機械監測是一項眾所周知的工廠機械維護技術，它是工業物聯網 （IIoT） 或工業 4.0 計劃的主要組成部分。該計劃正在推動更高水平的自動化，包括提高生產作業和分布式信號處理中的數據交換水平。IIoT 的一個要素是擴展測量和記錄大量工作參數數據的能力，這些參數包括旋轉機械的振動水平和溫度。這樣就可以了解機器的當前狀態，并洞悉即將發生的故障機理，從而實現計劃性維護，而避免災難性故障。

　　IIoT 的“障礙”是需要在整個工廠車間或外部設施（例如石油鉆機或天然氣管道和儲存設施）的多臺機器上安裝和連接加速計、溫度和其他傳感器。

　　接線問題的解決方法是使用智能無線傳感器，收集并組合振動和溫度數據，而這些數據通過低功耗、大覆蓋范圍的廣域網鏈接至控制室或云。為基于邊緣的處理增加內置計算功能，有助于解讀所有數據并僅傳輸必要的數據，從而讓設計人員可以利用 IIoT 的全部優勢。

　　本文首先討論機器維護基礎知識，接著介紹來自 TE Connectivity Measurement Specialties 的無線加速計/溫度傳感器。然后說明如何選擇和應用這些器件。

　　為什么機器維護至關重要

　　工廠車間中的機器需要保持運轉，以確保不會出現中斷和成本高昂或災難性的停機。這就要求對關鍵機器進行主動或被動的維護和維修。尤其關注工業 4.0 的現代制造商往往會主動出擊，將關鍵路徑上的機器納入預防性維護計劃。這需要檢測、記錄數據和分析機器的關鍵參數，如振動水平和溫度，這些參數是機器當前運行狀態的關鍵指標。這就要求將所有機器相關數據發送至控制室、云或其他中心位置，以進行監測和分析。過去，這是通過在受監測機器與控制室之間布設電纜來實現。這種方法成本高昂，并且需要大量的維護工作。IIoT 的發展使機器到控制室的傳感器不再需要硬接線，取而代之的是網絡無線連接。

　　下面以一個傳統機器監測應用為例：一臺配備加速度計的典型機器。來自變送器的所有振動數據都會傳送至控制室，并分析是否有任何非常明顯的問題，而且可以存檔以供參考，以分析表明需要維護的長期變化。請考慮一下從安裝在風扇框架上的加速計獲得的三葉冷卻風扇振動特征（圖 1）。

圖 1：以每分鐘 1，668 轉的轉速運轉的三葉冷卻風扇的振動特征（右）及其快速傅里葉變換頻譜（左）。譜峰包含表征風扇運轉的所有必要信息。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　加速計信號顯示在右側網格中。這是一項時間記錄，顯示了以 gs 為單位的加速度與時間的關系，并包含 100，000 個樣本。加速計的輸出是電信號，其比例系數或靈敏度為每 g 100 毫伏 （mV/g）。該電壓信號經測量儀器重調，從而以 gs 讀取。

　　加速度時間記錄看似隨機，但是通過執行快速傅里葉變換 （FFT） 并將加速度信號視為頻率的函數（頻譜），如左側網格所示，解讀會變得更加清晰。該頻譜描繪了信號線性幅度 （gs） 與頻率 （Hz） 之間的關系。該頻譜上標記了七個峰。這些峰與風扇的特性（即轉速和電源線頻率）有關。

　　27.8 Hz 處的峰（左起第二個）是風扇電機的轉速，27.8 Hz 對應于每分鐘 1，668 轉的轉速。此外，還標出了 55.6、83.6 和 194.7 Hz 處的轉速諧波，這些信號的相對電平指示諸如機械松動等問題。83.6 Hz 處的三次諧波具有更高的幅度，因為它也是葉片通過頻率。電機每次轉動引起振動時，風扇葉片會通過支撐結構三次。這加入到旋轉的三次諧波中，使其幅度高于其他諧波。120 Hz 處的大峰值歸因于感應電機的旋轉磁場。其在 92 和 148 Hz 處具有來自機械旋轉的邊帶。

　　很明顯，FFT 大幅減少了必須傳輸的數據量。振動信號的 100，000 個樣本可以分解為此機器需要傳輸的七個關鍵峰。如果此處理在變送器中進行，則僅需要發送有關譜峰的信息，從而降低通信通道上的負載。

　　加速計

　　加速計是一種振動傳感器，其產生與機械加速度成比例的電壓輸出。壓電式加速計使用已知質量來壓縮壓電元件，例如陶瓷或石英元件，以產生與傳感器加速度成比例的電壓。無線壓電式加速計的示例包括 TE Connectivity Measurement Specialties 的型號 8911-A 和 8911-E。這些單一的電池供電器件將兩個傳感器、數據收集器、數字信號處理器和無線電組合到一個緊湊型器件中，可同時測量振動和溫度（圖 2）。

圖 2：TE Connectivity Measurement Specialties 的 8911 無線加速計在緊湊型電池供電器件中包含加速計、溫度傳感器、微處理器和無線電。（圖片來源：TE Connectivity Measurement Specialties）

　　加速計的最大加速度范圍為 ±50 g，靈敏度為 100 mV/g，以及大于 10 千赫 （kHz） 的 ±1 分貝 （dB） 帶寬。所有這些均包含在環境密封的不銹鋼和聚合物外殼中，工作溫度范圍為 -20° 至 60°C。該加速計由一節可更換的 3 伏 CR123 電池供電。

　　微處理器負責運行控制和振動數據的信號處理。溫度數據來自微處理器中的嵌入式溫度傳感器。微處理器對獲取的振動數據執行 FFT 分析。FFT 的評估顯示了振動數據中八個最重要加速度峰值的中心頻率、峰值幅度和總頻譜含量百分比。如前所述，峰值頻率和幅度是機器診斷所需的關鍵參數。若傳輸的數據量減少，則可減少通信信道帶寬、增加覆蓋范圍并降低 8911 加速計的功耗。該加速計的典型電池壽命為五年。如此長的電池壽命減少了加速計的必要維護工作，這是一種非常理想的情況。

　　通信通道

　　該加速計使用 LoRaWAN A 類通信協議，該協議在歐洲利用 868 兆赫茲 （MHz） （8911-E）、在美國利用 915 MHz （8911-A） 無牌照無線電頻率。LoRaWAN A 類協議提供了一種簡單、可靠且安全的通信通道，允許將機械診斷擴展至禁止安裝有線系統的工廠區域。

　　LoRaWAN 是 LoRa 聯盟所管理的開放標準。采用的是來自 Semtech Corporation 的專有擴頻技術。該標準使用可輕松生成的調頻式“啁啾”來產生具有高抗擾度的擴頻信道，能夠提供 5 至 15 公里 （km） 的可靠通信范圍。根據范圍的不同，數據速率可高達 50 kbps。

　　8911 無線加速計能夠進行雙向通信。除了傳輸振動和溫度測量值，變送器還可以接收遠程控制信號，從而可將加速計的采樣周期設置為每分鐘一次到每天一次。工作時，8911 加速計會在啟動時執行自診斷程序。然后，它會嘗試使用空中激活 （OTAA） 加入 LoRaWAN 網絡。該器件將在內部“加入”計時器的控制下，按照預先計劃的時間表重復這一操作。成功加入網絡后，它將進入采樣模式并開始處理振動和溫度數據。

　　程序化的工作流程包括采集振動信號、對采集到的信號進行 FFT、檢測并提取重要的振動峰，最后將數據傳輸至網絡。

　　使用的數據協議是固定的（圖 3）。

圖 3：LoRaWAN 數據協議顯示數據傳輸至網絡的順序。（圖片來源：TE connectivity Measurement Specialties）

　　電池狀態是所傳輸的第一個數據。該數據是電池容量，以百分比為單位。緊隨其后的是 FFT 頻譜峰值的數目，當前設置為八個。第三個數據元素是溫度，以兩個字節發送。接下來，發送所測頻段中的總頻譜能量，同樣為兩個字節。積分大小與在峰值檢測算法中確定的峰寬有關，還是兩個字節。然后是峰值數據，從第一個峰開始：兩個字節代表頻率，兩個字節代表幅度，然后是一個字節代表該峰值幅度與總頻譜幅度之比。對于剩余的七個峰值，每一個都會重復最后三個數據值。同樣，傳輸的數據量小，因此電池壽命長，所需通信帶寬窄。

　　使用加速計

　　加速計可采用任何方向安裝；常見的安裝方向是垂直或水平。加速計可使用三種方法中的任何一種安裝到機器上（圖 4）。加速計的底座帶有 ?-28 NF 螺紋，可使用制造商提供的三種雙螺柱（?-28：?-28、?-28:M6 或 ?-28:M5）中的任何一種來安裝。此外，還有粘合安裝螺柱和磁吸安裝螺柱。在所有情況下，加速計都必須牢固安裝，因為任何松動都會影響振動測量。

圖 4：8911 加速計的三種安裝選擇是螺柱、粘合劑和磁吸。（圖片來源：TE connectivity Measurement Specialties）

　　粘合劑安裝需要具有機械剛性的粘合劑。不建議使用壓敏粘合劑或泡棉膠帶，因為柔性安裝會導致加速度讀數錯誤。推薦使用會在機械上“固化”的環氧或氰基丙烯酸酯粘合劑。

　　磁吸安裝的拉力為 30 lb，與鐵類材料制成的機架兼容。

　　傳感器控件和狀態指示燈

　　傳感器具有一個復位按鈕和兩個 LED（一個藍色和一個紅色），用于指示其狀態。透過聚合物蓋可看到這兩個 LED。擰下聚合物蓋即可接觸這些控件和指示器。

　　傳感器上的按鈕將在變送器工作周期的任何時間點，自動啟動新的捕獲和數據分析。

　　藍色 LED 指示燈點亮 2 秒，表示傳感器已成功啟動并加入 LoRaWAN 網絡。然后，每當成功傳輸并確認傳輸的數據時，它會閃爍。

　　如果傳感器無法加入網絡，則紅色 LED 會點亮 2 秒。如果傳輸的數據包未確認，它也會閃爍。

　　結語

　　工廠自動化工程師和設計人員在為 IIoT 做準備時，需要一種快速有效的方法來為設備裝備監測功能。如上所述，8911 型加速度計/溫度傳感器提供了一種簡單、可靠且安全的方法，可在有線傳感器不容易支持的工廠區域增加機器監測功能。內置的信號處理功能為繪制和監測機械性能提供了必要的數據，同時將網絡通信負載降至最低。該產品基于 LoRaWAN，其通信范圍廣、電池壽命長，并內置信號處理功能，使其成為 IIoT 或工業 4.0 應用的理想之選。