Déployer rapidement des capteurs pour la maintenance prédictive basée IIoT en utilisant des accéléromètres MEMS

La surveillance de l'état des machines à l'aide de capteurs de vibrations est un élément clé de l'objectif de maintenance prédictive de l'Internet industriel des objets (IIoT) (ou Industrie 4.0). Elle permet aux sites de fabrication d'identifier et de résoudre les problèmes des machines avant qu'ils ne déclenchent des pannes catastrophiques pouvant interrompre la production pendant que des réparations d'urgence sont effectuées. Pour les concepteurs, l'approche traditionnelle consistant à utiliser des capteurs de vibrations piézoélectriques (PE) génère des coûts de nomenclature ainsi que des frais de câblage et une complexité de mise en œuvre qui peuvent limiter leur déploiement.

Pour réduire les coûts et simplifier le déploiement, les concepteurs peuvent se tourner vers les capteurs à microsystèmes électromécaniques (MEMS) capacitifs. Les récentes améliorations des performances de ces capteurs les ont amenés à des niveaux comparables à ceux des capteurs piézoélectriques, tout en conservant les avantages de leur base CMOS en termes de coût, d'intégration et de tolérance industrielle. Ces améliorations incluent des convertisseurs analogique-numérique (CAN) intégrés, des filtres et même des éléments fonctionnels embarqués pour l'apprentissage automatique afin de garantir que ces dispositifs présentent des attributs rentables justifiant leur installation à grande échelle.

Cet article étudie les avantages des accéléromètres MEMS capacitifs dans les applications de surveillance des vibrations. Il présente ensuite des exemples de dispositifs d'Analog Devices et de STMicroelectronics et montre comment ils peuvent être déployés rapidement en tant que réseau de capteurs étendu pour une détection plus approfondie et rentable de la maintenance prédictive des machines industrielles.

Pourquoi utiliser les vibrations pour la maintenance prédictive

Les vibrations sont un indicateur utilisé depuis longtemps dans la surveillance d'état, le diagnostic et la maintenance prédictive des machines industrielles. Par exemple, un capteur approprié avec un traitement adapté peut être utilisé pour détecter des problèmes tels que le déséquilibre de charge, le désalignement, la défaillance des roulements à billes, et diverses amplitudes et fréquences de vibrations qui pourraient indiquer qu'un autre type de mode de défaillance est en train de se développer (Figure 1).

Figure 1 : Le capteur et le traitement appropriés peuvent détecter des problèmes tels qu'un déséquilibre de charge ou de moteur et des défaillances de roulements à billes, ainsi que des vibrations qui pourraient annoncer un autre type de mode de défaillance en développement. (Source de l'image : Analog Devices)

Des normes ont été utilement établies pour les systèmes de capteurs utilisés dans la surveillance des vibrations. La norme ISO 2954:2012, « Vibrations mécaniques des machines tournantes ou alternatives — Exigences relatives aux appareils de mesure de l'intensité vibratoire », est un bon exemple. Dans ces instruments, les accéléromètres sont un élément essentiel. Mais dans une conception typique, les signaux du capteur ne sont pas utilisés directement.

Dans les systèmes modernes, la première étape de la surveillance des vibrations consiste à faire passer le signal de l'accéléromètre dans le domaine numérique à l'aide d'un CAN. Une fois numérisée, la mesure d'accélération est beaucoup moins sensible au bruit électrique, et le recours à une mise en forme des signaux analogiques de précision peut être éliminé. La surveillance des vibrations requiert alors plusieurs étapes de filtrage et de pré-traitement des données brutes de l'accéléromètre pour éliminer le bruit et extraire des informations utiles au diagnostic.

Exigences relatives au pré-traitement des signaux de l'accéléromètre

Les signaux de l'accéléromètre doivent d'abord être filtrés par un filtre passe-haut pour supprimer toute composante continue, comme la polarisation du capteur ou les effets de la gravité. Le signal filtré peut alors être utilisé de deux manières : l'une consiste à travailler directement avec les informations d'accélération, l'autre à travailler avec la vitesse de vibration obtenue en intégrant le signal filtré dans le temps. Le signal de vitesse résultant nécessite également un filtrage passe-haut pour éviter de devoir connaître la vitesse initiale du système (la constante d'intégration) lors de l'analyse des informations de vitesse (Figure 2).

Figure 2 : Les données brutes de l'accéléromètre doivent être pré-traitées afin d'éliminer toute polarisation, et intégrées pour obtenir une mesure de la vitesse de vibration avant de pouvoir extraire des informations utiles de surveillance et de diagnostic. (Source de l'image : Richard A. Quinnell)

Selon l'application, diverses techniques d'analyse peuvent être appliquées à ces signaux d'accélération et de vitesse pour en extraire des renseignements utiles sur l'état de la machine. L'une des techniques les plus courantes et les plus utilisées consiste à calculer la vitesse efficace (vitesse RMS) de la vibration et à déterminer sa tendance dans le temps. Avec l'usure progressive, les machines développent plus d'espace dans lequel bouger, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse des vibrations. La surveillance des tendances de la vitesse efficace fournit donc un indicateur d'usure qui peut être comparé à des seuils prédéterminés pour identifier un besoin de maintenance.

L'accélération peut également être comparée à des seuils prédéterminés pour détecter la courbure ou la rupture de mécanismes, en particulier dans les machines tournantes. De tels problèmes se manifestent généralement par des « pics » périodiques dans le signal. Une tendance d'accélération croissante ou d'instabilité du profil d'accélération dans le temps est également un indicateur d'usure et de détérioration.

L'analyse spectrale apporte un éclairage supplémentaire

La transformation des données d'accélération et de vitesse du domaine temporel au domaine fréquentiel par une transformation de Fourier rapide (FFT) ouvre la porte à des aperçus encore plus détaillés de l'état des machines. Dans les machines tournantes, par exemple, un signal fort à une seule fréquence qui est liée à la vitesse de rotation indiquera un déséquilibre ou un arbre tordu. Un desserrement général ou une dent d'engrenage cassée, en revanche, créera un signal d'impact riche en contenu harmonique. Un signal fort, modulé en amplitude par une fréquence plus basse, est un outil de diagnostic puissant pour l'analyse des engrenages.

L'utilisation réussie de ces différentes techniques de diagnostic impose diverses exigences à l'accéléromètre fournissant les données sources. Sa bande passante, par exemple, doit être suffisamment large pour capturer facilement la modulation de la rotation du moteur de base ainsi que les harmoniques d'ordre supérieur. Les moteurs CA synchrones tournent généralement à 3600 tours par minute (tr/min) et les moteurs CC peuvent tourner de 10 à 7000 tr/min ou plus, de sorte qu'une largeur de bande de capteur appropriée peut devoir être comprise entre 0,1 hertz (Hz) et 5 à 10 kilohertz (kHz), selon la conception de la machine.

La sensibilité est également importante. Selon la taille du capteur, le seul point de montage disponible pour la surveillance de l'état des machines en mouvement peut se trouver sur le boîtier, bien loin de la source réelle de vibrations à l'intérieur de la machine. Cette distance atténuera les vibrations, ce qui entraînera un signal faible. Par conséquent, le signal du capteur et le trajet entre le capteur et le CAN doivent être aussi silencieux que possible pour éviter que des interférences électriques, comme celles des enroulements du moteur, n'altèrent le signal en question.

Les capteurs de surveillance des vibrations doivent présenter une bonne stabilité dans le temps et sur la température. La stabilité est particulièrement importante lorsque l'on utilise la tendance de vitesse efficace comme outil de diagnostic. Les changements des valeurs de mesure de l'accélération dans le temps ou sur la température s'accumulent pendant l'intégration qui génère les données de vitesse, ce qui compromet la mesure de la tendance.

En plus de ces exigences de performances, il existe plusieurs attributs de capteurs qui sont importants du point de vue de la conception du système. Le capteur doit être aussi petit que possible afin de maximiser les possibilités de placement sur la machine surveillée. Un faible poids est également important pour éviter que la masse du capteur n'affecte les caractéristiques de vibration de la machine.

Afin de minimiser le recours à un câblage coaxial à faible bruit coûteux pour connecter un capteur analogique à un numériseur, de nombreux accéléromètres destinés à la surveillance des conditions industrielles sont associés à un CAN, à des circuits de communication et éventuellement à un traitement numérique des signaux dans un module de capteur. Dans ces modules, le format compact et la basse consommation permettent un fonctionnement sur batterie et sans fil, ce qui simplifie davantage le placement et réduit le coût et la complexité du câblage. La réduction du coût total du module de capteur améliore la rentabilité de la surveillance de l'état, ce qui permet de recourir davantage à la maintenance préventive.

Les accéléromètres MEMS relèvent le défi des performances, du coût et de l'intégration

Les avancées des technologies de conception et de fabrication CMOS ont permis aux accéléromètres MEMS capacitifs de répondre à ces attributs de performances et de conception système pour un large éventail d'applications de surveillance des conditions industrielles. Comme ils sont fabriqués selon des processus compatibles avec la fabrication de circuits intégrés CMOS, les accéléromètres MEMS présentent un avantage considérable par rapport aux accéléromètres piézoélectriques traditionnels : les dispositifs MEMS peuvent intégrer de nombreuses fonctions d'un module de capteur complet dans un boîtier de la taille d'une puce.

NOTE : Il est important de souligner à ce stade que les capteurs piézoélectriques ont encore leur place et sont prédominants dans les applications exigeant une tolérance de température extrême ou dans lesquelles des vibrations supérieures à 50 g sont probables.

L'accéléromètre MEMS triaxial IIS3DWBTR de STMicroelectronics est un bon exemple (Figure 3). Ce dispositif contient trois capteurs d'accélération ultralarge bande (CC à 6 kHz) ainsi qu'un CAN, une chaîne de filtrage numérique configurable par l'utilisateur, un capteur de température, une mémoire FIFO de 3 kilo-octets (Ko) et une interface série SPI, et ce dans un boîtier à montage en surface mesurant seulement 2,5 mm x 3 mm x 0,83 mm. Il affiche une basse consommation, fonctionne de 2,1 V à 3,6 V et ne consomme que 1,1 milliampère (mA) en fonctionnement complet. Il sort automatiquement d'un mode veille de 5 microampères (µA) dès la détection d'une activité. Il est également robuste, avec une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C et une résistance aux chocs de 10 000 g. Une sensibilité sélectionnable (±2 g, ±4 g, ±8 g ou ±16 g) permet de l'adapter à de nombreuses exigences applicatives.

Figure 3 : La technologie MEMS CMOS permet aux accéléromètres tels que l'IIS3DWBTR de STMicroelectronics d'inclure un CAN intégré, un filtre numérique, une mémoire FIFO et plus encore dans des boîtiers compacts et basse consommation afin de minimiser les coûts de surveillance des vibrations. (Source de l'image : STMicroelectronics)

L'avènement de dispositifs tels que l'IIS3DWB a modifié le spectre des possibilités de surveillance des conditions vibratoires. En intégrant tous les attributs essentiels d'un module de capteur à un point économique, les dispositifs minimisent les coûts globaux de nomenclature pour rendre la surveillance rentable sur un plus large éventail d'applications. Le format compact et la détection sur trois axes (qui élimine le besoin d'une orientation spécifique) étendent les possibilités de placement du capteur, y compris son encastrement dans la machine. L'interface numérique permet un câblage simple pour connecter le capteur aux processeurs hôtes pour la collecte et l'analyse des données, tandis que le pré-traitement intégré et la mémoire tampon FIFO rendent les communications avec l'hôte moins exigeantes. Le faible besoin en énergie ouvre la porte au fonctionnement sur batterie.

La conception des dispositifs MEMS peut aller encore plus loin en termes d'intégration. Dans le même format de boîtier que l'IIS3DWBTR, par exemple, l'ISM330DHCXTR de STMicroelectronics intègre un accéléromètre triaxial et un gyromètre triaxial pour la détection de six degrés de mouvement, en plus de toutes les fonctionnalités de l'IIS3DWBTR. De plus, il inclut une interface I²C, une capacité de concentrateur de capteurs, une mémoire FIFO de 9 Ko, une machine à états finis programmable pour le traitement des données, et les blocs de base pour l'apprentissage automatique, ce qui permet d'adapter le fonctionnement du dispositif à son installation unique.

Les modules intègrent le traitement des données

Pour des applications encore plus exigeantes, des modules de capteurs MEMS avec traitement intégré sont disponibles dans des formats très compacts. Par exemple, le module de capteur de vibrations ADIS16228CMLZ d'Analog Devices est un accéléromètre MEMS triaxial ±18 g complet avec un CAN intégré et une FFT de 512 points pour l'analyse des vibrations dans le domaine fréquentiel, en boîtier de 15 mm x 24 mm x 15 mm (Figure 4). Le dispositif dispose également d'alarmes programmables pour six bandes spectrales qui sont capables de signaler des avertissements ou des détections de problèmes en fonction des niveaux d'énergie dans ces bandes.

Figure 4 : Les modules de capteurs de vibrations MEMS avec traitement FFT intégré et détection des problèmes basée sur la fréquence, comme l'ADIS16228 d'Analog Devices, sont disponibles dans des boîtiers robustes et compacts. (Source de l'image : Analog Devices)

La technologie MEMS offre des systèmes de capteurs complets capables de gérer jusqu'à ±50 g. L'ADCMXL3021BMLZ d'Analog Devices, par exemple, offre une bande passante de capteur de 10 kHz, des CAN de 220 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s), des filtres numériques, et des alarmes conditionnelles basées sur le temps et la FFT, configurables par l'utilisateur. Pourtant, même avec toutes ses capacités de traitement intégrées, le dispositif ne requiert typiquement que 30 mA à 3,3 V.

Ces modules complets de systèmes de capteurs de vibrations offrent de nombreuses options configurables par l'utilisateur pour des attributs tels que la largeur de bande du filtre de pré-traitement, la fonction de fenêtrage FFT, le seuillage de la bande de fréquences, les statistiques temporelles, etc. Pour les utiliser efficacement, les utilisateurs doivent avoir une bonne compréhension des caractéristiques de leur système et des nombreuses techniques d'analyse vibratoire qu'ils peuvent appliquer. De même, les développeurs qui cherchent à créer leurs propres systèmes de surveillance des vibrations à l'aide de capteurs comme l'IIS3DWB ou l'ISM330DHCX devront connaître les caractéristiques de leur système cible et comprendre les options de traitement.

Démarrer avec un kit d'évaluation

Pour démarrer, un kit de développement tel que le STEVAL-STWINKT1 de STMicroelectronics peut constituer un bon point de départ (Figure 5). Le module du kit inclut l'IIS3DWB et l'ISM330DHCX, ainsi que de nombreux autres capteurs et un processeur Arm® Cortex®-M4 avec unité en virgule flottante pour gérer le traitement supplémentaire. Le module peut être alimenté par la batterie Li-Ion incluse et offre une radio Bluetooth Low Energy intégrée ainsi qu'une carte d'extension Wi-Fi pour la connectivité sans fil, ce qui permet d'utiliser le kit comme un capteur autonome de surveillance de l'état des installations sur le terrain.

Figure 5 : Les kits de développement tels que le STEVAL-STWINKT1 ne fournissent pas seulement des accéléromètres et d'autres capteurs MEMS à évaluer aux développeurs, ils peuvent également fonctionner comme des modules autonomes prêts à l'emploi pour la surveillance industrielle. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le kit est fourni avec un ensemble complet de micrologiciels pour le développement d'applications de surveillance d'état et de maintenance prédictive. Cela inclut un intergiciel pour l'analyse des vibrations dans le domaine temporel (vitesse efficace et pics d'accélération) ainsi que dans le domaine fréquentiel. Le logiciel est également compatible avec le tableau de bord de maintenance prédictive basé Web DSH-PREDMNT de la société pour surveiller les données de capteurs et l'état des dispositifs. Des exemples de mises en œuvre sont disponibles pour donner aux développeurs une feuille de route pour leurs propres efforts de conception de logiciels.

Conclusion

Si les capteurs piézoélectriques sont toujours prédominants dans les applications exigeant une tolérance aux températures extrêmes ou des régimes de vibrations supérieurs à 50 g, leur taille et la nécessité de disposer de CAN discrets et de matériel de pré-traitement (avec le coût et la complexité de câblage associés) ont traditionnellement limité leur champ d'application à la surveillance d'équipements de haute valeur.

Au lieu de cela, les concepteurs peuvent utiliser des accéléromètres MEMS qui offrent une alternative compacte et rentable simplifiant le déploiement et étendant la gamme d'applications pour la surveillance des vibrations. En plus des performances toujours plus élevées que ces dispositifs offrent, les accéléromètres MEMS permettent aux concepteurs d'adopter facilement les avantages de la surveillance des vibrations et de la maintenance prédictive pour les machines de toutes tailles.