如何使用基于AI的振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障分類(lèi)

分類(lèi)：故障維修日期：2024-05-14 14:33:52

許多工業(yè)工廠(chǎng)依靠電機(jī)來(lái)執(zhí)行生產(chǎn)過(guò)程。由于結(jié)構(gòu)松動(dòng)、軸承損壞、角度和線(xiàn)性不對(duì)準(zhǔn)、腐蝕、共振和負(fù)載不平衡等影響，電機(jī)容易發(fā)生故障。

　　任何這些都可能導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)器停機(jī)。防止此類(lèi)故障一直是制造業(yè)企業(yè)面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄儗で笞畲笙薅鹊亟档统杀静⑻岣呱a(chǎn)率。

　　基于計(jì)劃的維護(hù)策略可以通過(guò)在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)調(diào)整和更換零件和子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。不幸的是，基于計(jì)劃的維護(hù)可能會(huì)導(dǎo)致不必要的維護(hù)。而狀態(tài)維修則是根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況調(diào)整維修方案，提高效率和可靠性。

　　用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的傳感器

　　預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)可以提供進(jìn)一步的改進(jìn)。使用最新的高精度慣性傳感器和具有短距離或長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)連接的低功耗、高性能邊緣AI設(shè)備，可以連續(xù)實(shí)時(shí)收集和分析關(guān)鍵機(jī)器數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1

　　.聯(lián)合收割機(jī)結(jié)合振動(dòng)和MEMS溫度傳感器、電源管理、安全元件和運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)的STM 32 MCU，無(wú)需占用太多空間或功耗，即可監(jiān)控設(shè)備和檢測(cè)故障。

　　在這種情況下，人工智能提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和分布式數(shù)據(jù)分析，并在問(wèn)題升級(jí)之前識(shí)別潛在問(wèn)題。這種積極主動(dòng)的方法可以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本，并通過(guò)在需要時(shí)精確解決問(wèn)題來(lái)延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命，從而優(yōu)化整體運(yùn)營(yíng)效率。

　　為了監(jiān)控這些機(jī)器，來(lái)自運(yùn)動(dòng)傳感器(加速度計(jì)，陀螺儀)的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同的算法處理，可以在生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)分析電機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)。nbsp;

　　利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)

　　預(yù)測(cè)性維護(hù)的主要支柱是狀態(tài)監(jiān)測(cè)。使用數(shù)字3軸微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的經(jīng)典狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法依賴(lài)于作為控制單元操作的微控制器(MCU)來(lái)驅(qū)動(dòng)電源管理，執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄功能，然后使用常規(guī)時(shí)域和頻域分析來(lái)處理數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)分析模型密切相關(guān)。為了預(yù)測(cè)任何傾向于故障的漂移，PdM實(shí)施必須通過(guò)將振動(dòng)數(shù)據(jù)與預(yù)定義的閾值進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估設(shè)備狀態(tài)。

　　這種經(jīng)典的方法具有局限性，因?yàn)樗枰钊氲南到y(tǒng)機(jī)械和數(shù)學(xué)模型以及編程知識(shí)來(lái)構(gòu)建算法和規(guī)則。此外，分析模型、算法和閾值具有有限的靈活性。如果資源或工作條件發(fā)生變化，就必須重寫(xiě)規(guī)則。

　　在基于人工智能的方法中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法允許系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中不斷學(xué)習(xí)，并相應(yīng)地改進(jìn)其模型。當(dāng)設(shè)備條件發(fā)生變化時(shí)，預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和性能可以得到提高，而無(wú)需調(diào)整算法或理解工藝規(guī)則。

　　參考設(shè)計(jì)套件

　　在這篇文章中，我們提出了一個(gè)系統(tǒng)解決方案的基礎(chǔ)上STEVAL-PROTEUS 1參考設(shè)計(jì)套件，一個(gè)工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，具有緊湊的外形。該設(shè)計(jì)套件集成了MEMS傳感器、藍(lán)牙連接和嵌入式AI庫(kù)，可檢測(cè)被監(jiān)控設(shè)備中的異常并對(duì)故障進(jìn)行分類(lèi)。它通過(guò)USB電纜將結(jié)果發(fā)送到PC終端控制臺(tái)，或無(wú)線(xiàn)發(fā)送到相關(guān)的移動(dòng)的應(yīng)用程序STBLESensor。此應(yīng)用程序以圖形方式顯示結(jié)果，并與云共享數(shù)據(jù)(圖2)。

　圖2

　　.用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的設(shè)備監(jiān)控

　　挑戰(zhàn)在于使用n分類(lèi)機(jī)器學(xué)習(xí)模型早期檢測(cè)通常較晚檢測(cè)到的機(jī)械漂移。我們的目標(biāo)是識(shí)別和分類(lèi)插入線(xiàn)性錯(cuò)位增量大小，與“幾十毫米級(jí)”的精度。

　　參考設(shè)計(jì)架構(gòu)

　　STEVAL—PROTEUS1套件是一款專(zhuān)為工業(yè)應(yīng)用中的溫度和振動(dòng)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的評(píng)估工具。主板(STEVAL—PROTEUS，圖3)包括一個(gè)經(jīng)過(guò)認(rèn)證的無(wú)線(xiàn)電模塊、用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的工業(yè)MEMS慣性傳感器組合、一個(gè)高精度溫度傳感器、電源管理和保護(hù)電路以及用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的2 Gb閃存。

　　該板還提供STSAFE-A110安全元件，可為本地或遠(yuǎn)程主機(jī)提供身份驗(yàn)證和安全數(shù)據(jù)管理服務(wù)。所有組件都專(zhuān)門(mén)安裝在PCB的頂側(cè)，以方便直接連接。

　　無(wú)線(xiàn)模塊STM32 WB 5 MMG具有超低功耗的小尺寸和STM32 WB 55 VGY無(wú)線(xiàn)SoC。該SoC包含一個(gè)2.4 GHz集成RF部分，其中Arm Cortex-M4內(nèi)核用于應(yīng)用處理，Cortex-M0+用于管理無(wú)線(xiàn)電層。M0+可以托管藍(lán)牙低功耗(BLE)5、802.15.4、Zigbee 3.0、Thread或?qū)Ｓ熊浖榷褩！?/p>

　　圖3

　　. STEVAL-PROTEUS董事會(huì)

　　為了加快應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，該套件附帶了一個(gè)用于異常檢測(cè)和分類(lèi)的固件包，可在Cortex-M4上運(yùn)行。使用來(lái)自慣性傳感器的原始數(shù)據(jù)，AI算法可以提供任何問(wèn)題的早期警告，例如不平衡或磨損。nbsp;

　　嵌入式AI是一個(gè)由NanoEdge AI Studio軟件工具生成的機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)。它從STEVAL-PROTEUS板上的傳感器輸出生成的特定數(shù)據(jù)集開(kāi)始。NanoEdge AI Studio軟件提取所需用例的機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)-例如異常檢測(cè)或分類(lèi)-將集成到傳感器節(jié)點(diǎn)上的MCU中。nbsp;

　　為了遠(yuǎn)程感知機(jī)器狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)發(fā)出指示，節(jié)點(diǎn)使用藍(lán)牙連接到STBLESensor應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序允許用戶(hù)設(shè)置傳感器和庫(kù)參數(shù)，控制學(xué)習(xí)和檢測(cè)模式，并監(jiān)控設(shè)備故障狀態(tài)。

　　信號(hào)處理和ML模型生成

　　通常，傳感器以原始形式提供數(shù)據(jù)，這不適合傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用。在傳統(tǒng)算法或基于ML的算法開(kāi)始操作數(shù)據(jù)之前，必須使用過(guò)濾、整形和其他預(yù)處理方法。為了最佳地設(shè)計(jì)預(yù)處理和處理鏈，設(shè)計(jì)人員必須了解信號(hào)的特性。

　　STEVAL-PROTEUS節(jié)點(diǎn)可以從機(jī)載慣性傳感器獲取振動(dòng)數(shù)據(jù)，并使用STM32 WB MCU直接在邊緣處理數(shù)據(jù)。nbsp;

　　在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，傳感器信號(hào)是沿沿著x—y—z軸的加速度樣本的集合。圖4顯示了在時(shí)域和頻域中表示的與正常機(jī)器條件對(duì)應(yīng)的振動(dòng)。