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状态检测传感器供电

2022-01-06
来源:RECOM

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有效地维护复杂的工业过程对保持生产力和降低成本至关重要。状态检测 (CBM) 是定期维护计划的替代方案,使用工业物联网中传感器的数据,在故障发生之前监测性能上的恶化趋势。本文将探讨这个主题,并为传感器节点推荐合适的电源模块。

发展中国家正朝向高水平的工业自动化迈进,以高灵活性和低成本实现高产出。同样地,数据中心、配送仓库和基础设施的目标是在几乎没有人工的情况下「关灯」运作 (无人工厂) 以减少人工费用。「工业 4.0」或工业物联网 (IIoT) 是其中不可或缺的一环,将智能推至流程的「边缘」,靠近需要监控和控制的位置来加快反应时间,因此在监控和传感器与中央控制之间需要一个通信网络。这可能是通过「云端」,经由收集和分析数据,将数据套进控制算法来优化所谓的智能工厂的流程。

智能工厂的好处有很多,不但可以实现低成本的产品和服务还能大幅减少能源消耗。但如果出现问题该怎么办?我们在这里不是在谈论「机器的崛起」,只是在谈一个简单的机械损坏,或因为遭受宇宙射线干扰而导致处理器虚假故障,又或者无数种原因所造成的「偶然故障」。全球大部分电力基础设施的使用年限超过 25 年,因此不断升高的故障率令人担忧。基于此,系统设计人员提供关键器件所需的冗余以应付单一或双重故障,根据不同的应用选择大余量器件来实现可靠运行。然而,「磨损」是机械部件甚至电子产品的现实,电容器会变干老化、浪涌限制器会受损,而半导体会随着时间产生晶格缺陷。

必须持续维护

我们可以等待故障发生之后从源头解决问题,采取「如果没坏就别修」的态度,但是故障很少只在方便的时候才发生。 这种「矫正」维护对非关键功能是一种很有吸引力的方法,例如照明灯具组有一个 LED 熔断,或者就如我们之前多重冗余系统的例子,系统不会受到单一故障的影响。当然这个前提是您必须知道故障发生了,因此监控是关键。无时无刻都要确保充足的零件库存和人力,也必须随时待命「以防万一」。

大多数的流程为了更好地保持生产量依靠定期的「预防性」维护和检查。简单的机械系统要定期更换过滤器和机油、检查轴承或调整间隙等。在电子产品方面,可能会更换正常运作但老旧的保险丝、避雷器和电解电容器。决定何时采取行动并不容易,太晚执行可能导致破坏性故障,太早更换可能将好的零件丢弃造成不必要的工作和成本浪费。因此时间安排是一个挑战,根据使用时间、使用情况或只是靠直觉和经验来安排工作。高可用性系统通常会进行故障模式、影响及危害性分析 (FMECA),在科学的基础上预测故障频率及影响。这样可以尽可能减少零件库存并在适当的时间安排维护工作。

以状态为基础的维护是理想的做法

面对大型又复杂的流程时很难准确设定预防性维护计划,因此替代方案是状态维护(CBM)。根据量测后的剩余使用寿命来进行更换或调整才是理想的方式。这包含了解零件的当前状况,虽然它仍表现良好但已经开始进入「磨损」阶段。例如,今天机油滤清器可能有足够的润滑油流量,但损失 10% 的过滤效果,但如果您知道损失 50% 是不可以的并且还要 10 周才会达到这个状态,那么您可以安排在 8 周后更换。同样地,实时分析电机或机器振动特征的变化就可以推算轴承何时会发生故障。

性能变化和趋势能通过侦测获得参数,例如液位变化、振动特征、非接触式温度测量的红外热成像、油混浊度、电源设备的电流和电压特征、超声波泄漏检测、电弧和电晕的臭氧传感器 等。如果在现有的系统上实施 CBM,增加这种级别的密集监测的成本在短期看来可能令人却步,但长期下来的节省是非常明确的。幸运的是,实施工业物联网大数据的排程和优化也会产出数据给 CBM 分析。CBM 所需的任何传感器特定功能都相对容易连接到在现有流程边缘的处理器节点。CBM 数据在本质上变化缓慢,而且增加到IIoT计算和通信的要求小到可以忽略不计,无论是有线或无线。维护制度的不同如图 1 所示。

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图 1:维护制度对过程性能和可靠性的影响

CBM 需要为传感器提供可靠的电源

IIoT 节点可能已经有远程传感器及数据接口所需的电源,可能来自有线直流电源、车载电池、本地能量收集器或 AC/DC 转换器。传感器、IIoT 节点及电源所处的环境可能恶劣且多变,每当重型机械启动或停止时都会出现高电涌,因此需要对直流和交流电源进行隔离。此外,当过程本身退化,比如有更高的温度和振动水平,此时监控功能必须继续可靠工作,因为如果 CBM 本身需要定期维护或使用寿命很有限,那就毫无意义了。因此CBM的稳定性至关重要,尤其电源转换器必须有高效率、低能耗低和低热应力才不会缩短使用寿命。

RECOM 的 RxxCT(E)xx 系列是一款具有高环境温度额定值(最高 140°C)的隔离式 DC/DC 转换器, 5V标称输入转5V 或 3.3V 输出,功率为 0.5W 或 1W,全在一个薄型 SOIC-16 封装中实现。输出电压与有源传感器和微控制器或数据分析的 DSP 前端兼容。隔离式 CANBusTM、MODBus TM 或 PROFIBusTM 接口电源提供 5kVac 增强隔离,应用要求不高时也可以选择基本隔离3kVDC的版本。

如果可用电源变化很大,例如为电池充电的太阳能,则需要稳压直流输出。简单的线性稳压器的效率太低会很快耗尽电池电量。在这种情况下,RECOM 的 R-78Exx-1.0 是理想的开关稳压器模块,在户外的太阳能应用中效率高达 97% 也适合用来监测移动设备,例如铁路车轴轴承。

使用本地 AC 电源的节点电源的解决方案通常选择小型 AC/DC 转换器,有时可达277VAC。这些可以与即将推出的 IO-Link 工业传感器系统结合使用,这是一种使用标准 M12 连接器的数字双向串行接口。该系统需要 24V且每个节点最大负载为 410mA,因此RECOM 的RAC10、RAC20 和 RACM40 系列的板载 AC/DC 转换器符合四个 IO-Link 端口的 40W 要求。较低功率的 RAC03 系列还能用在无线连接过程控制器,可以远程控制过程并在温度超规时发出信号。

图 2 所示的例子在完成制造后的体积仅 40x25x25mm。过程反馈不仅限于温度;噪声、流体流量或气体传感器可以很容易地结合在一起。

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图 2:小型 AC/DC 转换器为传感器、微控制器和双向无线电路供电

气体泄漏、噪声和 IR 温度传感器一般是安装在天花板上,照明电路提供合适的交流电源 115V、230V 或 277VAC,即480V 三相系统中的相电压。使用远程 LPWAN 无线电(LoRa、sigfox、KNX-RF 等)或蜂窝网络(5G、NB-IoT、GSM 等)进行数据传输。由于功率要求通常较低,因此RECOM的通用输入、5W板载 RAC05-K/277 是一个不错的选择。

为了达到自治的目标,一些传感器节点可以由收集能源供电,这有可能是太阳能也可能是声学、射频、振动或温度梯度。电压源可能非常低因此需要高效的电源转换以升压至适合传感器和处理器的电压。RECOM REH-3-31.8 模块专为这项工作而设计,可在低至 50mV 的输入电压下运行同时实现3.3V/1.8V 双输出。该部件包括光伏电池的最大功率点 (MPP) 追踪功能,并可与电池或超级电容器耦合以进行能量存储。

状态监控是一个以最低成本保持过程可用性的理想方式,同时容易与 IIoT 结合在一起。可靠且经济的电源转换是 CBM 的重要元素,RECOM 提供的各种产品组合能满足应用的所有要求。

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