Il existe de nombreuses façons d'ajouter plus d'intelligence aux systèmes industriels, notamment en associant des composants analogiques et numériques à des capteurs dotés d'intelligence artificielle (IA) en périphérie et dans le cloud. En raison de la diversité des méthodes d'IA, les concepteurs de capteurs doivent tenir compte de multiples exigences contradictoires, notamment le délai de décision, l'utilisation du réseau, la consommation d'énergie/la durée de vie de la batterie et les modèles d'IA adaptés à la machine. Cet article se concentrera sur la présentation de l'application des capteurs intelligents de surveillance sans fil de moteurs à IA et des solutions connexes lancées par ADI.
La surveillance de l'état des moteurs est effectuée à l'aide de capteurs industriels sans fil
La surveillance de l'état (CbM) sur les robots et les machines rotatives (telles que les turbines, les ventilateurs, les pompes et les moteurs) peut enregistrer des données en temps réel relatives à l'état et aux performances des machines, ce qui permet une maintenance prédictive ciblée et un contrôle optimisé. La maintenance prédictive ciblée effectuée au début du cycle de vie d'une machine peut réduire le risque d'arrêt de la production, améliorant ainsi la fiabilité, réduisant considérablement les coûts et améliorant l'efficacité de la production dans l'atelier. La surveillance de l'état (CbM) des machines industrielles peut utiliser une série de données de capteurs, telles que les mesures électriques, les vibrations, la température, la qualité de l'huile, l'acoustique, les champs magnétiques, ainsi que les mesures de processus comme le débit et la pression. Cependant, la mesure des vibrations est de loin la plus courante car elle peut fournir l'indication la plus fiable des problèmes mécaniques, tels que le déséquilibre et la défaillance des roulements.
Actuellement, les capteurs industriels sans fil sur le marché fonctionnent généralement avec des cycles de service extrêmement faibles. Les utilisateurs définissent la durée de veille des capteurs. Une fois la période de veille terminée, les capteurs sont réveillés pour mesurer la température et les vibrations, puis les données sont renvoyées à l'agrégateur de données de l'utilisateur via des signaux radio. Les capteurs disponibles dans le commerce revendiquent généralement une durée de vie de la batterie de cinq ans, sur la base d'une collecte de données une fois toutes les 24 heures ou plusieurs fois toutes les 24 heures.
Dans la plupart des cas, le capteur est en mode veille pendant plus de 90 % du temps. Prenons l'exemple du capteur Voyager4 d'ADI. Il fonctionne de la même manière, mais utilise la détection d'anomalies par IA en périphérie (avec le microcontrôleur d'IA MAX78000) pour limiter l'utilisation de la radio. Lorsque le capteur est réveillé et mesure les données, ce n'est que lorsque le microcontrôleur détecte des données anormales qu'il renvoie les données à l'utilisateur, déclenchant ainsi le diagnostic et la maintenance de la machine et prolongeant la durée de vie du moteur. En utilisant l'IA en périphérie, la durée de vie de la batterie peut être prolongée d'au moins 50 %.
Voyager4 est une plateforme de surveillance sans fil de l'état développée par Analog Devices (ADI), conçue pour aider les développeurs à déployer et à tester rapidement des solutions sans fil pour les machines ou les équipements de test. Les solutions de surveillance de l'état des moteurs telles que Voyager4 sont largement utilisées dans les robots, ainsi que dans les machines rotatives comme les turbines, les ventilateurs, les pompes et les moteurs.
Le principe de fonctionnement du système de capteurs Voyager4
Le capteur Voyager4, en combinaison avec le système micro-électromécanique (MEMS) numérique triaxial 8 kHz ADXL382, est utilisé pour collecter les données de vibration. Tout d'abord, les données de vibration brutes sont transmises au processeur Bluetooth ® (BLE) basse consommation MAX32666. Les données peuvent être envoyées à l'utilisateur via la radio BLE ou USB. Ces données de vibration brutes sont utilisées pour entraîner les algorithmes d'IA en périphérie avec l'outil MAX78000.
Utilisez l'outil MAX78000 pour synthétiser le modèle d'IA en code C. L'algorithme d'IA en périphérie est envoyé au capteur Voyager4 via les mises à jour sans fil BLE (OTA) et stocké en mémoire à l'aide du processeur MAX78000 avec un accélérateur matériel d'IA en périphérie. Après la phase d'entraînement initiale de Voyager4, les données MEMS ADXL382 peuvent être transmises le long du chemin. L'algorithme d'IA en périphérie MAX78000 prédira si la machine a mal fonctionné ou fonctionne normalement en fonction des données de vibration collectées. Si les données de vibration sont normales, il n'est pas nécessaire d'utiliser la radio MAX32666, et le MEMS reviendra en mode veille. Cependant, si les données de vibration prédites sont incorrectes, une alerte de vibration anormale sera envoyée à l'utilisateur via BLE.
Dans le système matériel de Voyager4, l'ADXL382 adopté est un accéléromètre MEMS à 3 axes avec une faible densité de bruit et une faible consommation d'énergie, avec une plage de mesure sélectionnable. Cet appareil prend en charge les plages de mesure de ± 15 g, ± 30 g et ± 60 g ainsi qu'une large bande passante de mesure de 8 kHz. L'ADG1634 est un commutateur CMOS unipolaire à deux directions (SPDT), qui est utilisé pour acheminer les données de vibration brutes MEMS vers la radio BLE MAX32666 ou le microcontrôleur d'IA MAX78000, le microcontrôleur BLE étant utilisé pour contrôler le commutateur SPDT. Plusieurs autres périphériques sont connectés au MAX32666, notamment la jauge de batterie MAX17262 pour surveiller le courant de la batterie et l'accéléromètre MEMS ADXL367 à très faible consommation. L'ADXL367 est utilisé pour réveiller les radios BLE du mode veille profonde lors d'événements de choc à fortes vibrations. En mode de réveil activé par le mouvement, sa consommation d'énergie n'est que de 180 nA. Le microcontrôleur BLE peut transférer les données brutes du MEMS ADXL382 à l'hôte via BLE ou USB de FTDI FT234XD-R.
Le capteur Voyager4 adopte le circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC) MAX20335, qui comprend deux régulateurs abaisseurs à courant de repos ultra-faible et trois régulateurs linéaires à faible chute de tension (LDO) à courant de repos ultra-faible. Les tensions de sortie de chaque LDO et régulateur abaisseur peuvent être activées ou désactivées indépendamment, et chaque valeur de tension de sortie peut être programmée via I2C avec une pré-configuration par défaut. Le processeur BLE est utilisé pour activer ou désactiver une seule sortie d'alimentation PMIC pour différents modes de fonctionnement Voyager4.
En mode d'entraînement, le microcontrôleur BLE doit d'abord notifier sa présence dans le réseau BLE, puis établir une connexion BLE avec le gestionnaire de réseau. Ensuite, Voyager4 transmet les données MEMS ADXL382 brutes via le réseau BLE pour entraîner les algorithmes d'IA sur le PC de l'utilisateur. Après cela, le capteur Voyager4 revient en mode veille profonde. En mode normal (IA), la signalisation radio BLE, les fonctions de connexion et de transmission sont désactivées par défaut. Le MAX78000 se réveillera régulièrement et exécutera l'inférence d'IA. Si aucune anomalie n'est détectée, Voyager4 reviendra en mode veille profonde.
Le kit d'évaluation Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z) lancé par ADI comprend plusieurs composants (LED, résistance de rappel), ce qui permet aux clients d'effectuer des évaluations. Ces composants génèrent un courant de veille profonde de 0,3 mW sur le rail de tension LDO1OUT. La consommation électrique moyenne de la suite d'évaluation Voyager4 est calculée en fonction de l'intervalle de temps entre les événements en mode veille profonde, d'entraînement et normal/IA.
Ce qui suit présentera plus en détail les caractéristiques fonctionnelles de ces appareils connexes.
Les microcontrôleurs d'IA permettent aux réseaux neuronaux de fonctionner avec une consommation d'énergie ultra-faible en périphérie de l'Internet des objets
Le MAX78000 est un microcontrôleur d'IA qui adopte un accéléromètre de réseau neuronal convolutif à très faible consommation. Ce nouveau type de microcontrôleur d'IA permet aux réseaux neuronaux de fonctionner avec une consommation d'énergie ultra-faible en périphérie de l'Internet des objets, en combinant un traitement d'IA à haute efficacité avec le microcontrôleur à très faible consommation Maxim éprouvé. Avec cet accélérateur de réseau neuronal convolutif (CNN) basé sur le matériel, même les applications alimentées par batterie peuvent effectuer une inférence d'IA avec une consommation d'énergie au niveau du microjoule. Le MAX78000 est un système sur puce avancé qui intègre un cœur Arm® Cortex®-M4 avec un processeur FPU et réalise un contrôle système efficace grâce à un accélérateur de réseau neuronal profond à très faible consommation. Cet appareil adopte un boîtier CTBGA à 81 broches (8 mm x 8 mm, pas de 0,8 mm).
Le MAX32666 est un microcontrôleur ARM Cortex-M4 FPU basse consommation avec Bluetooth 5, adapté aux applications portables. La conception de ce MCU UB de nouvelle génération est destinée à répondre aux exigences complexes des applications des appareils alimentés par batterie et connectés sans fil. Ce contrôleur intelligent est équipé d'une mémoire plus grande que les produits similaires et adopte une architecture mémoire qui peut être étendue à grande échelle. L'appareil adopte une technologie d'alimentation portable, qui peut fonctionner pendant longtemps, être durable et capable de résister aux cyberattaques de haut niveau. Cet appareil est conditionné dans un WLP à 109 broches (pas de 0,35 mm) et un CTBGA à 121 broches (pas de 0,65 mm).
L'ADXL382 est un accéléromètre MEMS à 3 axes à faible bruit, à faible consommation et à large bande passante avec des plages de mesure sélectionnables, prenant en charge les plages de mesure de ± 15 g, ± 30 g et ± 60 g. L'ADXL382 offre des niveaux de bruit de pointe, permettant des applications précises avec un étalonnage minimal. Ses caractéristiques de faible bruit et de faible consommation d'énergie permettent une mesure précise des signaux audio ou des sons cardiaques, même dans des environnements à fortes vibrations. Les noms de broches multifonctionnels de l'ADXL382 peuvent être référencés uniquement par leurs fonctions liées à l'interface périphérique série (SPI) ou à l'interface I2C, ou par leurs fonctions audio (modulation de densité d'impulsions (PDM), I2S ou multiplexage par répartition dans le temps (TDM)). L'ADXL382 est disponible dans un boîtier LGA à 14 broches de 2,9 mm x 2,8 mm x 0,87 mm.
Une solution complète pour la surveillance de l'état des actifs sans fil à l'aide de l'IA en périphérie
Voyager4 peut utiliser l'IA en périphérie pour la surveillance sans fil de l'état des actifs. Il utilise des capteurs MEMS à sortie numérique à trois axes, notamment ADXL382 et ADXL367. Cette conception comprend également les microcontrôleurs BLE MAX32666 et IA MAX78000. Des dispositifs d'alimentation PMIC flexibles et peu encombrants sur PCB ont été ajoutés en tant qu'interrupteurs de charge pour améliorer l'effet d'économie d'énergie des capteurs sans fil. Chaque kit Voyager4 comprend un adaptateur BLE 5.3 avec une antenne. Voyager4 utilise BLE, il est donc compatible avec tout PC doté d'une radio Bluetooth. Cependant, pour garantir les meilleures performances et la meilleure portée, il est recommandé d'utiliser un adaptateur lors de la communication avec Voyager4.
L'ADG1633/ADG1634 est un commutateur unipolaire à deux directions (SPDT) à 4,5 Ω RON, à trois/quatre canaux, ± 5 V /+ 12 V /+ 5 V /+ 3,3 V. L'ADG1633 et l'ADG1634 sont des commutateurs analogiques CMOS industriels (iCMOS®) à puce unique. Il est équipé de trois ou quatre commutateurs unipolaires à deux directions indépendants et sélectionnables respectivement. Tous les canaux sont équipés de commutateurs premier-ouvert et dernier-fermé pour éviter les courts-circuits instantanés lors de l'ouverture ou de la fermeture des canaux. L'ADG1633 (boîtiers LFCSP et TSSOP) et l'ADG1634 (boîtier LFCSP uniquement) fournissent des entrées EN pour activer ou désactiver les appareils. La structure iCMOS peut garantir une consommation d'énergie extrêmement faible, de sorte que ces appareils sont très adaptés aux instruments portables alimentés par batterie.
L'ADXL367 est un accéléromètre MEMS avec une consommation d'énergie au niveau nanométrique, une sortie numérique à 3 axes, ± 2 g /± 4 g /± 8 g. À un débit de données de sortie de 100 Hz, il ne consomme que 0,89 µA, et en mode de réveil déclenché par l'action, il ne consomme que 180 nA. Contrairement aux accéléromètres qui atteignent une faible consommation d'énergie en utilisant le cycle de service de l'alimentation, l'ADXL367 n'effectue pas d'aliasing du signal d'entrée par sous-échantillonnage, mais échantillonne plutôt la pleine bande passante du capteur à tous les débits de données. L'ADXL367 est disponible dans un boîtier de 2,2 mm x 2,3 mm x 0,87 mm.
Le MAX17262 est une jauge de niveau de batterie monocellulaire ModelGauge m5 EZ de 5,2 µA avec détection de courant intégrée. Il s'agit de la jauge de niveau de batterie avec le plus faible IQ de l'industrie, dotée d'un détecteur de courant intégré et de l'algorithme ModelGauge m5 EZ, éliminant ainsi le besoin d'une analyse des caractéristiques de la batterie. Le MAX17262 peut surveiller une seule cellule de batterie, intègre un détecteur de courant interne et peut détecter des courants pulsés jusqu'à 3,1 A. Le CI est optimisé pour la mesure de la batterie avec des capacités allant de 100 mAhr à 6 Ahr. Le MAX17262 est doté d'un petit boîtier sans plomb, à pas de soudure de 0,4 mm, de 1,5 mm x 1,5 mm, à 9 broches, de niveau de plaquette (WLP).
Le MAX20335 est un petit PMIC pour les systèmes lithium-ion, équipé d'un régulateur de tension à très faible IQ et d'un chargeur de batterie. Il dispose d'une solution de gestion de l'alimentation optimisée et prend en charge les systèmes de surveillance 7 x 24 heures pour les appareils portables et l'IoT. La solution de gestion de la charge de la batterie MAX20335 est idéale pour les applications portables à faible consommation. L'appareil comprend un chargeur de batterie linéaire avec un sélecteur d'alimentation intelligent et une variété de périphériques optimisés pour l'alimentation. Le MAX20335 adopte 36 billes de soudure, un pas de bille de soudure de 0,4 mm et un boîtier de niveau de plaquette (WLP) de 2,72 mm x 2,47 mm.
Conclusion
Le microcontrôleur avec un accélérateur matériel d'IA intégré fournit aux nœuds de capteurs sans fil des capacités de prise de décision supérieures et une durée de vie de la batterie plus longue. En utilisant l'IA en périphérie, la durée de vie de la batterie peut être prolongée d'au moins 50 %. L'analyse modale incluse dans le capteur de vibration peut accélérer le cycle de développement du capteur et garantir la capture de données de vibration de haute qualité à partir des actifs surveillés. La plateforme de surveillance sans fil de l'état Voyager4 lancée par ADI, combinée aux solutions de composants connexes, sera votre meilleur assistant pour ajouter de l'intelligence aux systèmes industriels.
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