作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-30

監(jiān)控機器的振動和溫度等參數(shù)可以提供有關(guān)機器性能和運行狀況的實時數(shù)據(jù)，并為制造商提供安排主動維護、減少停機時間和提高生產(chǎn)率所需的數(shù)據(jù)。

物流設施或運輸過程中的濕度和溫度監(jiān)測可以提高運營績效并保存疫苗或新鮮農(nóng)產(chǎn)品等商品。具有有線和無線連接的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可滿足各種應用，包括企業(yè)和云數(shù)據(jù)中心。

監(jiān)測振動有助于在潛在的機器問題發(fā)生之前識別它們。國際標準化組織 (ISO) 10816 可以作為重要參考。它為評估用于泵、風扇、壓縮機、變速箱、鼓風機、干燥機、壓力機以及在 10 至 1000 Hz 頻率范圍內(nèi)運行的類似機器的電機的振動嚴重程度提供了指導。

本文介紹了在監(jiān)控系統(tǒng)的有線和無線連接之間進行選擇的一些關(guān)鍵注意事項，以及如何使用有線和無線網(wǎng)絡不是非此即彼的選擇。然后，它檢查了 ISO 10816 中定義的四類振動嚴重程度。最后討論了實現(xiàn)有線和無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的各種選項，包括使用多個傳感器來監(jiān)測振動、溫度、濕度和代表性應用。

[Banner Engineering提供多種][設備健康監(jiān)控]EHM 網(wǎng)關(guān)選擇，可輕松訪問 EHM 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。工業(yè) EHM 設計人員可以選擇該公司的[SNAP ID]有線網(wǎng)關(guān)解決方案（帶有用于傳感器讀數(shù)的本地顯示屏或可選的云儀表板）以及旨在直接與云儀表板連接的[CLOUD ID]無線網(wǎng)關(guān)（圖 1）。這兩種選擇的共同特點包括：

• 一系列傳感器可供選擇以優(yōu)化 EHM 操作
• 自動識別連接的傳感器支持快速部署，無需額外編程
• 傳感器數(shù)據(jù)可隨時用于調(diào)整設備或安排所需的維護，以最大限度地減少停機時間并最大限度地提高生產(chǎn)率
• 兩個系統(tǒng)均支持云連接
• 預配置的儀表板可用并可定制，以實現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)可視化

圖 1：Banner 的 SNAP ID 有線（左）和 CLOUD ID 無線（右）EHM 網(wǎng)關(guān)有幾個共同的功能。 （圖片來源：DigiKey）

有線還是無線 EHM 網(wǎng)關(guān)？

雖然有線和無線 EHM 網(wǎng)關(guān)具有一些共同的功能，但它們之間存在本質(zhì)區(qū)別。 AMG [-SNAP-ID]資產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)關(guān) (AMG) 支持最多 20 個傳感器和轉(zhuǎn)換器的調(diào)試、監(jiān)控和警報。它支持 Modbus 和 Banner 的 SNAP SIGNAL 連接并掃描單個傳感器或轉(zhuǎn)換器，自動檢測型號信息。用戶可以更改和分配 Modbus 服務器 ID 號，以構(gòu)建和調(diào)試自定義 EHM 解決方案。連接的設備可以分組，警報可以單獨分配閾值。通過觸摸屏和外殼頂部指示燈的顏色可以看到警報狀態(tài)。

當需要直接連接到云端時，EHM 系統(tǒng)設計人員可以使用[DXM1200-X2] IIoT 網(wǎng)關(guān)來連接來自 Banner 和第三方的多達 200 個設備，以提供性能和機器運行狀況數(shù)據(jù)。它可以自動檢測并連接傳感器節(jié)點，并將數(shù)據(jù)傳送到Banner Cloud軟件。開發(fā)人員可以選擇簡單或復雜的編程工具。 IIoT 網(wǎng)關(guān)可以在邊緣處理信息，然后通過以太網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡發(fā)送信息，以便通過直觀的云儀表板在世界任何地方進行監(jiān)控。

有線和無線 EHM 架構(gòu)

有線和無線 EHM 架構(gòu)并不相互排斥。有線系統(tǒng)可以具有無線元件，無線架構(gòu)通常包括有線連接。

例如，基本的有線 EHM 架構(gòu)可以包括連接到多個傳感器的多個接線盒，例如 4 端口[R50-4M125-M125Q-P]和 8 端口[R95-8M125-M125Q-P]。 Banner 的 Sure Cross R70SR 串行數(shù)據(jù)無線電（如 900 MHz [R70SR9MQ]和 2.4 GHz [R70SR2MQ]）無需額外布線即可擴展網(wǎng)絡范圍。這些無線電的特點包括（圖 3）：

• RS-485串行接口
• 支持星形和樹形網(wǎng)絡拓撲
• 支持多跳自愈、自動路由射頻網(wǎng)絡，進一步擴展網(wǎng)絡范圍
• 跳頻擴頻 (FHSS) 技術(shù)可實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸

圖 3：基本有線資產(chǎn)監(jiān)控拓撲（左）和無線連接遠程傳感器集群示例（右）。 （圖片來源：DigiKey）

在大型設施中，許多系統(tǒng)可以分布在廣闊的區(qū)域，包括：

• 空氣壓縮機
• 泵送系統(tǒng)
• 輸送系統(tǒng)
• 大量的電動機和機器
• 變速箱
• 空氣過濾系統(tǒng)
• 儲罐中的液位測量和監(jiān)控

在這些情況下，可以通過結(jié)合有線和無線技術(shù)來提高 EHM 系統(tǒng)性能。上述 DXM1200-X2 無線 IIoT 網(wǎng)關(guān)包括 Modbus 有線連接。如果需要以太網(wǎng)，設計人員可以轉(zhuǎn)向[DXMR90-X1]。 DXMR90-4K [可以]實現(xiàn) IO-Link 主站/控制器功能。除了選擇 Modbus、以太網(wǎng)和 IO-Link 之外，設計人員還可以使用 R709 串行數(shù)據(jù)無線電為物理上分散的資產(chǎn)提供無線連接。

ISO 10816 振動嚴重程度

ISO 10816 是 EHM 系統(tǒng)的重要標準。它量化了電動機、泵和發(fā)電機等機器的振動嚴重程度。該標準使用加速度、位移或振動速度的均方根 (rms) 值。 ISO 10816 還包括峰峰值的考慮因素。當測量兩個或多個參數(shù)時，振動嚴重程度具有最高的有效值。該標準將振動嚴重程度分為四個級別：

• 良好通常表示新調(diào)試的機器。
• 令人滿意的振動表明操作區(qū)域不受限制。
• 不滿意的振動表明需要限制操作并安排預防性維護。
• 不可接受的振動表明機器可能損壞。

圖 5：IEC 10816 包括四個振動嚴重程度類別。 （圖片來源：邦納工程）

振動和機器學習

即使是“相同”的機器也不是精確的復制品。這就是機器學習 (ML) 的用武之地。Banner Engineering 提供 VIBE-IQ，這是一種振動監(jiān)控軟件包，它使用機器學習 (ML) 為每臺機器的振動建立獨特的基線操作值。然后，機器學習軟件會自動設置警告和警報閾值。它可以自動執(zhí)行復雜的 EHM 計算和分析。 VIBE-IQ 的一些功能包括：

• 持續(xù)監(jiān)測 10 至 1,000 Hz 的均方根速度、1,000 至 4,000 Hz 的均方根高頻加速度以及溫度
• 僅監(jiān)控正在運行的電機
• 使用數(shù)據(jù)進行趨勢分析以及實時監(jiān)控來識別以下情況：
  • 系統(tǒng)錯位或不平衡
  • 部件磨損或松動
  • 軸承過度磨損
  • 電機安裝或驅(qū)動不當
  • 過溫條件
• 主動向主機控制器或云端發(fā)送警報

振動和溫度

振動并不是機器可能需要預防性維護的唯一線索。溫度上升趨勢還可以向 EHM 系統(tǒng)發(fā)出潛在問題的警報，特別是當溫度上升與振動增加相關(guān)時。

結(jié)合這兩個參數(shù)可以更全面地了解設備的狀況。它們可以提醒操作員注意不同的情況，并提供多種好處：

• 振動可以識別機械問題，例如不對中、不平衡、軸承磨損等。
• 溫度升高可以識別電氣問題，例如繞組過熱或潤滑問題。
• 當檢測到異常操作時，將帶外振動和溫度關(guān)聯(lián)起來可以幫助識別可能的原因。例如，振動模式可以幫助識別根本原因。
• 通過監(jiān)測溫度和振動可以幫助規(guī)劃預防性維護。溫度逐漸升高并不一定像振動增加那樣造成問題，需要立即進行糾正。
• 了解如何使用傳感器數(shù)據(jù)來改進長期資產(chǎn)選擇和利用，以在潛在的運營限制成為問題之前識別它們。

當需要監(jiān)控溫度和振動時，EHM 系統(tǒng)設計人員可以使用鋁制外殼中的[QM30VT2]傳感器或不銹鋼外殼中的[QM30VT2-SS-QP]，兩者均來自 Banner Engineering。兩個傳感器都可以通過 RS-485 作為從設備連接到 Modbus 無線電或任何 Modbus 網(wǎng)絡。它們外形小巧，能夠安裝在狹窄的位置。其他功能包括：

• 高精度溫度和振動測量
• 溫度測量范圍為-40°C至+105°C，分辨率為1°C，精度為±3°C
• 檢測帶寬高達 4 kHz 的雙軸振動，25°C 時精度為 ±10%，默認采樣頻率為 20 kHz
• 輸出均方根速度、均方根高頻加速度、峰值速度以及根據(jù)振動波形預處理的其他參數(shù)

振動譜帶是一項先進的功能。除了 10 至 1,000 Hz 和 1,000 至 4,000 Hz 標量數(shù)據(jù)之外，它還允許用戶分割寬帶快速傅立葉變換 (FFT)，以獲得較窄頻帶的均方根速度或加速度數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶的需要，頻段可以手動輸入，也可以根據(jù)動態(tài)或靜態(tài)速度輸入自動生成。譜帶分析可以幫助更具體地診斷旋轉(zhuǎn)機器的問題。

溫度和濕度

監(jiān)測溫度和濕度對于數(shù)據(jù)中心、倉庫、潔凈室、冰箱或冷水機組非常重要。[DX80N9Q45THA]等溫度和濕度傳感器可以幫助：

• 保存新鮮農(nóng)產(chǎn)品或疫苗等商品，了解溫度和濕度對于長期生存和防止腐敗至關(guān)重要
• 保護數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務器和存儲設備等設備，因為過高的溫度或濕度會干擾正常運行或?qū)е鹿收?/li>
• 提高倉庫和其他設施中人員的健康和安全，因為高濕度會使工人難以在高溫下保持涼爽，可能導致中暑

溫度測量范圍為-40°C至+85°C，分辨率為0.1°C，-40°C至0°C精度為±0.6°C，0°C至+60°精度為±0.4°C C，從 +60°C 到 +85°C ±1.2°C。濕度傳感器可測量 0% 至 100% RH，+25°C 時精度為 ±2%，0°C 至 +70°C 時精度為 ±3%，10% 至 90% RH 時精度為 ±7%。 0°C 至 +70°C 和 0% 至 10% 或 90% 至 100% 相對濕度。

當設備打開時，它以快速采樣模式運行，每兩秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)。五分鐘后，節(jié)點進入默認模式，每隔五分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)。用戶可選擇 15 分鐘或 64 秒的采樣率。

具有 900 MHz 無線電的型號以 1 W (30 dBm) 或 250 mW（24 dB 用戶可選）傳輸。 250 mW 模式會縮短短距離應用的范圍，但會延長電池壽命。對于 2.4 GHz 型號，發(fā)射功率固定為約 65 mW (18 dBm)。在存儲模式下運行時，無線電將關(guān)閉以節(jié)省電池壽命。

結(jié)論

工業(yè) 4.0 工廠中有效的 EHM 系統(tǒng)可監(jiān)控振動和溫度，以幫助確保高水平的正常運行時間。濕度和溫度傳感器還可以提高數(shù)據(jù)中心的運營性能，并在倉庫和物流運營中保存疫苗或新鮮農(nóng)產(chǎn)品等商品。這些系統(tǒng)可以使用有線或無線連接來監(jiān)測多個參數(shù)。

審核編輯 黃宇