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如何构建首个预见性维护原型?

KamillaAliakhmet
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什么是预见性维护?

预见性维护 (PdM) 是一种常见的工业技术,用于识别与高价工业资产相关的潜在故障 - 包括泵、压缩机和电动机。它专门使用与设备状态相关的实时数据来显著降低故障率。这样可以大幅降低因停机造成的成本,充分延长设备使用寿命,确保整体系统可靠性。

另一方面,预见性维护涉及到开展定期检查,而这一检查与是否有故障无关。随着预见性维护的频率上升,工厂面临因长时间停工造成的成本增加问题以及高昂的维护成本。然而,随着无损测试技术和预见性建模算法的出现,准确预测需要维护的时间,而不是开展定期检查,成为一种更为可行的方法。

通过专用传感器连续监控设备状态的做法常被称为状态监测 (CM),这也是预见性维护的重要组成部分。传感器连接至被测设备,而收集到的数据经分析用于识别任何异常状况。

SensorTile 无线工业节点

如果自己构建工业 IoT 应用看起来是一项不可能的任务,那么 SensorTile 无线工业节点 (STEVAL-STWINKT1) (193-9794) 也许会适合您。

STEVAL-STWINKT1 是一款用于工业 IoT 设计的快速原型设计套件,然而它特别适用于预见性维护和状态监测应用。板载嵌入式传感器可实时测量并处理各类状态参数。STEVAL-STWINKT1 套件包含 STWIN 核心板、保护性塑料外壳、480mAh 锂聚合物电池、用于编程/调试的 STLINK-V3 Mini 以及编程电缆。

STWIN 核心板可采用几种不同的方法供电。除了通过 BATT 连接器接到锂聚合物电池以外,还可使用 J5 和 micro-USB 连接器提供 5V 电压。传感器收集的数据也可通过 micro-USB 连接器传输至计算机。

STEVAL-STWINKT1 随附 STLINK-V3 Mini (196-1915) ,这是一款用于调试和编程的独立探针,可通过 STWIN 核心板上的 1.27mm 间距 STDC14 连接器和随附的编程电缆连接。

STEVAL-STWINKT1 框图

STWIN 板上装满了用于感应、处理、连接和安全功能的组件,组成了一种高级工业 IoT 解决方案。下面,我们将分别探讨它们的功能。

感应

振动分析是用于识别机器失调和失衡等故障的常见状态监测方法。实际上,当观察收集信号的频域响应时,每一种故障都有特定的范围。低频率范围的故障通常是失衡、失调和机械松动,而轴承问题和变速箱故障则出现在中频和高频范围。

STEVAL-STWINKT1 采用各类工业级 MEMS 传感器,这些传感器均符合 STMicrolelectronics 10 年质保计划条件。这些传感器经测试可耐受恶劣的工作条件(高达 105°C),并具备工业应用所需的高品质性能。

STEVAL-STWINKT1 套件包含运动传感器,即 3D 数字振动传感器 (IIS3DWB) 和超低功率高性能 MEMS 运动传感器 (IIS2DH)。它们非常适合低频至中频的工业振动监控。核心板还采用带机器学习内核、有限状态机等高级功能的 6D iNEMO™ 惯性模块 (ISM330DHCX),可实施智能传感器节点。这些功能对于通信带宽有限,需要在传感器节点中处理传感器数据的应用非常实用。最后还有两对麦克风,即宽带模拟 MEMS 麦克风 (MP23ABS1) 和工业级数字 MEMS 麦克风 (IMP34DT05),它们专用于声音和惯性振动分析,适用于高频故障。

STWIN 核心板装有相对湿度和温度传感器 (HTS221)、数字绝对压力传感器 (LPS22HH) 和低电压数字局部温度传感器 (STTS751)。另外请注意,该板还能选择精确度更高的温度传感器 STTS22H。这些环境传感器以及超低功率三轴磁力计 (IIS2MDC) 均通过 I2C 与核心板进行通信。

处理和安全

STWIN 核心系统板的处理单元为 STM32L4R9ZI (175-0791) 超低功率微控制器,它基于超低功率 Arm Cortex-M4 32 位 RISC 内核,工作速度高达 120 Mhz,并且包含 640 Kb SRAM 和 2 MB 闪存。Cortex-M4 内核的主要特征有单精度浮点运算单元 (FPU)、数字信号处理 (DSP) 和存储保护 (MPU) 单元。

在安全方面,该板采用 STSAFE-A100 安全元件进行验证和数据管理。

连接

STWIN 核心板采用蓝牙低能耗应用处理器模块 (SPBTLE-1S) 提供无线通信功能。该模块符合蓝牙规范 v4.2,并且形状规格小 (11.5 x 13.5 x 2.0 mm)。SPBTLE-1S 模块结合了无线电、嵌入式陶瓷天线和高频振荡器,提供完整的射频平台。凭借 BLE 连接功能,您可在 STBLESensor 手机应用程序的仪表盘上监控并记录传感器数据。此外请注意,新版本的蓝牙低能耗模块 BlueNRG-M2 现已上市,可用来开发用于工业应用的定制板。BlueNRG-M2 模块支持蓝牙 v5.0,并完全兼容 STEVAL-STWINKT1 自带的软件包。

另外,有线连接可通过板载的 RS 485 低功率差分线路收发器实现。

扩展模块

此外还可以通过现有的板载接口和传感器扩展连接器分别连接 Wi-Fi 适配器 (STEVAL-STWINWFV1) (193-9796) 和麦克风阵列 (STEVAL-STWINMAV1) (193-9795) 扩展板,从而进一步扩展应用功能。

STEVAL-STWINWFV1 扩展件为 STEVAL-STWINKT1 套件带来 2.4Ghz WiFi 连接功能。此连接解决方案的用途之一是通过基于网络的仪表盘实时监控设备状态。事实上,STSW-STWINKT01 固件包和 FP-IND-PREDMNT1 预见性维护功能包包含 Wi-Fi 和 BLE 连接的示例应用,适合新手入门。

此外还可通过 STEVAL-STWINMAV1 模拟麦克风阵列扩展板向 STEVAL-STWINKT1 套件添加高级音频功能。该扩展板的真正核心是 4x MP23ABS1 高性能模拟 MEMS 麦克风。模拟麦克风的使用对于高频振动监控应用非常有用,当设备中的故障较为严重时会发出高频振动。

我们希望您能通过本文了解 STWIN SensorTile 无线工业节点 STEVAL-STWINKT1 (193-9794) 的功能和特点。

如需进一步了解 MEMS 设备,我们推荐您阅读 DesignSpark 上的这篇文章

 
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