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Wie baue ich meinen ersten Prototyp zur vorausschauenden Wartung?

Was ist vorausschauende Wartung?

Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance, PdM) ist eine Technik, die häufig in der Industrie zum Einsatz kommt, wenn es darum geht, potenzielle Ausfälle teurer Anlagen (z. B. Pumpen, Kompressoren oder Motoren) vorherzusehen. Durch Echtzeitdaten zum Zustand der Geräte lässt sich die Wahrscheinlichkeit derartiger Ausfälle dabei erheblich reduzieren. Dazu kommt die Maximierung der Nutzungsdauer und eine größere Zuverlässigkeit des Systems, sodass insgesamt gewaltige Kosteneinsparungen zustande kommen.

Bei der vorbeugenden Wartung werden dagegen (unabhängig davon, ob Ausfälle auftreten oder nicht) geplante Inspektionen durchgeführt. Angesichts der zunehmenden Häufigkeit vorbeugender Wartungsarbeiten stehen Fabriken vor dem Problem, dass durch längeren Stillstand und größere Wartungsausgaben immer mehr Kosten entstehen. Mit der Einführung von zerstörungsfreien Prüftechnologien und Algorithmen für Prognosemodelle ist es jedoch nunmehr möglich, auch ohne geplante Inspektionen genau vorherzusagen, wann eine Wartung erforderlich ist.

Die ständige Überwachung des Gerätestatus über dedizierte Sensoren wird häufig als Zustandsüberwachung (Condition Monitoring, CM) bezeichnet und ist ein wichtiger Bestandteil der vorausschauenden Wartung. Die Sensoren werden an den zu untersuchenden Geräten angebracht, um durch Erfassung und Analyse der Daten Anomalien zu erkennen.

SensorTile Wireless Industrial Node

Wenn Ihnen der Aufbau einer eigenen industriellen IoT-Anwendung unmöglich erscheint, ist vielleicht der SensorTile Wireless Industrial Node (STEVAL-STWINKT1) (193-9794) das Richtige für Sie.

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Der STEVAL-STWINKT1 ist ein Set zum schnellen Prototyping für industrielle IoT-Designs, eignet sich aber ganz besonders für die vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung. Mit den integrierten Sensoren lassen sich zahlreiche Bedingungsparameter in Echtzeit messen und verarbeiten. Der STEVAL-STWINKT1 umfasst eine STWIN-Core-Platine, ein Schutzgehäuse aus Kunststoff, einen Li-Po-Akku mit 480 mAh, einen STLINK-V3 Mini für die Programmierung und Fehlerbehebung sowie ein Programmierkabel.

Die STWIN-Core-Platine lässt sich auf verschiedene Weise mit Strom versorgen. Entweder Sie stellen über den BATT-Anschluss eine Verbindung zum Li-Po-Akku her oder Sie nutzen die 5-V-Spannung über den J5- und den Micro-USB-Anschluss. Mit letzterem können auch Daten an den PC übertragen werden.

Im Lieferumfang des STEVAL-STWINKT1 ist ein STLINK-V3 Mini (196-1915) enthalten. Auf diesen Standalone-Sensor für die Fehlerbehebung und Programmierung können Sie über den STDC14-Steckverbinder (1,27 mm Rastermaß) auf der STWIN-Core-Platine und das mitgelieferte Programmierkabel zugreifen.

Blockschaltbild des STEVAL-STWINKT1

Die STWIN-Platine ist vollgepackt mit Komponenten, die neue Möglichkeiten für die Sensorik, Datenverarbeitung, Konnektivität und Sicherheit in hochmodernen industriellen IoT-Lösungen eröffnen. In diesem Abschnitt sehen wir sie uns einzeln an und machen uns mit ihren Funktionen vertraut.

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Sensorik

Die Schwingungsanalyse ist eines der häufig verwendeten Zustandsüberwachungsverfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen wie z. B. Ausrichtungsfehler oder Unwuchten. Dabei lässt sich jeder Fehlertyp einem bestimmten Frequenzbereich des erfassten Antwortsignals zuordnen. Niedrige Frequenzen weisen in der Regel auf eine Unwucht, einen Ausrichtungsfehler oder eine mechanische Lockerung hin, während Lager- und Getriebefehler im mittleren und hohen Frequenzbereich zu verorten sind.

Der STEVAL-STWINKT1 verfügt über ein breites Spektrum an MEMS-Sensoren in Industriequalität mit der 10-jährigen Langlebigkeitsgarantie von STMicrolelectronics. Diese Sensoren werden auf ihre Widerstandsfähigkeit unter widrigen Betriebsbedingungen (bis zu 105 °C) getestet und legen die für Industrieanwendungen erforderliche hohe Qualität und Leistung an den Tag.

Die im Lieferumfang des STEVAL-STWINKT1 enthaltenen Bewegungssensoren, insbesondere der digitale 3D-Schwingungssensor (IIS3DWB) und der leistungsstarke MEMS-Bewegungssensor mit extrem niedrigem Energieverbrauch (IIS2DH), eignen sich ausgesprochen gut zur industriellen Schwingungsüberwachung bei niedrigen bis mittleren Frequenzen. Die Core-Platine wird darüber hinaus durch ein 6D iNEMO™-Trägheitsmodul (ISM330DHCX) unterstützt, das über technisch anspruchsvolle Funktionen wie einen lernfähigen Kern und einen endlichen Automaten verfügt und die Implementierung von intelligenten Sensorknoten ermöglicht. Dies ist sehr nützlich für Anwendungen, bei denen nur wenig Bandbreite für die Kommunikation zur Verfügung steht und die sensorischen Daten direkt am Sensorknoten verarbeitet werden müssen. Zu guter Letzt decken zwei eigens zur Analyse von Schall- und Trägheitsschwingungen ausgelegte Mikrofone Hochfrequenzfehler auf – ein analoges MEMS-Breitbandmikrofon (MP23ABS1) und ein industrietaugliches digitales MEMS-Mikrofon (IMP34DT05).

Die STWIN-Core-Platine ist mit einem Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur (HTS221), einem digitalen Absolutdrucksensor (LPS22HH) und einem digitalen Niederspannungssensor zur lokalen Temperaturmessung (STTS751) ausgestattet. Beachten Sie, dass mit dem STTS22H auch eine genauere Version des Temperatursensors verfügbar ist. Diese Umgebungssensoren kommunizieren ebenso wie das 3-Achsen-Magnetometer (IIS2MDC) mit extrem geringer Leistungsaufnahme über I2C mit der Core-MCU.

Verarbeitung und Sicherheit

Der Prozessor der STWIN-Core-Systemplatine ist ein Mikrocontroller STM32L4R9ZI  (175-0791) mit extrem niedriger Leistungsaufnahme und einem äußerst energiesparenden Arm Cortex-M4 32-Bit-RISC-Kern, Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 120 MHz, 640 KB SRAM und 2 MB Flash-Speicher. Zu den wichtigsten Merkmalen des Cortex-M4-Kerns gehören ein Fließkommaprozessor (Floating Point Unit, FPU) mit einfacher Präzision, digitale Signalverarbeitung (Digital Signal Processing, DSP) und ein Speicherschutzgerät (Memory Protection Unit, MPU).

Die Sicherheit der Platine wird durch das Secure Element STSAFE-A100 zur Authentifizierung und Datenverwaltung gewährleistet.

Anschlüsse

Die STWIN-Core-Platine verfügt über ein Anwendungsprozessormodul (SPBTLE-1S) mit Bluetooth Low Energy (BLE) zur drahtlosen Kommunikation. Es erfüllt die Spezifikationen für Bluetooth v4.2 und hat einen winzigen Formfaktor (11,5 x 13,5 x 2,0 mm). Das SPBTLE-1S-Modul kombiniert ein Funkgerät, die integrierte Keramikantenne und Hochfrequenzoszillatoren zu einer vollständigen HF-Plattform. Über BLE können Sie die Sensordaten auch auf dem Dashboard der Telefon-App STBLESensor überwachen und protokollieren. Hierbei ist zu beachten, dass derzeit die neuere Version des BLE-Moduls BlueNRG-M2 verfügbar ist, mit der Sie eine individuelle Platine für industrielle Anwendungen entwickeln können. Das Modul BlueNRG-M2 unterstützt Bluetooth v5.0 und ist vollständig mit den im Lieferumfang des STEVAL-STWINKT1 enthaltenen Softwarepaketen kompatibel.

Darüber hinaus kann mit dem energiesparenden Differential-Transceiver RS 485 eine kabelgebundene Verbindung hergestellt werden.

Erweiterungsmodule

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Über die auf der Platine vorhandenen Erweiterungssteckverbinder können Sie mit Erweiterungsplatinen für WLAN-Adapter (STEVAL-STWINWFV1)  (193-9796)  und Mikrofon-Arrays ( STEVAL-STWINMAV1 (193-9795) die Sensorik und Konnektivität Ihrer Anwendung ausbauen.

Die Erweiterung STEVAL-STWINWFV1 ergänzt das Set STEVAL-STWINKT1 durch 2,4-GHz-Konnektivität. Beispielsweise ermöglicht diese Konnektivitätslösung eine Überwachung des Gerätestatus in Echtzeit über das webbasierte Dashboard. Dementsprechend enthalten das Firmware-Paket STSW-STWINKT01 und das Funktionspaket für vorausschauende Wartung FP-IND-PREDMNT1 Beispielanwendungen für den Einstieg in die WLAN- und BLE-Konnektivität.

Die Audiofunktionen Ihres STEVAL-STWINKT1 können Sie mit der Erweiterungsplatine STEVAL-STWINMAV1 für analoge Mikrofon-Arrays ergänzen. Ihre Leistungsfähigkeit beruht auf 4 analogen MEMS-Hochleistungsmikrofonen MP23ABS1. Die Verwendung von analogen Mikrofonen ist besonders wichtig für die Überwachung von Hochfrequenzschwingungen, die durch schwerwiegende Gerätedefekte hervorgerufen werden.

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Wir hoffen, dass Ihnen dieser Artikel einen Eindruck vermittelt hat, was Sie beim Kauf des kabellosen STWIN SensorTile Wireless Industrial Node STEVAL-STWINKT1  (193-9794)  erwarten können.

Wenn Sie mehr über MEMS-Geräte erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen diesen Artikel von DesignSpark.

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