenzbereich umgewandelt und von dort an den SmartMESH IP Mote (Mehrsprungknoten) gestreamt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Blick ins Innere der drahtlosen Vibrationsüberwachungs-Plattform (Quelle: Analog Devices)

Vom SmartMESH-Chip werden die Zeitbereichs- und FFT-Daten drahtlos an den SmartMESH-IP-Manager übertragen. Der Manager stellt eine Verbindung zu einem PC her und ermöglicht die Visualisierung und Speicherung der Daten. Die Daten werden als Zeitbereichs- und FFT-Rohdaten angezeigt.

Darüber hinaus sind zusammenfassende statistische Informationen über die zeitaggregierten Daten verfügbar. Der vollständige Python-Code der PC-seitigen GUI und die C-Firmware, die auf dem Modul implementiert ist, ermöglichen eine kundenspezifische Anpassung. Das Modul kann mechanisch montiert werden und bietet eine Messbandbreite von bis zu 1,5 kHz.

Fazit

Wenn Sie ein Entwickler sind, der sich mit zustandsorientierter Überwachung beschäftigt, könnte ein MEMS-basiertes Evaluierungskit zur drahtlosen Vibrationsüberwachung genau das Richtige für Sie sein, um die Anlagenüberwachung und Lösungsentwicklung zu beschleunigen. Die Voyager 3-Plattform von Analog Devices stellt sicher, dass alle erfassten Vibrationen wichtige Erkenntnisse liefern. Und diese Erkenntnisse können einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Betriebszeit und der Betriebseffizienz leisten und damit die Nutzungsdauer von Anlagen verlängern.