Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να προσθέσετε περισσότερη νοημοσύνη σε βιομηχανικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένης της αντιστοίχισης αναλογικών και ψηφιακών εξαρτημάτων με αισθητήρες που διαθέτουν τεχνητή νοημοσύνη (AI) στην άκρη και στο cloud. Λόγω της ποικιλομορφίας των μεθόδων AI, οι σχεδιαστές αισθητήρων πρέπει να εξετάσουν πολλαπλές, συγκρουόμενες απαιτήσεις, συμπεριλαμβανομένης της καθυστέρησης λήψης αποφάσεων, της χρήσης δικτύου, της κατανάλωσης ενέργειας/διάρκειας ζωής μπαταρίας και των μοντέλων AI κατάλληλων για το μηχάνημα. Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στην εισαγωγή της εφαρμογής έξυπνων ασύρματων αισθητήρων παρακολούθησης κινητήρων AI και των σχετικών λύσεων που κυκλοφόρησαν από την ADI.
Η παρακολούθηση της υγείας του κινητήρα πραγματοποιείται με τη χρήση ασύρματων βιομηχανικών αισθητήρων
Η παρακολούθηση κατάστασης (CbM) σε ρομπότ και περιστρεφόμενα μηχανήματα (όπως τουρμπίνες, ανεμιστήρες, αντλίες και κινητήρες) μπορεί να καταγράψει δεδομένα σε πραγματικό χρόνο σχετικά με την υγεία και την απόδοση των μηχανημάτων, επιτρέποντας έτσι στοχευμένη προγνωστική συντήρηση και βελτιστοποιημένο έλεγχο. Η στοχευμένη προγνωστική συντήρηση που πραγματοποιείται στο αρχικό στάδιο του κύκλου ζωής ενός μηχανήματος μπορεί να μειώσει τον κίνδυνο διακοπής της παραγωγής, ενισχύοντας έτσι την αξιοπιστία, εξοικονομώντας σημαντικά κόστος και βελτιώνοντας την αποδοτικότητα της παραγωγής στο εργαστήριο. Η παρακολούθηση κατάστασης (CbM) των βιομηχανικών μηχανημάτων μπορεί να χρησιμοποιήσει μια σειρά δεδομένων αισθητήρων, όπως ηλεκτρικές μετρήσεις, κραδασμούς, θερμοκρασία, ποιότητα λαδιού, ακουστικά, μαγνητικά πεδία, καθώς και μετρήσεις διεργασιών όπως ροή και πίεση. Ωστόσο, η μέτρηση κραδασμών είναι μακράν η πιο συνηθισμένη, επειδή μπορεί να παρέχει την πιο αξιόπιστη ένδειξη μηχανικών προβλημάτων, όπως ανισορροπία και αστοχία ρουλεμάν.
Επί του παρόντος, οι ασύρματοι βιομηχανικοί αισθητήρες στην αγορά λειτουργούν συνήθως σε εξαιρετικά χαμηλούς κύκλους λειτουργίας. Οι χρήστες ορίζουν τη διάρκεια ύπνου των αισθητήρων. Μετά τη λήξη της περιόδου ύπνου, οι αισθητήρες αφυπνίζονται για να μετρήσουν τη θερμοκρασία και τους κραδασμούς και, στη συνέχεια, τα δεδομένα αποστέλλονται πίσω στον συσσωρευτή δεδομένων του χρήστη μέσω ραδιοσημάτων. Οι εμπορικά διαθέσιμοι αισθητήρες ισχυρίζονται συνήθως ότι έχουν διάρκεια ζωής μπαταρίας πέντε ετών, με βάση τη συλλογή δεδομένων μία φορά κάθε 24 ώρες ή πολλαπλές φορές κάθε 24 ώρες.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο αισθητήρας βρίσκεται σε κατάσταση ύπνου για πάνω από το 90% του χρόνου. Πάρτε τον αισθητήρα Voyager4 της ADI ως παράδειγμα. Λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο, αλλά χρησιμοποιεί ανίχνευση ανωμαλιών AI στην άκρη (με τον μικροελεγκτή AI MAX78000) για να περιορίσει τη χρήση ραδιοφώνου. Όταν ο αισθητήρας αφυπνίζεται και μετρά δεδομένα, μόνο όταν ο μικροελεγκτής ανιχνεύσει μη φυσιολογικά δεδομένα θα στείλει τα δεδομένα πίσω στον χρήστη, ενεργοποιώντας έτσι τη διάγνωση και τη συντήρηση του μηχανήματος και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Χρησιμοποιώντας AI στην άκρη, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί να παραταθεί κατά τουλάχιστον 50%.
Το Voyager4 είναι μια ασύρματη πλατφόρμα παρακολούθησης κατάστασης που αναπτύχθηκε από την Analog Devices (ADI), σχεδιασμένη για να βοηθήσει τους προγραμματιστές να αναπτύξουν και να δοκιμάσουν γρήγορα ασύρματες λύσεις για μηχανήματα ή εξοπλισμό δοκιμών. Λύσεις παρακολούθησης της υγείας του κινητήρα, όπως το Voyager4, χρησιμοποιούνται ευρέως σε ρομπότ, καθώς και σε περιστρεφόμενα μηχανήματα όπως τουρμπίνες, ανεμιστήρες, αντλίες και κινητήρες.
Η αρχή λειτουργίας του συστήματος αισθητήρων Voyager4
Ο αισθητήρας Voyager4, σε συνδυασμό με το τριών αξόνων 8 kHz ψηφιακό μικροηλεκτρομηχανικό σύστημα (MEMS) ADXL382, χρησιμοποιείται για τη συλλογή δεδομένων κραδασμών. Αρχικά, τα ακατέργαστα δεδομένα κραδασμών μεταδίδονται στον επεξεργαστή Bluetooth ® (BLE) χαμηλής ισχύος MAX32666. Τα δεδομένα μπορούν να σταλούν στον χρήστη μέσω ραδιοφώνου BLE ή USB. Αυτά τα ακατέργαστα δεδομένα κραδασμών χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση αλγορίθμων AI στην άκρη με το εργαλείο MAX78000.
Χρησιμοποιήστε το εργαλείο MAX78000 για να συνθέσετε το μοντέλο AI σε κώδικα C. Ο αλγόριθμος AI στην άκρη αποστέλλεται στον αισθητήρα Voyager4 μέσω ασύρματων ενημερώσεων BLE (OTA) και αποθηκεύεται στη μνήμη χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή MAX78000 με έναν επιταχυντή υλικού AI στην άκρη. Μετά την αρχική φάση εκπαίδευσης του Voyager4, τα δεδομένα ADXL382 MEMS μπορούν να μεταδοθούν κατά μήκος της διαδρομής. Ο αλγόριθμος AI στην άκρη MAX78000 θα προβλέψει εάν το μηχάνημα έχει δυσλειτουργήσει ή λειτουργεί κανονικά με βάση τα συλλεχθέντα δεδομένα κραδασμών. Εάν τα δεδομένα κραδασμών είναι φυσιολογικά, δεν υπάρχει ανάγκη χρήσης του ραδιοφώνου MAX32666 και το MEMS θα επιστρέψει σε κατάσταση ύπνου. Ωστόσο, εάν τα προβλεπόμενα δεδομένα κραδασμών είναι εσφαλμένα, θα σταλεί μια ειδοποίηση μη φυσιολογικού κραδασμού στον χρήστη μέσω BLE.
Στο σύστημα υλικού του Voyager4, το ADXL382 που υιοθετήθηκε είναι ένα επιταχυνσιόμετρο MEMS 3 αξόνων με χαμηλή πυκνότητα θορύβου και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, με επιλέξιμο εύρος μέτρησης. Αυτή η συσκευή υποστηρίζει εύρη μέτρησης ± 15g, ± 30g και ± 60g, καθώς και ένα ευρύ εύρος ζώνης μέτρησης 8 kHz. Το ADG1634 είναι ένας διακόπτης CMOS μονής πόλου διπλής ρίψης (SPDT), ο οποίος χρησιμοποιείται για την δρομολόγηση των ακατέργαστων δεδομένων κραδασμών MEMS στο ραδιόφωνο MAX32666 BLE ή στον μικροελεγκτή AI MAX78000, με τον μικροελεγκτή BLE να χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του διακόπτη SPDT. Αρκερα άλλα περιφερειακά είναι συνδεδεμένα στο MAX32666, συμπεριλαμβανομένου του μετρητή μπαταρίας MAX17262 για την παρακολούθηση του ρεύματος της μπαταρίας και του επιταχυνσιόμετρου MEMS ADXL367 εξαιρετικά χαμηλής ισχύος. Το ADXL367 χρησιμοποιείται για την αφύπνιση ραδιοφώνων BLE από τη λειτουργία βαθύ ύπνου κατά τη διάρκεια συμβάντων κραδασμών υψηλής δόνησης. Στη λειτουργία αφύπνισης που ενεργοποιείται από κίνηση, η κατανάλωση ενέργειας είναι μόνο 180 nA. Ο μικροελεγκτής BLE μπορεί να μεταφέρει τα ακατέργαστα δεδομένα του ADXL382 MEMS στον κεντρικό υπολογιστή μέσω BLE ή USB του FTDI FT234XD-R.
Ο αισθητήρας Voyager4 υιοθετεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα διαχείρισης ενέργειας (PMIC) MAX20335, το οποίο διαθέτει δύο ρυθμιστές step-down εξαιρετικά χαμηλού ηρεμιστικού ρεύματος και τρεις ρυθμιστές γραμμής χαμηλής πτώσης (LDO) εξαιρετικά χαμηλού ηρεμιστικού ρεύματος. Οι τάσεις εξόδου κάθε LDO και ρυθμιστή step-down μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν ανεξάρτητα και κάθε τιμή τάσης εξόδου μπορεί να προγραμματιστεί μέσω I2C με προεπιλεγμένη προ-διαμόρφωση. Ο επεξεργαστής BLE χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση ή την απενεργοποίηση μιας μόνο εξόδου ισχύος PMIC για διαφορετικές λειτουργίες εργασίας Voyager4.
Στη λειτουργία εκπαίδευσης, ο μικροελεγκτής BLE πρέπει πρώτα να ειδοποιήσει την παρουσία του στο δίκτυο BLE και στη συνέχεια να δημιουργήσει μια σύνδεση BLE με τον διαχειριστή δικτύου. Στη συνέχεια, το Voyager4 μεταδίδει τα ακατέργαστα δεδομένα ADXL382 MEMS μέσω του δικτύου BLE για την εκπαίδευση αλγορίθμων AI στον υπολογιστή του χρήστη. Μετά από αυτό, ο αισθητήρας Voyager4 επιστρέφει σε κατάσταση βαθύ ύπνου. Στην κανονική (AI) λειτουργία, η σηματοδότηση, η σύνδεση και οι λειτουργίες μετάδοσης ραδιοφώνου BLE είναι απενεργοποιημένες από προεπιλογή. Το MAX78000 θα ξυπνά τακτικά και θα εκτελεί συμπεράσματα AI. Εάν δεν εντοπιστεί ανωμαλία, το Voyager4 θα επιστρέψει σε κατάσταση βαθύ ύπνου.
Το κιτ αξιολόγησης Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z) που κυκλοφόρησε από την ADI περιλαμβάνει πολλαπλά εξαρτήματα (LED, αντιστάτης pull-up), καθιστώντας το βολικό για τους πελάτες να πραγματοποιήσουν αξιολογήσεις. Αυτά τα εξαρτήματα δημιουργούν ένα ρεύμα βαθύ ύπνου 0,3 mW στη ράγα τάσης LDO1OUT. Η μέση κατανάλωση ενέργειας της σουίτας αξιολόγησης Voyager4 υπολογίζεται με βάση το χρονικό διάστημα μεταξύ των συμβάντων σε λειτουργίες βαθύ ύπνου, εκπαίδευσης και κανονικής/AI.
Τα ακόλουθα θα παρουσιάσουν περαιτέρω τα λειτουργικά χαρακτηριστικά αυτών των σχετικών συσκευών σε εσάς.
Οι μικροελεγκτές AI επιτρέπουν στα νευρωνικά δίκτυα να λειτουργούν με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας στην άκρη του Internet of Things
Το MAX78000 είναι ένας μικροελεγκτής AI που υιοθετεί ένα επιταχυνσιόμετρο νευρωνικού δικτύου συστροφής εξαιρετικά χαμηλής ισχύος. Αυτός ο νέος τύπος μικροελεγκτή AI επιτρέπει στα νευρωνικά δίκτυα να λειτουργούν με εξαιρετικά χαμηλή ισχύ στην άκρη του Internet of Things, συνδυάζοντας την υψηλής απόδοσης επεξεργασία AI με τον αποδεδειγμένο μικροελεγκτή εξαιρετικά χαμηλής ισχύος Maxim. Με αυτόν τον επιταχυντή νευρωνικού δικτύου συστροφής (CNN) που βασίζεται σε υλικό, ακόμη και οι εφαρμογές με μπαταρία μπορούν να εκτελέσουν συμπεράσματα AI με κατανάλωση ενέργειας σε επίπεδο μικροτζάουλ. Το MAX78000 είναι ένα προηγμένο σύστημα σε τσιπ που ενσωματώνει έναν πυρήνα Arm® Cortex®-M4 με CPU FPU και επιτυγχάνει αποτελεσματικό έλεγχο συστήματος μέσω ενός επιταχυντή νευρωνικού δικτύου βαθιάς μάθησης εξαιρετικά χαμηλής ισχύος. Αυτή η συσκευή υιοθετεί ένα πακέτο 81 ακίδων CTBGA (8mm x 8mm, 0,8mm pitch).
Το MAX32666 είναι ένας μικροελεγκτής χαμηλής ισχύος ARM Cortex-M4 FPU με Bluetooth 5, κατάλληλος για φορετές εφαρμογές. Ο σχεδιασμός αυτού του UB MCU νέας γενιάς προορίζεται να καλύψει τις πολύπλοκες απαιτήσεις εφαρμογών συσκευών με μπαταρία και ασύρματη σύνδεση. Αυτός ο έξυπνος ελεγκτής είναι εξοπλισμένος με μεγαλύτερη μνήμη μεταξύ παρόμοιων προϊόντων και υιοθετεί μια αρχιτεκτονική μνήμης που μπορεί να επεκταθεί σε μεγάλη κλίμακα. Η συσκευή υιοθετεί τεχνολογία φορετής ισχύος, η οποία μπορεί να λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, να είναι ανθεκτική και να είναι σε θέση να αντέχει σε επιθέσεις στον κυβερνοχώρο υψηλού επιπέδου. Αυτή η συσκευή είναι συσκευασμένη σε ένα WLP 109 ακίδων (0,35 mm pitch) και ένα CTBGA 121 ακίδων (0,65 mm pitch).
Το ADXL382 είναι ένα επιταχυνσιόμετρο MEMS 3 αξόνων χαμηλού θορύβου, χαμηλής ισχύος, ευρείας ζώνης, με επιλέξιμα εύρη μέτρησης, που υποστηρίζει εύρη μέτρησης ± 15g, ± 30g και ± 60g. Το ADXL382 προσφέρει κορυφαία επίπεδα θορύβου, επιτρέποντας ακριβείς εφαρμογές με ελάχιστη βαθμονόμηση. Τα χαρακτηριστικά χαμηλού θορύβου και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας επιτρέπουν την ακριβή μέτρηση ηχητικών σημάτων ή ήχων καρδιάς ακόμη και σε περιβάλλοντα υψηλών κραδασμών. Τα πολυλειτουργικά ονόματα ακίδων του ADXL382 μπορούν να αναφέρονται αποκλειστικά από τις λειτουργίες τους που σχετίζονται με τη διασύνδεση Serial peripheral Interface (SPI) ή I2C ή από τις λειτουργίες ήχου τους (διαμόρφωση πυκνότητας παλμού (PDM), I2S ή Time Division multiplexing (TDM)). Το ADXL382 διατίθεται σε ένα πακέτο LGA 14 ακίδων 2,9 mm x 2,8 mm x 0,87 mm.
Μια πλήρης λύση για την ασύρματη παρακολούθηση κατάστασης περιουσιακών στοιχείων χρησιμοποιώντας AI στην άκρη
Το Voyager4 μπορεί να χρησιμοποιήσει AI στην άκρη για ασύρματη παρακολούθηση κατάστασης περιουσιακών στοιχείων. Χρησιμοποιεί αισθητήρες MEMS ψηφιακής εξόδου τριών αξόνων, συμπεριλαμβανομένων των ADXL382 και ADXL367. Αυτός ο σχεδιασμός περιλαμβάνει επίσης τους μικροελεγκτές MAX32666 BLE και MAX78000 AI. Προστέθηκαν ευέλικτες και εξοικονομητικές συσκευές τροφοδοσίας PMIC PCB ως διακόπτες φορτίου για την ενίσχυση του αποτελέσματος εξοικονόμησης ενέργειας των ασύρματων αισθητήρων. Κάθε κιτ Voyager4 περιλαμβάνει έναν προσαρμογέα BLE 5.3 με κεραία. Το Voyager4 χρησιμοποιεί BLE, επομένως είναι συμβατό με οποιονδήποτε υπολογιστή με ραδιόφωνο Bluetooth. Ωστόσο, για να διασφαλιστεί η καλύτερη απόδοση και εμβέλεια, συνιστάται η χρήση ενός προσαρμογέα κατά την επικοινωνία με το Voyager4.
Το ADG1633/ADG1634 είναι ένας διακόπτης 4,5Ω RON, τριών/τεσσάρων καναλιών μονής πόλου διπλής ρίψης (SPDT), ± 5V /+ 12V /+ 5V /+ 3,3V. Τόσο το ADG1633 όσο και το ADG1634 είναι βιομηχανικοί διακόπτες CMOS (iCMOS®) ενός τσιπ. Είναι εξοπλισμένο με τρεις ή τέσσερις ανεξάρτητους και επιλέξιμους διακόπτες μονής πόλου διπλής ρίψης αντίστοιχα. Όλα τα κανάλια είναι εξοπλισμένα με διακόπτες πρώτης-ανοιχτής και τελευταίας-κλειστής για την αποφυγή στιγμιαίων βραχυκυκλωμάτων κατά το άνοιγμα ή το κλείσιμο των καναλιών. Το ADG1633 (πακέτα LFCSP και TSSOP) και το ADG1634 (μόνο πακέτο LFCSP) παρέχουν εισόδους EN για την ενεργοποίηση ή την απενεργοποίηση συσκευών. Η δομή iCMOS μπορεί να εξασφαλίσει εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, επομένως αυτές οι συσκευές είναι πολύ κατάλληλες για φορητά όργανα με μπαταρία.
Το ADXL367 είναι ένα επιταχυνσιόμετρο MEMS με κατανάλωση ενέργειας σε επίπεδο νανομέτρων, 3 αξόνων, ψηφιακή έξοδος ± 2g /± 4g /± 8g. Σε ρυθμό εξόδου δεδομένων 100Hz, καταναλώνει μόνο 0,89 µA και στη λειτουργία αφύπνισης που ενεργοποιείται από ενέργεια, καταναλώνει μόνο 180 nA. Σε αντίθεση με τα επιταχυνσιόμετρα που επιτυγχάνουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας χρησιμοποιώντας τον κύκλο λειτουργίας ισχύος, το ADXL367 δεν αλλοιώνει το σήμα εισόδου μέσω υποδειγματοληψίας, αλλά αντ' αυτού δειγματίζει το πλήρες εύρος ζώνης του αισθητήρα σε όλους τους ρυθμούς δεδομένων. Το ADXL367 διατίθεται σε ένα πακέτο 2,2 mm x 2,3 mm x 0,87 mm.
Το MAX17262 είναι ένας μετρητής επιπέδου μπαταρίας 5,2µA, ModelGauge m5 EZ ενός κυττάρου με ενσωματωμένη ανίχνευση ρεύματος. Είναι ο μετρητής επιπέδου μπαταρίας με το χαμηλότερο IQ στον κλάδο, με ενσωματωμένο ανιχνευτή ρεύματος και τον αλγόριθμο ModelGauge m5 EZ, εξαλείφοντας την ανάγκη για ανάλυση χαρακτηριστικών μπαταρίας. Το MAX17262 μπορεί να παρακολουθεί ένα μόνο στοιχείο μπαταρίας, ενσωματώνει έναν εσωτερικό ανιχνευτή ρεύματος και μπορεί να ανιχνεύσει παλμικά ρεύματα έως και 3,1A. Το IC είναι βελτιστοποιημένο για μέτρηση μπαταρίας με χωρητικότητες που κυμαίνονται από 100mAhr έως 6Ahr. Το MAX17262 διαθέτει ένα μικροσκοπικό, χωρίς μόλυβδο, 0,4 mm βήμα συγκόλλησης, 1,5 mm x 1,5 mm, πακέτο επιπέδου γκοφρέτας 9 ακίδων (WLP).
Το MAX20335 είναι ένα μικρό PMIC για συστήματα ιόντων λιθίου, εξοπλισμένο με έναν ρυθμιστή τάσης εξαιρετικά χαμηλού IQ και φορτιστή μπαταρίας. Διαθέτει μια βελτιστοποιημένη λύση διαχείρισης ενέργειας και υποστηρίζει συστήματα παρακολούθησης 7 x 24 ωρών για φορετά και IoT. Η λύση διαχείρισης φόρτισης μπαταρίας MAX20335 είναι ιδανική για εφαρμογές φορετών χαμηλής ισχύος. Η συσκευή περιλαμβάνει έναν γραμμικό φορτιστή μπαταρίας με έναν έξυπνο επιλογέα ισχύος και μια ποικιλία περιφερειακών βελτιστοποιημένων για ισχύ. Το MAX20335 υιοθετεί 36 σφαιρίδια συγκόλλησης, βήμα σφαιριδίων συγκόλλησης 0,4 mm και ένα πακέτο επιπέδου γκοφρέτας (WLP) 2,72 mm x 2,47 mm.
Συμπέρασμα
Ο μικροελεγκτής με έναν ενσωματωμένο επιταχυντή υλικού AI παρέχει στους ασύρματους κόμβους αισθητήρων ανώτερες δυνατότητες λήψης αποφάσεων και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μπαταρίας. Χρησιμοποιώντας AI στην άκρη, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί να παραταθεί κατά τουλάχιστον 50%. Η ανάλυση τρόπου που περιλαμβάνεται στον αισθητήρα κραδασμών μπορεί να επιταχύνει τον κύκλο ανάπτυξης του αισθητήρα και να διασφαλίσει τη λήψη δεδομένων κραδασμών υψηλής ποιότητας από τα παρακολουθούμενα περιουσιακά στοιχεία. Η ασύρματη πλατφόρμα παρακολούθησης κατάστασης Voyager4 που κυκλοφόρησε από την ADI, σε συνδυασμό με σχετικές λύσεις εξαρτημάτων, θα είναι ο καλύτερος βοηθός σας για την προσθήκη νοημοσύνης σε βιομηχανικά συστήματα.
Το μήνυμά σας πρέπει να αποτελείται από 20-3.000 χαρακτήρες!