Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
Avtor: Stephan Menze
2019_274_10
Danes skrbimo za jutri. Prelaganje vzdrĹževanja pomeni nenadne izpade strojev, zaustavitve linij ali napake v proizvodnji. Pri tem je vseeno, ali je do tega priĹĄlo zaradi varÄevanja, pomanjkanja strokovnjakov ali pomanjkljive motivacije: VzdrĹževanje z napovedovanjem pomeni, da se to ne more veÄ zgoditi. Pri izvedbi pa je treba upoĹĄtevati doloÄene toÄke.
Kako uspeĹĄno izvesti vzdrĹževanje z napovedovanjem?
Vsak projekt vzdrĹževanja z napovedovanjem se zaÄne z ugotavljanjem lastnosti stroja med obiÄajnim obratovanjem, na primer zvoÄnih ali lastnih frekvenc, ki se prenaĹĄajo po konstrukciji ali zraku, ki se nato digitalizirajo in posredujejo v raÄunalnik ali oblak. Pri krajevni obdelavi podatkov uporabljamo tudi izraz Edge Computing. Tukaj se lahko uporabljajo tudi krajevne reĹĄitve z umetno inteligenco, na primer Intel Movidius. Pri raÄunalniĹĄki obdelavi v oblaku je na voljo neomejena ponudba najrazliÄnejĹĄih ponudnikov storitev za analiziranje podatkov. Pri izvedbi s krajevno obdelavo je mogoÄe reagirati v nekaj milisekundah. Vseeno pa je nujna internetna povezava za posodobitve vgrajene programske opreme in nadzor na daljavo. NaÄeloma pa v procesih uÄenja in izboljĹĄav ne uporabljamo inteligence roja ter smo omejeni na krajevno dostopno raÄunsko moÄ in lastne izkuĹĄnje. RaÄunalniĹĄtvo v oblaku je drugaÄno, saj omogoÄa primerjavo z vsemi sistemi in s tem sklepanje o spremembah posameznih naprav na podlagi podatkov o drugih napravah. Poleg inteligence roja tam tudi nismo omejeni glede raÄunske moÄi ali kapacitete za shranjevanje in lahko prilagodljivo spreminjamo uporabljene algoritme â s statiÄne analize podatkov na primer na strojno ali globoko uÄenje.
Ne glede na razlike v izvedbi sta v praksi vedno potrebni internetna povezava in krajevna prva analiza podatkov tipala. Razlikujeta pa se dimenzioniranje gradnikov in tekoÄi stroĹĄki obratovanja, tako da je natanÄnejĹĄa analiza razmerja med stroĹĄki ter koristmi bolj zapletena.
OdloÄilno je mesto tipala
Ne glede na kraj analiziranja velja razjasniti, kje lahko pride do ĹĄkode in kako jo je najlaĹže zaznati. Pa je mogoÄe tam tudi vgraditi tipalo? Je mesto dostopno in je na voljo dovolj prostora? So tam ĹĄtevilni viri hrupa oziroma moÄen hrup iz okolice? Je ta hrup stalen ali neenakomeren?
Ko je razjasnjeno optimalno mesto namestitve tipala, s tem najveÄkrat doloÄimo tudi Ĺže vrsto tipala: Äe se zdi najprimernejĹĄa vgradnja na napravo ali stroj, zaznavamo hrup, ki se prenaĹĄa po konstrukciji. To pomeni, da lahko izbiramo med tipali udarcev in tresljajev ali tipalom pospeĹĄka. Pri postavitvi zunaj stroja zaznavamo zraÄni hrup. Tukaj so na voljo mikrofonska tipala MEMS za doloÄeno frekvenÄno obmoÄje, na primer izdelki podjetij STMicroelectronics in Infineon. Ker imajo vedno odprtino za zaznavanje zvoÄnega valovanja, jih brez posebnih ukrepov ne moremo uporabljati v vlaĹžnih ali praĹĄnih okoljih. To pomeni, da se moramo vrniti k tipalom udarcev in tresljajev ali tipalom pospeĹĄka.
Pri vpraĹĄanju, katero frekvenÄno obmoÄje mora pokrivati sistem za vzdrĹževanje z napovedovanjem, velja pribliĹžno pravilo: ViĹĄje zaznane frekvence pomenijo hitrejĹĄo zaznavo poĹĄkodb. V ultrazvoÄnem obmoÄju nad 16 kHz lahko prve znake zaznavamo Ĺže mesece pred dejansko poĹĄkodbo. Pri zaznavanju v sliĹĄnem obmoÄju do 16 kHz imamo do poĹĄkodbe le ĹĄe nekaj tednov. To lahko zadostuje za nekatere stroje ali naprave, za druge pa je Ĺže prepozno â to je treba preveriti za vsak primer posebej: Kako resen je lahko izpad zaradi morebitne poĹĄkodbe? Kako dolgo traja nakup nadomestnih delov in prihod serviserja? Je mogoÄe stroj kadar koli zaustaviti za popravilo ali vzdrĹževanje? Pri preverjanju puĹĄÄanja plinskih vodov je zaznavanje v ultrazvoÄnem obmoÄju obvezno. Äe je puĹĄÄanje sliĹĄno, je za preventivno vzdrĹževanje Ĺže prepozno.
Äe zadoĹĄÄa zaznavanje v sliĹĄnem obmoÄju, odloÄa o frekvenÄnem obmoÄju tipala vrsta stroja oz. dela. HitrejĹĄe ko je vrtenje zadevnih delov, viĹĄje frekvence je treba zaznavati. Pri sistemih za usmerjanje zraka se na primer poĹĄkodbe praviloma pojavijo zaradi neuravnoteĹženosti, napaÄne nastavitve ali zrahljanih povezav. To se dogaja v obmoÄju pribliĹžno 2 kHz. Pri zelo poÄasi premikajoÄih se delih lahko namesto mikrofonskega tipala boljĹĄe rezultate doseĹžemo s tipalom pospeĹĄka.
Za izboljĹĄanje pokritosti iskanja napak je mogoÄe kombinirati mikrofonska tipala, tipala pospeĹĄka in tipala udarcev ter tresljajev. Ĺ e veÄ informacij zagotavljajo dodatne vrste tipal na primer temperature, vlaĹžnosti ali tlaka. Najbolje je, kadar je taka kombinacija medsebojno povezana v omreĹžje. Vendar pa to ne podraĹži le tipal in povezovanja, ampak tudi pomeni veÄ podatkov ter dela z vrednotenjem. Kombinacija veÄ tipal je zato smiselna le, kadar bi lahko sicer priĹĄlo do veÄje ĹĄkode, na primer zaradi zaustavitve linije ali dalj Äasa neopaĹženih napak pri proizvodnji. Smiselna je lahko tudi pri odroÄnih sistemih, na primer vetrnih elektrarnah na morju, saj je tam nepotrebno delo serviserjev povezano z visokimi stroĹĄki. Celovito zaznavanje je posebno priporoÄljivo v varnostno kritiÄnih sistemih, kot je zavorni sistem v avtomobilu.
Nove brezĹžiÄne tehnologije za posredovanje podatkov
Odvisno od naÄina uporabe morajo posamezna tipala izmerjene podatke najprej posredovati v krajevno napravo za zbiranje podatkov. V ta namen se uporabljajo mikrokrmilniki z vgrajenimi radijskimi vmesniki in A/D-pretvorniki, brezĹžiÄni sistemi na integriranem vezju â SoC. Pogosto so mikrokrmilniku prilagojeni skladi protokolov za radijsko komunikacijo priloĹženi brezplaÄno, tako da je treba izvesti le ĹĄe samo aplikacijo, torej digitalizacijo analognih vrednosti in prenos v napravo za zbiranje podatkov, za kar zadostuje Ĺže nekaj vrstic programa. Naprava za zbiranje podatkov lahko nato podatke vrednoti krajevno in svojo funkcijo prehoda uporablja le za programske posodobitve ali obÄasno poroÄanje. V takem primeru veÄ kot zadoĹĄÄa internetna povezava LTE, za katero bo zanesljiva infrastruktura na voljo ĹĄe veliko let. Pri Äasovno kritiÄni analizi podatkov v oblaku, kjer je potrebna povratna informacija v nekaj milisekundah, bo odliÄno omreĹžje 5G. Povezovanje tipal z napravo za zbiranje podatkov ni vedno izvedljivo z ĹžiÄnimi povezavami. NajveÄkrat je tukaj cenejĹĄa, bolj prilagodljiva in trpeĹžnejĹĄa radijska tehnologija. Pri sistemu nRF52840 podjetja Nordic Semiconductor lahko na primer udobno izbiramo med protokolnimi skladi Bluetooth Mesh, ZigBee ali Gazell, brezplaÄnim odprtokodnim skladom za zvezdaste topologije. Tehnologija NFC omogoÄa nezapleteno povezovanje tipal s poljubnimi napravami za zbiranje podatkov. Vgrajeni vmesnik USB omogoÄa prvo umerjanje tipal s prenosnikom. Äe Ĺže vnaprej vemo, da bomo uporabljali le Bluetooth 5 ali Bluetooth Mesh, se lahko odloÄimo za cenovno ugodnejĹĄe izvedbe, na primer nRF52810. NajnovejĹĄa razliÄica Bluetooth 5 omogoÄa v naÄinu Long Range doseg nad kilometer. S tem je ta tehnologija zanimiva tudi tam, kjer smo do zdaj uporabljali tehnologije v megaherÄnem obmoÄju.
Pri tipalih, ki ne uporabljajo naprave za zbiranje podatkov, ali napravah za zbiranje podatkov, ki morajo zaradi moÄnega stiskanja podatkov zaradi krajevne obdelave prenaĹĄati le majhne koliÄine podatkov, so lahko uporabne nove kategorije LTE. Te omogoÄajo vzpostavljanje neposredne internetne povezave med tipalom in oblakom, tako da se izmerjene vrednosti v oblak prenaĹĄajo brez loÄenega prehoda.
Nove kategorije LTE
NajnovejĹĄi kategoriji LTE NB1 in M1, ki ju poznamo tudi kot NB-IoT ter LTE-M1 oz. LTE-M, sta idealni za naÄine uporabe, kot je vzdrĹževanje z napovedovanjem, kjer se obÄasno prenaĹĄajo manjĹĄe koliÄine podatkov.
LTE-M in NB-IoT podpira druĹžina nRF91 iz podjetja Nordic Semiconductor. Visoko integrirani sistem v enem ohiĹĄju (SiP â System in Package) ima vgrajen mikrokrmilnik ARM Cortex M33 za uporabniĹĄko prilagojeno programiranje aplikacij, tipal in izvrĹĄnih Älenov. S svojo raÄunalniĹĄko moÄjo Ĺže omogoÄa uporabo bolj kompleksnih algoritmov za analiziranje podatkov. To pomeni: BrezĹžiÄna enota iz izmerjenih podatkov tipal Ĺže na kraju samem pridobi potrebne informacije in je mogoÄe za poĹĄiljanje porabiti bistveno manjĹĄo koliÄino podatkov. To optimizira skupno porabo energije in omejuje koliÄine prenesenih podatkov. VeÄ kot 32 prikljuÄkov GPIO omogoÄa poleg prikljuÄitve tipal tudi prikljuÄitev luÄk LED, na primer za opozorilo na kraju samem, kadar tipalo javi previsoko vrednost. PrikljuÄiti je mogoÄe tudi tipke ali releje. Tipalo lahko tako po potrebi izklopi celoten sistem ali pa lahko uporabnik potrdi razliÄna stanja stroja.
SiP nRF91 je na voljo tudi s tehnologijo Assisted GPS. Z uporabo NB-IoT ali LTE-M omogoÄa to hitro doloÄanje poloĹžaja po hladnem zagonu za nadzor vozil ali drugih mobilnih naprav.
ZaĹĄÄita pred krajo podatkov
Ker lahko iz izmerjenih vrednosti tipal sklepamo marsikaj o rabi teh strojev, sistemov in naprav, jih je treba zaĹĄÄititi pred nepooblaĹĄÄenim dostopom. Tudi tu nRF91 Ĺže ponuja reĹĄitev: Gostiteljski procesor s tehnologijo TrustZone uporablja zaupanja vredno okolje za izvajanje v procesorju in sistemu, kar pomaga zaĹĄÄititi podatke aplikacij, vgrajeno programsko opremo ter prikljuÄeno periferijo. Tehnologija ARM CryptoCell zagotavlja varen dostop do pomnilnika, tehnologiji TLS in SSL pa zagotavljata ĹĄifriranje podatkov skozi celotno prenosno pot. Sistem nRF91 je pri tem odliÄna kombinacija z nRF52, kot je uporabljen tudi na razvojnem kompletu nRF91. To pomeni, da lahko s to reĹĄitvijo z dvema veÄjedrnima integriranima vezjema uporabljate radijsko povezavo za krajĹĄe razdalje za povezovanje s tipalom in mobilno radijsko povezavo za povezovanje z internetom. Äe izberete sistem nRF52840 iz druĹžine nRF52, tudi ta ponuja tehnologiji ARM TrustZone in CryptoCell.
Analiza podatkov kot dejavnik uspeha
Po posredovanju podatkov iz tipala se zaÄne najbolj koÄljiva naloga: analiza podatkov. Kaj pomeni, Äe se spremeni frekvenca valjÄnega leĹžaja? Ali grozi okvara, so bile samo spremenjene proizvodne nastavitve ali pa se je stroj zaustavil za konec tedna? Je morda za spremembo kriva motnja? Katera odstopanja ĹĄe spadajo pod obiÄajna nihanja? In na koncu: KolikĹĄna je verjetnost, da bo priĹĄlo do poĹĄkodbe, tj. kdaj je treba ukrepati?
S tem nastanejo doloÄeni profili, ki so v programski opremi shranjeni z ustreznimi parametri in pragovnimi vrednostmi. Morda bo po prvem praktiÄnem preizkusu potrebno naknadno nastavljanje. Sistem za vzdrĹževanje z napovedovanjem bo prav tako treba prilagoditi pri spremembi proizvodnih nastavitev, spremembah nabora strojev in podobnem. Äe upoĹĄtevate vse to, vam je uspelo: Nikoli veÄ ne bo nepriÄakovanih poĹĄkodb strojev, izpadov ali zaustavitev linij zaradi neodkritega staranja opreme. Obseg vzdrĹževanja boste lahko bolje naÄrtovali in imeli na zalogi le ĹĄe dejansko potrebne nadomestne dele. To ne prinaĹĄa prednosti le za uporabnike, ampak tudi za proizvajalce strojev. Äe v svoje izdelke vgradite sistem za vzdrĹževanje z napovedovanjem, s tem svojim strankam zagotovite resniÄno dodano vrednost zaradi viĹĄje razpoloĹžljivosti stroja. Poleg tega lahko analize izkuĹĄenj na terenu uporabite pri svojem nadaljnjem razvoju.