多传感器资产监控如何提高工业 4.0 工厂、物流以及数据中心的性能

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-08-30

监控机器的振动和温度等参数可以提供有关机器性能和运行状况的实时数据，并为制造商提供安排主动维护、减少停机时间和提高生产率所需的数据。

物流设施或运输过程中的湿度和温度监测可以提高运营绩效并保存疫苗或新鲜农产品等商品。具有有线和无线连接的环境监测系统可满足各种应用，包括企业和云数据中心。

监测振动有助于在潜在的机器问题发生之前识别它们。国际标准化组织 (ISO) 10816 可以作为重要参考。它为评估用于泵、风扇、压缩机、变速箱、鼓风机、干燥机、压力机以及在 10 至 1000 Hz 频率范围内运行的类似机器的电机的振动严重程度提供了指导。

本文介绍了在监控系统的有线和无线连接之间进行选择的一些关键注意事项，以及如何使用有线和无线网络不是非此即彼的选择。然后，它检查了 ISO 10816 中定义的四类振动严重程度。最后讨论了实现有线和无线状态监测系统的各种选项，包括使用多个传感器来监测振动、温度、湿度和代表性应用。

[Banner Engineering提供多种][设备健康监控]EHM 网关选择，可轻松访问 EHM 网络数据。工业 EHM 设计人员可以选择该公司的[SNAP ID]有线网关解决方案（带有用于传感器读数的本地显示屏或可选的云仪表板）以及旨在直接与云仪表板连接的[CLOUD ID]无线网关（图 1）。这两种选择的共同特点包括：

• 一系列传感器可供选择以优化 EHM 操作
• 自动识别连接的传感器支持快速部署，无需额外编程
• 传感器数据可随时用于调整设备或安排所需的维护，以最大限度地减少停机时间并最大限度地提高生产率
• 两个系统均支持云连接
• 预配置的仪表板可用并可定制，以实现最佳的数据可视化

图 1：Banner 的 SNAP ID 有线（左）和 CLOUD ID 无线（右）EHM 网关有几个共同的功能。 （图片来源：DigiKey）

有线还是无线 EHM 网关？

虽然有线和无线 EHM 网关具有一些共同的功能，但它们之间存在本质区别。 AMG [-SNAP-ID]资产监控网关 (AMG) 支持最多 20 个传感器和转换器的调试、监控和警报。它支持 Modbus 和 Banner 的 SNAP SIGNAL 连接并扫描单个传感器或转换器，自动检测型号信息。用户可以更改和分配 Modbus 服务器 ID 号，以构建和调试自定义 EHM 解决方案。连接的设备可以分组，警报可以单独分配阈值。通过触摸屏和外壳顶部指示灯的颜色可以看到警报状态。

当需要直接连接到云端时，EHM 系统设计人员可以使用[DXM1200-X2] IIoT 网关来连接来自 Banner 和第三方的多达 200 个设备，以提供性能和机器运行状况数据。它可以自动检测并连接传感器节点，并将数据传送到Banner Cloud软件。开发人员可以选择简单或复杂的编程工具。 IIoT 网关可以在边缘处理信息，然后通过以太网和蜂窝网络发送信息，以便通过直观的云仪表板在世界任何地方进行监控。

有线和无线 EHM 架构

有线和无线 EHM 架构并不相互排斥。有线系统可以具有无线元件，无线架构通常包括有线连接。

例如，基本的有线 EHM 架构可以包括连接到多个传感器的多个接线盒，例如 4 端口[R50-4M125-M125Q-P]和 8 端口[R95-8M125-M125Q-P]。 Banner 的 Sure Cross R70SR 串行数据无线电（如 900 MHz [R70SR9MQ]和 2.4 GHz [R70SR2MQ]）无需额外布线即可扩展网络范围。这些无线电的特点包括（图 3）：

• RS-485串行接口
• 支持星形和树形网络拓扑
• 支持多跳自愈、自动路由射频网络，进一步扩展网络范围
• 跳频扩频 (FHSS) 技术可实现可靠的数据传输

图 3：基本有线资产监控拓扑（左）和无线连接远程传感器集群示例（右）。 （图片来源：DigiKey）

在大型设施中，许多系统可以分布在广阔的区域，包括：

• 空气压缩机
• 泵送系统
• 输送系统
• 大量的电动机和机器
• 变速箱
• 空气过滤系统
• 储罐中的液位测量和监控

在这些情况下，可以通过结合有线和无线技术来提高 EHM 系统性能。上述 DXM1200-X2 无线 IIoT 网关包括 Modbus 有线连接。如果需要以太网，设计人员可以转向[DXMR90-X1]。 DXMR90-4K [可以]实现 IO-Link 主站/控制器功能。除了选择 Modbus、以太网和 IO-Link 之外，设计人员还可以使用 R709 串行数据无线电为物理上分散的资产提供无线连接。

ISO 10816 振动严重程度

ISO 10816 是 EHM 系统的重要标准。它量化了电动机、泵和发电机等机器的振动严重程度。该标准使用加速度、位移或振动速度的均方根 (rms) 值。 ISO 10816 还包括峰峰值的考虑因素。当测量两个或多个参数时，振动严重程度具有最高的有效值。该标准将振动严重程度分为四个级别：

• 良好通常表示新调试的机器。
• 令人满意的振动表明操作区域不受限制。
• 不满意的振动表明需要限制操作并安排预防性维护。
• 不可接受的振动表明机器可能损坏。

图 5：IEC 10816 包括四个振动严重程度类别。 （图片来源：邦纳工程）

振动和机器学习

即使是“相同”的机器也不是精确的复制品。这就是机器学习 (ML) 的用武之地。Banner Engineering 提供 VIBE-IQ，这是一种振动监控软件包，它使用机器学习 (ML) 为每台机器的振动建立独特的基线操作值。然后，机器学习软件会自动设置警告和警报阈值。它可以自动执行复杂的 EHM 计算和分析。 VIBE-IQ 的一些功能包括：

• 持续监测 10 至 1,000 Hz 的均方根速度、1,000 至 4,000 Hz 的均方根高频加速度以及温度
• 仅监控正在运行的电机
• 使用数据进行趋势分析以及实时监控来识别以下情况：
  • 系统错位或不平衡
  • 部件磨损或松动
  • 轴承过度磨损
  • 电机安装或驱动不当
  • 过温条件
• 主动向主机控制器或云端发送警报

振动和温度

振动并不是机器可能需要预防性维护的唯一线索。温度上升趋势还可以向 EHM 系统发出潜在问题的警报，特别是当温度上升与振动增加相关时。

结合这两个参数可以更全面地了解设备的状况。它们可以提醒操作员注意不同的情况，并提供多种好处：

• 振动可以识别机械问题，例如不对中、不平衡、轴承磨损等。
• 温度升高可以识别电气问题，例如绕组过热或润滑问题。
• 当检测到异常操作时，将带外振动和温度关联起来可以帮助识别可能的原因。例如，振动模式可以帮助识别根本原因。
• 通过监测温度和振动可以帮助规划预防性维护。温度逐渐升高并不一定像振动增加那样造成问题，需要立即进行纠正。
• 了解如何使用传感器数据来改进长期资产选择和利用，以在潜在的运营限制成为问题之前识别它们。

当需要监控温度和振动时，EHM 系统设计人员可以使用铝制外壳中的[QM30VT2]传感器或不锈钢外壳中的[QM30VT2-SS-QP]，两者均来自 Banner Engineering。两个传感器都可以通过 RS-485 作为从设备连接到 Modbus 无线电或任何 Modbus 网络。它们外形小巧，能够安装在狭窄的位置。其他功能包括：

• 高精度温度和振动测量
• 温度测量范围为-40°C至+105°C，分辨率为1°C，精度为±3°C
• 检测带宽高达 4 kHz 的双轴振动，25°C 时精度为 ±10%，默认采样频率为 20 kHz
• 输出均方根速度、均方根高频加速度、峰值速度以及根据振动波形预处理的其他参数

振动谱带是一项先进的功能。除了 10 至 1,000 Hz 和 1,000 至 4,000 Hz 标量数据之外，它还允许用户分割宽带快速傅立叶变换 (FFT)，以获得较窄频带的均方根速度或加速度数据。根据用户的需要，频段可以手动输入，也可以根据动态或静态速度输入自动生成。谱带分析可以帮助更具体地诊断旋转机器的问题。

温度和湿度

监测温度和湿度对于数据中心、仓库、洁净室、冰箱或冷水机组非常重要。[DX80N9Q45THA]等温度和湿度传感器可以帮助：

• 保存新鲜农产品或疫苗等商品，了解温度和湿度对于长期生存和防止腐败至关重要
• 保护数据中心内的服务器和存储设备等设备，因为过高的温度或湿度会干扰正常运行或导致故障
• 提高仓库和其他设施中人员的健康和安全，因为高湿度会使工人难以在高温下保持凉爽，可能导致中暑

温度测量范围为-40°C至+85°C，分辨率为0.1°C，-40°C至0°C精度为±0.6°C，0°C至+60°精度为±0.4°C C，从 +60°C 到 +85°C ±1.2°C。湿度传感器可测量 0% 至 100% RH，+25°C 时精度为 ±2%，0°C 至 +70°C 时精度为 ±3%，10% 至 90% RH 时精度为 ±7%。 0°C 至 +70°C 和 0% 至 10% 或 90% 至 100% 相对湿度。

当设备打开时，它以快速采样模式运行，每两秒发送一次数据。五分钟后，节点进入默认模式，每隔五分钟发送一次数据。用户可选择 15 分钟或 64 秒的采样率。

具有 900 MHz 无线电的型号以 1 W (30 dBm) 或 250 mW（24 dB 用户可选）传输。 250 mW 模式会缩短短距离应用的范围，但会延长电池寿命。对于 2.4 GHz 型号，发射功率固定为约 65 mW (18 dBm)。在存储模式下运行时，无线电将关闭以节省电池寿命。

结论

工业 4.0 工厂中有效的 EHM 系统可监控振动和温度，以帮助确保高水平的正常运行时间。湿度和温度传感器还可以提高数据中心的运营性能，并在仓库和物流运营中保存疫苗或新鲜农产品等商品。这些系统可以使用有线或无线连接来监测多个参数。

审核编辑 黄宇