Principes de base de la surveillance des vibrations du VOYAGER4 pour les ingénieurs

De l'automatisation aux systèmes industriels, les moteurs électriques sont cruciaux pour commander les processus essentiels dans un large éventail d'applications. Toute défaillance ou dégradation des performances d'un moteur peut entraîner des temps d'arrêt injustifiés, pouvant nuire à la productivité de l'usine, déclencher des perturbations et des retards importants dans la chaîne d'approvisionnement du fabricant et engendrer des pertes substantielles pour l'entreprise. Outre la perte de temps et d'argent, les temps d'arrêt indésirables ternissent également l'image du fabricant sur le marché.

Par conséquent, pour garantir le fonctionnement correct du moteur tout au long du cycle de vie du système, l'état et les performances de ces machines doivent être constamment surveillés dans les systèmes où elles sont déployées. Ce type de maintenance prédictive des machines permet de minimiser les défaillances, d'améliorer la fiabilité et d'accroître la productivité dans l'usine, ce qui se traduit par des économies significatives pour l'entreprise.

Bien qu'il existe plusieurs paramètres de machine tournante à surveiller, les vibrations sont la caractéristique la plus importante et la plus utile pour vérifier et déterminer l'état de la machine tournante. Il s'agit d'une variable prédictive clé qui peut être utilisée pour surveiller et détecter des défauts potentiels tels que des défauts de planéité ou de paliers et d'autres problèmes similaires dans les machines tournantes. Bien qu'il ne soit pas difficile de surveiller les vibrations, la collecte de données et la génération de rapports pertinents s'avèrent plus compliquées. Ces tâches requièrent une analyse des données, de nouveaux algorithmes et une connectivité sans fil.

Surveillance des vibrations des moteurs

Pour une telle application, Analog Devices, Inc. (ADI) a développé un capteur de surveillance des vibrations sans fil utilisant la technologie de détection accélérométrique MEMS (microsystème électromécanique). Appréciés pour leur compacité, leur basse consommation d'énergie et une large réponse en fréquence atteignant 8 kHz, les capteurs MEMS constituent la technologie privilégiée pour un large éventail de machines tournantes industrielles.

Conçu pour la surveillance conditionnelle (CbM) dans les applications robotiques et industrielles, le capteur MEMS de nouvelle génération d'ADI, baptisé VOYAGER4, intègre l'intelligence artificielle (IA) en périphérie pour une analyse de données plus intelligente au niveau du capteur. En fait, il s'agit d'une solution complète qui inclut la prise en charge de circuits intégrés, de composants et d'autres dispositifs tels que des accéléromètres, des processeurs et des circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) (Figure 1).

Figure 1 : Schéma fonctionnel du système VOYAGER4 complet. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Kit d'évaluation VOYAGER4

Pour faciliter la compréhension d'un système de surveillance sans fil, ADI a développé le kit d'évaluation de surveillance des vibrations sans fil VOYAGER4, EV-CBM-VOYAGER4-1Z. Ce kit est une plateforme de surveillance des vibrations basse consommation complète permettant aux ingénieurs de déployer rapidement une solution de surveillance sans fil pour un moteur électrique ou une configuration de test similaire. Il intègre les caractéristiques suivantes :

• Décisions plus intelligentes et sécurisées en périphérie
• Un algorithme d'IA pour la prise de décisions en périphérie
• Montage mécanique et capacité de mesure jusqu'à 8 kHz de bande passante
• Technologie d'accéléromètre MEMS à 3 axes, ultrafaible bruit et ultrabasse consommation
• Microcontrôleur ultrabasse consommation et technologie Bluetooth Low Energy (BLE) basse consommation robuste

Les circuits intégrés d'ADI et les autres composants montés sur le circuit imprimé du kit (Figure 2) incluent les capteurs MEMS triaxiaux à sortie numérique ADXL382 et ADXL367, les microcontrôleurs BLE MAX32666 et IA MAX78000, le PMIC MAX20335 et les dispositifs d'alimentation MAX17262 et MAX38642. Le circuit imprimé équipé est monté verticalement sur une base en aluminium avec une batterie fixée à une douille-entretoise. La base comporte également un trou fileté M6 pour le montage par goujon fileté sur un boîtier de moteur. L'unité complète est ensuite placée dans un boîtier en aluminium d'un diamètre de 46 mm et d'une hauteur de 77 mm.

Figure 2 : Circuit imprimé équipé de l'EV-CBM-VOYAGER4-1Z sur sa base en aluminium. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Pour éviter le blindage de l'antenne de la connexion BLE, le boîtier utilise un couvercle en plastique ABS (Figure 3). Il s'agit d'un matériau non métallique robuste qui laisse passer les signaux radio avec un minimum d'interférences.

Figure 3 : Assemblage mécanique de l'unité de capteur VOYAGER4 avec son boîtier en aluminium et son couvercle en plastique ABS. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

En utilisant l'analyse modale, les ingénieurs d'ADI ont conçu un boîtier mécanique solide qui permet au capteur VOYAGER4 d'extraire avec précision les données de vibration sensibles du moteur ou de la machine tournante en cours de test. Pour cela, il utilise un algorithme d'Edge AI pour détecter le comportement anormal d'un moteur et déclencher une demande de diagnostic et de maintenance de la machine. Cependant, avant que le logiciel ne commence son processus de diagnostic, le capteur accélérométrique MEMS triaxial 16 bits, 8 kHz ADXL382 est déployé pour collecter les données de vibration. Les données de vibration brutes collectées sont ensuite traitées à l'aide du processeur IA MAX78000. Si l'algorithme d'IA détecte un défaut ou soupçonne que les données de vibration sont erronées, le système envoie une alerte d'anomalie de vibration à l'utilisateur via la radio BLE sans fil MAX32666.

Fonctionnement du système de détection

En principe, le système de détection VOYAGER4 traite les données de vibration initiales selon une méthode bien définie (Figure 4). Comme illustré, les données brutes collectées par le capteur MEMS suivent le chemin (a) vers le processeur BLE. Toutefois, avant d'être envoyées à l'utilisateur via la radio BLE ou la connexion USB avec le circuit intégré d'interface USB-UART série de base FT234XD-R, ces données MEMS sont envoyées au processeur avec Edge AI via le chemin (b) pour prédire les données de machines défectueuses. Si l'algorithme d'IA prédit une anomalie ou suspecte les données de vibration, le système utilise le chemin (c) pour alerter l'utilisateur sur les données anormales via la radio BLE. En l'absence de défaut ou d'anomalie, le système VOYAGER4 utilise le chemin (d) pour placer le capteur MEMS en mode veille jusqu'au prochain événement de détection.

Figure 4 : Principe de fonctionnement du système VOYAGER4. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le système utilise deux accéléromètres MEMS pour une raison précise. Alors que l'accéléromètre MEMS ADXL382 hautes performances est utilisé pour capturer les données de vibration, l'ADXL367 14 bits, 100 Hz ultrabasse consommation peut être utilisé pour activer la radio BLE depuis le mode de veille profonde lorsqu'un événement de vibration ou de choc important se produit. Ce dispositif d'activation ne consomme que 180 nA, contribuant ainsi à des économies d'énergie substantielles pour étendre la durée de vie de la batterie. Parallèlement, les données de vibration brutes MEMS sont acheminées vers la radio BLE MAX32666 ou le microcontrôleur IA MAX78000 via le commutateur analogique unipolaire bidirectionnel (SPDT) ADG1634BCPZ-REEL7. Ce commutateur analogique est contrôlé par le microcontrôleur BLE.

Les autres périphériques connectés au microcontrôleur BLE MAX32666 incluent le circuit intégré d'indicateur de niveau multicellule MAX17262, la matrice de diodes de suppression de tension transitoire (TVS) MAX3207EAUT+T et l'authentificateur sécurisé DS28C40ATB/VY+T. Alors que le circuit intégré d'indicateur de niveau Li-ion implémente l'algorithme Maxim ModelGauge m5 EZ pour surveiller le courant de la batterie, la matrice de diodes TVS à faible capacité d'entrée fournit une protection DES de ±15 kV selon les modèles de corps humain et d'entrefer. De même, pour l'intégrité des données, l'authentificateur sécurisé fournit un ensemble d'outils cryptographiques dérivés de fonctions de sécurité asymétriques (ECC-P256) et symétriques (SHA-256) intégrées.

Gestion de la consommation d'énergie et de la durée de vie des batteries

Pour minimiser la consommation d'énergie, le VOYAGER4 gère intelligemment le fonctionnement des PMIC embarqués en fonction des modes opérationnels du microcontrôleur BLE et du processeur Edge AI. Concrètement, le microcontrôleur BLE active ou désactive les sorties individuelles du PMIC MAX20335 pour différents modes de fonctionnement VOYAGER4. Le MAX20335 inclut deux régulateurs abaisseurs à courant de repos ultrafaible et trois régulateurs à faible chute de tension (LDO) linéaires à courant de repos ultrafaible (Figure 5). La valeur de chaque tension de sortie peut être programmée à l'aide de l'interface I²C du PMIC. Si une alimentation supplémentaire est nécessaire, le kit fournit un régulateur abaisseur de tension positive à sortie simple ajustable, le MAX38642AELT+T, qui peut fournir jusqu'à 350 mA.

Figure 5 : Schéma fonctionnel du MAX20335. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Pour une consommation d'énergie minimale, le capteur VOYAGER4 ajuste ses fonctionnalités de mode d'alimentation entre les états actif et inactif, en fonction des modes de fonctionnement BLE et IA. Par exemple, en mode d'entraînement, le microcontrôleur BLE doit d'abord annoncer sa présence dans le réseau BLE, puis établir une connexion BLE avec le gestionnaire du réseau. Le VOYAGER4 diffuse ensuite les données brutes MEMS ADXL382 sur le réseau BLE pour entraîner un algorithme d'IA sur le PC de l'utilisateur. En mode IA normal, les fonctionnalités d'annonce, de connexion et de diffusion de la radio BLE sont désactivées par défaut. Simultanément, à intervalles périodiques, le MAX78000 s'active et exécute une inférence d'IA. Si aucune anomalie n'est détectée, le VOYAGER4 repasse en mode de veille profonde (Figure 6).

Figure 6 : Consommation électrique moyenne du capteur VOYAGER4 en fonction du temps écoulé entre les événements. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La Figure 6 montre que lorsqu'un capteur ne transmet pas de données brutes via la radio BLE, il consomme jusqu'à 50 % d'énergie en moins. En mode d'entraînement, la consommation d'énergie est d'environ 0,65 mW lorsque la radio BLE est active, annonçant, connectant et transmettant des données une fois par heure. Lorsque le capteur fonctionne en mode IA normal, le système consomme 0,3 mW, même lorsque le capteur est actif une fois par heure. L'analyse des données indique qu'avec une consommation d'énergie de 0,3 mW, une seule batterie de 1500 mAh peut assurer le fonctionnement pendant deux ans. Cependant, l'utilisation de deux batteries AA standard de 2,6 Ah peut prolonger la durée de vie jusqu'à environ sept ans. Pour des durées plus longues, il est recommandé d'utiliser des cellules de batterie présentant des impulsions périodiques et des courants de base faibles.

Micrologiciel et interface utilisateur graphique du VOYAGER4

L'interface utilisateur graphique (GUI) du VOYAGER est en Python et utilise des bibliothèques clés, telles que bleak, asyncio et Tkinter, pour permettre une interface interactive qui se connecte au capteur VOYAGER4 via la radio BLE.

Le kit d'évaluation VOYAGER4 inclut deux microcontrôleurs et plusieurs périphériques, notamment des capteurs, des PMIC, de la mémoire Flash et des interfaces de communication. ADI propose des outils pour développer le code nécessaire au contrôle et à la communication avec le PC hôte. Par exemple, les ingénieurs peuvent utiliser l'IDE CodeFusion pour le développement embarqué global et le SDK VOYAGER pour le déploiement d'applications d'IA. Des ressources de développement dédiées sont disponibles pour programmer les microcontrôleurs MAX32666 et MAX78000.

Conclusion

Le capteur de surveillance des vibrations sans fil VOYAGER4 d'ADI est un outil efficace pour la surveillance conditionnelle des moteurs dans les robots et autres machines tournantes dans les systèmes industriels. Le kit d'évaluation d'ADI permet aux ingénieurs de comprendre et d'appliquer le capteur MEMS en offrant une plateforme basse consommation complète pour le déploiement rapide de la surveillance des vibrations sans fil.