無線加速計與溫度感測器可簡化 IIoT 機器監測能力的部署

機械監測是廣為人知的廠房機械維護技術，也是工業物聯網 (IIoT)，即工業 4.0 倡議的要件之一。此倡議正在推動更高的自動化程度，包括在製造作業及分散式訊號處理上提升資料交換程度等。IIoT 的要素之一，是擴大測量和記錄許多作業參數資料的能力，其中包括旋轉機械的振動程度和溫度。如此即可瞭解機器的目前狀況，並洞悉即將發生之故障的機制，從而安排維護作業，以免發展成災難性故障。

IIoT 的「代價」在於，需要將加速計、溫度和其他感測器安裝並佈線到廠區或外部設施的多台機器上，例如鑽油平台或輸油管與貯藏設施。

佈線問題的解決方法是使用智慧型無線感測器，來收集並整合振動和溫度資料，然後再將這些資料透過涵蓋範圍極廣的低功率廣域網路連結到控制室或雲端。針對邊緣型處理添加內建運算能力，有助於解讀大量的資料且只傳輸必要的資料，可讓設計人員充分利用 IIoT 的全部優勢。

本文會先討論機器維護的基礎知識，再介紹 TE Connectivity Measurement Specialties 的無線加速計／溫度感測器。接著會說明該如何挑選與使用這些裝置。

為何機器維護至關重要

廠區的機械必須持續運轉，才能確保生產不中斷，並避免因停機而付出高昂代價或帶來災難。要做到如此，就需要因應或積極地對關鍵機器進行維護和修理。特別關注工業 4.0 的現代製造商傾向採用積極做法，將關鍵路徑上的機器納入預測性維護計畫中。這需要監測、記錄資料，並分析振動程度與溫度等關鍵機器參數；這些參數都是指示機器目前運作狀態的關鍵指標。因此，所有的機器相關資料都必須傳送到控制室、雲端或其他中央位置，以進行監測與分析。在過去，這必須在受監測的機器與控制室之間佈線才可實現。但這種做法成本昂貴，並且需要大量維護作業。透過 IIoT 的發展，再也不必對機器到控制室之間的感測器進行硬佈線，而可用無線網路連線取代。

以下用傳統的機器監測應用為例說明，即裝有加速計的典型機器。來自傳感器的所有振動資料都會傳送到控制室進行分析，瞭解是否有任何急迫的明顯問題，也可能會歸檔作為參考，以分析長期變化，找出是否有需要維護的跡象。透過安裝在風扇框架上的加速計，可取得三葉散熱風扇的振動特徵 (圖 1)。

圖 1：三葉冷卻風扇在每分鐘轉速為 1,668 轉時的振動特徵 (右)，及其快速傅立葉轉換頻譜 (左)。頻譜峰值中含有風扇運作特徵的所有必要資訊。(圖片來源：DigiKey)

加速計訊號顯示在右側窗格。此時間記錄展示加速度 (單位為 gs) 與時間的關係，並含有 100,000 個樣本。加速計輸出是電子訊號，比例因數或靈敏度為 100 mV/g。此電壓訊號經由測量儀器重新標度，能以 gs 進行讀取。

加速時間記錄看似隨機，但透過快速傅立葉轉換 (FFT)，並將加速訊號視為頻率 (頻譜) 的函數來檢視 (如左側網格所示)，解讀會更加清晰。頻譜描繪出訊號線性振幅 (gs) 與頻率 (Hz) 的關係。頻譜上標示七個峰值。這些峰值與風扇的特徵相關，也就是說轉速和電源線的頻率有關。

27.8 Hz 處的峰值 (左起第二個) 是風扇馬達的轉速，27.8 Hz 對應於每分鐘 1,668 轉的轉速。另外，還標示了 55.6、83.6 和 194.7 Hz 處的轉速諧波，而這些訊號的相對位準可指出機械鬆動等問題。83.6 Hz 處的第三諧波具有更高的振幅，因為該頻率也是扇葉通過頻率。馬達每次旋轉引起振動時，扇葉都會通過支撐結構三次。這會疊加到旋轉的第三諧波，使其高於其他諧波。120 Hz 處的大峰值是由感應馬達的旋轉磁場造成。而 92 和 148 Hz 處的邊帶則是由機械旋轉造成。

顯然，FFT 會大幅減少必須傳輸的資料量。振動訊號的 100,000 個樣本，可分解成此機器需要傳輸的七個關鍵峰值。若此處理作業由傳感器進行，則只需要傳輸頻譜峰值的相關資訊，因此能減少通訊通道的負荷。

加速計

加速計是一種振動感測器，可產生與機械加速度成比例的電壓輸出。壓電加速計使用已知的質量來壓縮壓電元件，如陶瓷或石英元件，以產生與感測器加速度成比例的電壓。無線壓電加速計的範例包括 TE Connectivity Measurement Specialties 的 8911-A 和 8911-E 機型。這些單電池供電式裝置將兩個感測器、資料收集器、數位訊號處理器和無線電整合在一個緊湊的裝置中，可同時測量振動和溫度 (圖 2)。

圖 2：TE Connectivity Measurement Specialties 的 8911 無線加速計將加速計、溫度感測器、微處理器和無線電整合在一個緊湊的電池供電式裝置中。(圖片來源：TE Connectivity Measurement Specialties)

此加速計的最大加速範圍為 ±50 g、靈敏度為 100 mV/g，且 ±1 dB 的頻寬大於 10 kHz。這些元件都裝在一個環境密封的不鏽鋼與聚合物外罩中，工作溫度介於 -20° 至 60°C。此加速計由一個可替換的 3 V CR123 電池供電。

微處理器負責運作控制以及振動資料的訊號處理。溫度資料來自於微處理器中的嵌入式溫度感測器。微處理器會對取得的振動資料進行 FFT 分析。FFT 評估後會顯示振動資料中八個最顯著加速峰值的中央頻率、峰值振幅以及總頻譜含量的百分比。如前所述，峰值頻率和幅度是進行機器診斷時所需的主要參數。若傳輸的資料量減少，則可減少通訊通道頻寬、擴大範圍，並降低 8911 加速計的功耗。此加速計的典型電池續航力是五年。這麼長的電池續航力可減少加速計所需的維護作業，是個非常理想的狀況。

通訊通道

此加速計使用 LoRaWAN Class A 通訊協定，而此協定在歐洲採用 868 MHz (8911-E)，在美國則採用 915 MHz (8911-A) 的免執照無線射頻。LoRaWAN Class A 通訊協定提供簡單、可靠且安全的通訊通道，可將機械診斷能力延伸到禁止安裝有線系統的廠區中。

LoRaWAN 屬於開放標準，由 LoRa 聯盟進行管理，並採用 Semtech Corporation 自行研發的展頻技術。此標準使用經過頻率調變且可輕易產生的「啁啾」，以提供具有高雜訊耐受性的展頻通道，能達到 5 至 15 km 的可靠通訊範圍。可行的資料傳輸率高達 50 kb/s，視範圍而定。

8911 無線加速計可進行雙向通訊。除了傳輸振動與溫度測量資料之外，傳感器也可接收遠端控制訊號，以設定加速計的採樣週期，設定範圍從每分鐘一次到每日一次皆可。運作時，8911 加速計會在啟動時執行自我診斷例行作業，然後會嘗試透過空中啟動 (OTAA) 加入 LoRaWAN 網路。加速計會按照內部「加入」計時器所管理的預先規劃排程，來重複此作業。成功加入網路後，加速計會進入取樣模式，並開始處理振動與溫度資料。

經編程的工作流程包括取得振動訊號、對取得的訊號執行 FFT、偵測並擷取明顯的振動峰值，最後將資料傳輸到網路。

採用的資料協定為固定式 (圖 3)。

圖 3：LoRaWAN 資料通訊協定顯示資料傳輸到網路的順序。(圖片來源：TE connectivity Measurement Specialties)

電池狀態是第一個傳輸的資料。此資料是以百分比計的電池蓄電量。接著會傳輸 FFT 頻譜峰值數量，目前設定為八個。第三個資料項目是溫度，以兩個位元組傳送。然後是測量頻帶內的總頻譜能量，同樣也是以兩個位元組傳送。積分大小與峰值偵測演算法所確定的峰值寬度有關，同樣是兩個位元組。接著是峰值資料，從第一峰值開始，兩個位元組代表頻率、兩個位元組代表幅度，然後是一個位元組代表峰值幅度與總頻譜幅度的比率。剩下的七個峰值，每個都會重複最後三個資料值。同樣地，傳輸的資料量少，就可達到長效電池續航力，需要的通訊頻寬也比較窄。

使用加速計

加速計可以任意方向安裝，常見的安裝方向為垂直或水平。加速計能以三種方式安裝到機器上 (圖 4)。加速計的基座採用 ¼-28 NF 螺紋，並可使用製造商提供的三種雙螺栓之一進行安裝，即 ¼-28：¼-28、¼-28：M6 或 ¼-28：M5。另外，還有黏性安裝螺栓與磁性安裝螺栓。無論任何情況，加速計都必須穩固安裝，因為任何鬆動都會影響振動測量。

圖 4：8911 加速計的三種安裝選項為螺栓、黏性及磁性安裝。(圖片來源：TE connectivity Measurement Specialties)

黏性安裝需要使用具有機械剛性的黏合劑。不建議使用感壓膠或泡棉膠帶，因為柔性安裝會導致加速讀數錯誤。建議使用具有機械固性的環氧樹脂或氰基丙烯酸酯黏膠。

磁性安裝的拉力為 30 lb，並相容於含鐵材料製成的機器框架。

感測器控制項和狀態指示燈

感測器具有一個重置按鈕，和兩個用來指示感測器狀態的 LED，一個藍色，一個紅色。可透過聚合物蓋帽看見 LED。轉開聚合物蓋帽即可取用這些控制項和指示燈。

感測器上的按鈕會在傳感器操作週期的任何時候，自動啟動新的擷取和資料分析。

藍色 LED 指示燈亮起 2 秒鐘，表示感測器已成功啟動並加入 LoRaWAN 網路。之後，每當資料成功傳輸並確認時，藍色 LED 就會閃爍。

如果感測器無法加入網路，紅色 LED 會亮起 2 秒鐘。如果傳輸的資料封包未被確認，紅色 LED 也會閃爍。

結論

工廠自動化工程師和設計人員傾力開發 IIoT 時，需要快速有效的方法在設備上賦予監測能力。如本文所述，8911 機型加速計／溫度感測器可提供簡單、可靠、安全的方法，在有線感測器不易支援的廠區中增添機器監測能力。內建的訊號處理功能能在最小的網路通訊負載下，為機械效能的繪製與監測作業提供必要的資料。該產品採用 LoRaWAN，通訊範圍廣、電池續航力更長，並內建訊號處理功能，因而是 IIoT，即工業 4.0 應用的理想選擇。

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