Conocer los principios básicos del monitoreo de vibraciones VOYAGER4 para ingenieros en ejercicio

Desde la automatización hasta los sistemas industriales, los motores eléctricos son clave para impulsar procesos esenciales en una amplia variedad de aplicaciones. Cualquier fallo o degradación del rendimiento de un motor puede dar lugar a tiempos de inactividad injustificados, lo que puede obstaculizar la productividad en la fábrica, desencadenando retrasos e interrupciones sustanciales en la cadena de suministro del fabricante y generando pérdidas sustanciales para la empresa. Además de perder tiempo y dinero, el tiempo de inactividad no deseado también empaña la imagen del fabricante en el mercado.

En consecuencia, para garantizar que el motor funcione adecuadamente durante todo el ciclo de vida del sistema, es preciso supervisar constantemente la salud y el rendimiento de estas máquinas en los sistemas en los que están implantadas. Este tipo de mantenimiento predictivo de las máquinas minimiza los fallos, mejora la fiabilidad y aumenta la productividad en la planta de producción. Todo esto implica un importante ahorro para la empresa.

Aunque hay varios parámetros de máquinas rotativas que controlar, la vibración es la característica más importante y útil para examinar y determinar la salud de la máquina rotativa. Se trata de una variable predictiva clave que puede utilizarse para supervisar y detectar posibles fallos, como zapatas blandas, rodamientos y otros problemas similares en la maquinaria rotativa. Aunque no es difícil controlar las vibraciones, la recogida de datos y la elaboración de informes significativos no son triviales. Requiere análisis de datos, algoritmos novedosos y conectividad inalámbrica.

Control de las vibraciones del motor

Para una aplicación de este tipo, Analog Devices, Inc. (ADI) ha desarrollado un sensor inalámbrico de control de vibraciones que utiliza la tecnología de detección de acelerómetros de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Reconocidos por su pequeño tamaño, su bajo consumo y una amplia respuesta en frecuencia que llega hasta los 8 kHz, los sensores MEMS son la tecnología preferida para una amplia gama de máquinas industriales rotativas.

Diseñado para la monitorización basada en condiciones (CbM) en robótica y aplicaciones industriales, el sensor MEMS de nueva generación de ADI, denominado VOYAGER4, incorpora inteligencia artificial (IA) de última generación para un análisis de datos más inteligente a nivel de sensor. De hecho, es una solución completa que incluye circuitos integrados de apoyo, componentes y otros dispositivos como acelerómetros, procesadores y circuitos integrados de gestión de la energía (PMIC) (Figura 1).

Figura 1: Diagrama de bloques completo del sistema VOYAGER4. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Kit de evaluación VOYAGER4

Para simplificar a los ingenieros la comprensión de un sistema inalámbrico de monitorización de condiciones, ADI ha preparado el kit de evaluación de monitorización inalámbrica de vibraciones VOYAGER4, EV-CBM-VOYAGER4-1Z. Este kit es una completa plataforma de monitorización de vibraciones de bajo consumo que permite a los ingenieros implementar rápidamente una solución de monitorización inalámbrica para un motor eléctrico o una configuración de prueba similar. Incorpora lo siguiente:

• Decisiones inteligentes, más inteligentes y seguras en la periferia
• Un algoritmo de inteligencia artificial para tomar decisiones en la periferia
• Montaje mecánico y capacidad de medición de hasta 8 kHz de ancho de banda
• Tecnología de acelerómetro MEMS de 3 ejes de consumo ultrabajo y ruido ultrabajo
• Microcontrolador de consumo ultrabajo y sólida tecnología Bluetooth de bajo consumo (BLE)         

Los CI de ADI y otras piezas montadas en la placa de circuito impreso (PCB) del kit (Figura 2) incluyen los sensores MEMS triaxiales de salida digital ADXL382 y ADXL367, los microcontroladores BLE MAX32666, MAX78000 AI, PMIC MAX20335, y los dispositivos de alimentación MAX17262, y MAX38642. La placa de circuito impreso está montada verticalmente sobre una base de aluminio con una batería fijada a un separador. También incluye un orificio roscado M6 en la base para el montaje con pernos roscados en la carcasa de un motor. A continuación, toda la unidad se encierra en una carcasa de aluminio de 46 mm de diámetro y 77 mm de altura.

Figura 2: La placa de circuito impreso completa del EV-CBM-VOYAGER4-1Z sobre su base de aluminio. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Para evitar el apantallamiento de la antena de la conexión BLE, la carcasa utiliza una tapa de plástico ABS (Figura 3). Es un material resistente no metálico que permite el paso de las señales de radio con mínimas interferencias.

Figura 3: Conjunto mecánico de la unidad de sensor VOYAGER4 con su caja de aluminio y tapa de plástico ABS (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Empleando el análisis modal, los ingenieros de ADI han diseñado una sólida carcasa mecánica que permite al sensor VOYAGER4 extraer con precisión datos sensibles de vibración del motor o de la máquina rotativa sometida a prueba. Para ello, utiliza un algoritmo de IA de borde que detecta comportamientos anómalos del motor y activa una llamada para el diagnóstico y mantenimiento de la máquina. Sin embargo, antes de que el software comience su proceso de diagnóstico, se implementa el sensor acelerómetro MEMS triaxial ADXL382 de 16 bits y 8 kHz para recopilar los datos de vibración. A continuación, los datos de vibración en bruto recogidos se procesan con el procesador de IA MAX78000. Si el algoritmo de IA detecta un fallo o sospecha que los datos de vibración son erróneos, el sistema envía una alerta de anomalía de vibración al usuario a través de la radio inalámbrica BLE MAX32666.

Funcionamiento del sistema de sensores

En principio, el sistema de sensores VOYAGER4 procesa los datos de vibración iniciales según un método bien definido (figura 4). Como se muestra en la figura, los datos brutos recogidos por el sensor MEMS siguen la ruta (a) hasta el procesador BLE. Sin embargo, antes de enviarlos al usuario a través de la radio BLE o de la conexión USB utilizando el CI de interfaz UART serie básica a USB FT234XD-R, estos datos MEMS se envían al procesador con IA de flancos a través de la ruta (b) para predecir los datos de la máquina defectuosa. Si el algoritmo de IA predice que los datos de vibración son defectuosos o sospechosos, el sistema utiliza la ruta (c) para alertar al usuario sobre los datos anómalos a través de la radio BLE. Si se predice un fallo o ninguna anomalía, el sistema VOYAGER4 utiliza la ruta (d) para enviar el sensor MEMS al modo de reposo hasta el siguiente evento de detección.

Figura 4: Principio de funcionamiento del sistema VOYAGER4. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El sistema utiliza dos acelerómetros MEMS por una razón. Mientras que el acelerómetro MEMS ADXL382 de alto rendimiento se utiliza para capturar los datos de vibración, el ADXL367 de ultra bajo consumo, 14 bits y 100 Hz se puede utilizar para despertar la radio BLE de un modo de reposo profundo cuando se produce una vibración o un choque significativo. Este despertador solo consume 180 nA, lo que contribuye a un ahorro sustancial de energía para prolongar la duración de la batería. Al mismo tiempo, los datos de vibración brutos de MEMS se envían a la radio BLE MAX32666 o al microcontrolador de IA MAX78000 a través de un interruptor analógico unipolar de doble tiro (SPDT), el ADG1634BCPZ-REEL7. Este interruptor analógico está controlado por el microcontrolador BLE.

Otros dispositivos periféricos conectados al microcontrolador BLE MAX32666 son el CI de indicador de combustible multicelda MAX17262, el conjunto de diodos de supresión de tensión transitoria (TVS) MAX3207EAUT+T y el dispositivo autenticador seguro DS28C40ATB/VY+T. Mientras que el CI del indicador de combustible Li-ion implementa el algoritmo Maxim ModelGauge m5 EZ para supervisar la corriente de la batería, la matriz de diodos TVS de baja capacitancia de entrada proporciona una protección ESD de ±15 kV según los modelos de cuerpo humano y entrehierro. Del mismo modo, para la integridad de los datos, el autenticador seguro proporciona un conjunto básico de herramientas criptográficas derivadas de funciones de seguridad asimétricas (ECC-P256) y simétricas (SHA-256) integradas.

Gestionar el consumos de energía y la duración de la batería

Para minimizar el consumo de energía, VOYAGER4 gestiona de forma inteligente el funcionamiento de los PMIC integrados con respecto a los modos operativos del microcontrolador BLE y el procesador de IA de borde. En esencia, el microcontrolador BLE activa o desactiva las salidas individuales del PMIC MAX20335 para los diferentes modos de funcionamiento de VOYAGER4. El MAX20335 ofrece dos reguladores reductores de corriente de reposo ultrabaja y tres reguladores lineales LDO de corriente de reposo ultrabaja (Figura 5). El valor de cada tensión de salida puede programarse utilizando la interfaz I²C del PMIC. Si se necesita alimentación adicional, el kit incluye un regulador reductor de voltaje positivo, ajustable y de salida única, el MAX38642AELT+T, que puede suministrar hasta 350 mA.

Figura 5: Diagrama de bloques del MAX20335. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Para un consumo de energía mínimo, el sensor VOYAGER4 ajusta sus características de modo de energía entre los estados activo e inactivo, en función de los modos de funcionamiento BLE e IA. Por ejemplo, en el modo de entrenamiento, la MCU BLE debe primero anunciar su presencia en la red BLE y luego conectarse con el administrador de red. A continuación, la Voyager4 transmite los datos brutos del MEMS ADXL382 a través de la red BLE para entrenar un algoritmo de IA en la computadora del usuario. En el modo de IA normal, las funciones de publicidad, conexión y transmisión de radio BLE están desactivadas por defecto. Simultáneamente, a intervalos periódicos, el MAX78000 se despierta y ejecuta una inferencia de IA. Si no se detecta ninguna anomalía, el VOYAGER4 vuelve al modo de reposo profundo (Figura 6).

Figura 6: Consumo medio de energía del sensor VOYAGER4 con el tiempo transcurrido entre eventos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La figura 6 muestra que cuando un sensor no transmite datos brutos por la radio BLE, consume hasta 50% menos de energía. En el modo de entrenamiento, se consumen aproximadamente 0.65 mW de energía cuando la radio BLE está activa, anunciándose, conectándose y transmitiendo datos una vez por hora. Cuando el sensor funciona en modo de IA normal, el sistema consume 0.3 mW, incluso cuando el sensor está activo una vez cada hora. El análisis de los datos indica que, con un consumo de 0.3 mW, una sola batería de 1,500 mAh puede proporcionar funcionamiento durante dos años. Sin embargo, el uso de dos pilas AA estándar de 2.6 Ah puede prolongar la vida útil de las pilas hasta unos siete años. Para duraciones más largas, se recomienda utilizar pilas con corrientes de base bajas e impulsos periódicos.

GUI y firmware de VOYAGER4

La interfaz gráfica de usuario (GUI) de VOYAGER está escrita en Python y utiliza bibliotecas clave, como bleak, asyncio y Tkinter, para habilitar una interfaz interactiva que se conecta al sensor VOYAGER4 a través de la radio BLE.

El kit de evaluación VOYAGER4 incluye dos microcontroladores y varios dispositivos periféricos, como sensores, PMIC, memoria flash e interfaces de comunicación. ADI ofrece herramientas para desarrollar el código necesario para controlar y comunicarse con el PC anfitrión. Por ejemplo, los ingenieros pueden aprovechar CodeFusion IDE para el desarrollo integrado general y VOYAGER SDK para la implementación de aplicaciones de IA. En concreto, para los microcontroladores MAX32666 y MAX78000, existen recursos de desarrollo dedicados para programar estos dispositivos.

Conclusión

El sensor inalámbrico de monitorización de vibraciones de ADI, VOYAGER4, es una herramienta eficaz para la monitorización basada en el estado de los motores en robótica y otras máquinas rotativas dentro de los sistemas industriales. El kit de evaluación de ADI permite a los ingenieros comprender y aplicar el sensor MEMS ofreciendo una plataforma completa de bajo consumo para la rápida implementación de la monitorización inalámbrica de vibraciones.