Esistono molti modi per aggiungere più intelligenza ai sistemi industriali, tra cui l'abbinamento di componenti analogici e digitali con sensori dotati di intelligenza artificiale (IA) edge e cloud. A causa della diversità dei metodi di IA, i progettisti di sensori devono considerare molteplici requisiti contrastanti, tra cui il ritardo decisionale, l'utilizzo della rete, il consumo energetico/durata della batteria e i modelli di IA adatti alla macchina. Questo articolo si concentrerà sull'introduzione dell'applicazione di sensori intelligenti di monitoraggio wireless dei motori basati sull'IA e delle relative soluzioni lanciate da ADI.
Il monitoraggio dello stato di salute del motore viene effettuato utilizzando sensori industriali wireless
Il condition monitoring (CbM) su robot e macchinari rotanti (come turbine, ventilatori, pompe e motori) può registrare dati in tempo reale relativi allo stato di salute e alle prestazioni delle macchine, consentendo così una manutenzione predittiva mirata e un controllo ottimizzato. La manutenzione predittiva mirata effettuata nella fase iniziale del ciclo di vita di una macchina può ridurre il rischio di tempi di inattività della produzione, migliorando così l'affidabilità, risparmiando notevolmente sui costi e migliorando l'efficienza della produzione nell'officina. Il condition monitoring (CbM) delle macchine industriali può utilizzare una serie di dati dei sensori, come misurazioni elettriche, vibrazioni, temperatura, qualità dell'olio, acustica, campi magnetici, nonché misurazioni di processo come flusso e pressione. Tuttavia, la misurazione delle vibrazioni è di gran lunga la più comune perché può fornire l'indicazione più affidabile di problemi meccanici, come squilibri e guasti dei cuscinetti.
Attualmente, i sensori industriali wireless sul mercato operano tipicamente con cicli di lavoro estremamente bassi. Gli utenti impostano la durata del sonno dei sensori. Al termine del periodo di sonno, i sensori vengono riattivati per misurare la temperatura e le vibrazioni, quindi i dati vengono inviati all'aggregatore di dati dell'utente tramite segnali radio. I sensori disponibili in commercio dichiarano tipicamente una durata della batteria di cinque anni, sulla base della raccolta di dati una volta ogni 24 ore o più volte ogni 24 ore.
Nella maggior parte dei casi, il sensore è in modalità di sospensione per oltre il 90% del tempo. Prendiamo come esempio il sensore Voyager4 di ADI. Funziona in modo simile, ma utilizza il rilevamento delle anomalie dell'IA edge (con il microcontrollore AI MAX78000) per limitare l'uso della radio. Quando il sensore viene riattivato e misura i dati, solo quando il microcontrollore rileva dati anomali invierà i dati all'utente, innescando così la diagnosi e la manutenzione della macchina e prolungando la durata del motore. Utilizzando l'IA all'edge, la durata della batteria può essere estesa di almeno il 50%.
Voyager4 è una piattaforma di condition monitoring wireless sviluppata da Analog Devices (ADI), progettata per aiutare gli sviluppatori a implementare e testare rapidamente soluzioni wireless per macchine o apparecchiature di prova. Soluzioni di monitoraggio dello stato di salute del motore come Voyager4 sono ampiamente utilizzate nei robot, così come nei macchinari rotanti come turbine, ventilatori, pompe e motori.
Il principio di funzionamento del sistema di sensori Voyager4
Il sensore Voyager4, in combinazione con il sistema micro-elettromeccanico (MEMS) digitale a tre assi ADXL382 a 8 kHz, viene utilizzato per raccogliere dati sulle vibrazioni. Innanzitutto, i dati grezzi sulle vibrazioni vengono trasmessi al processore Bluetooth ® (BLE) a bassa potenza MAX32666. I dati possono essere inviati all'utente tramite radio BLE o USB. Questi dati grezzi sulle vibrazioni vengono utilizzati per addestrare algoritmi di IA edge con lo strumento MAX78000.
Utilizzare lo strumento MAX78000 per sintetizzare il modello di IA in codice C. L'algoritmo di IA edge viene inviato al sensore Voyager4 tramite aggiornamenti wireless BLE (OTA) e memorizzato in memoria utilizzando il processore MAX78000 con un acceleratore hardware di IA edge. Dopo la fase di addestramento iniziale di Voyager4, i dati MEMS ADXL382 possono essere trasmessi lungo il percorso. L'algoritmo di IA edge MAX78000 prevede se la macchina ha subito un malfunzionamento o sta funzionando normalmente in base ai dati sulle vibrazioni raccolti. Se i dati sulle vibrazioni sono normali, non è necessario utilizzare la radio MAX32666 e il MEMS tornerà in modalità di sospensione. Tuttavia, se i dati sulle vibrazioni previsti sono errati, verrà inviato un avviso di vibrazione anomala all'utente tramite BLE.
Nel sistema hardware di Voyager4, l'ADXL382 adottato è un accelerometro MEMS a 3 assi con bassa densità di rumore e basso consumo energetico, con un intervallo di misurazione selezionabile. Questo dispositivo supporta intervalli di misurazione di ± 15 g, ± 30 g e ± 60 g, nonché un'ampia larghezza di banda di misurazione di 8 kHz. L'ADG1634 è un interruttore CMOS a polo singolo a doppia corsa (SPDT), che viene utilizzato per instradare i dati grezzi sulle vibrazioni MEMS alla radio MAX32666 BLE o al microcontrollore AI MAX78000, con il microcontrollore BLE utilizzato per controllare l'interruttore SPDT. Diverse altre periferiche sono collegate al MAX32666, tra cui l'indicatore della batteria MAX17262 per il monitoraggio della corrente della batteria e l'accelerometro MEMS ADXL367 a bassissima potenza. L'ADXL367 viene utilizzato per riattivare le radio BLE dalla modalità di sospensione profonda durante eventi di shock ad alta vibrazione. In modalità di riattivazione attivata dal movimento, il suo consumo energetico è di soli 180 nA. Il microcontrollore BLE può trasferire i dati grezzi di ADXL382 MEMS all'host tramite BLE o USB di FTDI FT234XD-R.
Il sensore Voyager4 adotta il circuito integrato di gestione dell'alimentazione (PMIC) MAX20335, che presenta due regolatori step-down a corrente di riposo ultra-bassa e tre regolatori lineari a bassa caduta (LDO) a corrente di riposo ultra-bassa. Le tensioni di uscita di ogni LDO e regolatore step-down possono essere abilitate o disabilitate indipendentemente e ogni valore di tensione di uscita può essere programmato tramite I2C con preconfigurazione predefinita. Il processore BLE viene utilizzato per abilitare o disabilitare una singola uscita di alimentazione PMIC per diverse modalità di funzionamento di Voyager4.
In modalità di addestramento, il microcontrollore BLE deve prima notificare la sua presenza nella rete BLE e quindi stabilire una connessione BLE con il gestore di rete. Quindi, Voyager4 trasmette i dati grezzi ADXL382 MEMS tramite la rete BLE per addestrare gli algoritmi di IA sul PC dell'utente. Successivamente, il sensore Voyager4 torna in modalità di sospensione profonda. In modalità normale (IA), la segnalazione radio BLE, le funzioni di connessione e trasmissione sono disabilitate per impostazione predefinita. Il MAX78000 si riattiverà regolarmente ed eseguirà l'inferenza dell'IA. Se non viene rilevata alcuna anomalia, Voyager4 tornerà in modalità di sospensione profonda.
Il kit di valutazione Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z) lanciato da ADI include più componenti (LED, resistore pull-up), rendendo conveniente per i clienti condurre valutazioni. Questi componenti generano una corrente di sospensione profonda di 0,3 mW sul rail di tensione LDO1OUT. Il consumo energetico medio della suite di valutazione Voyager4 viene calcolato in base all'intervallo di tempo tra gli eventi in modalità di sospensione profonda, addestramento e normale/IA.
Di seguito verranno ulteriormente introdotte le caratteristiche funzionali di questi dispositivi correlati.
I microcontrollori AI consentono alle reti neurali di operare a bassissimo consumo energetico all'edge dell'Internet of Things
Il MAX78000 è un microcontrollore AI che adotta un acceleratore di rete neurale convoluzionale a bassissimo consumo energetico. Questo nuovo tipo di microcontrollore AI consente alle reti neurali di operare a bassissimo consumo energetico all'edge dell'Internet of Things, combinando l'elaborazione AI ad alta efficienza con il collaudato microcontrollore a bassissimo consumo energetico Maxim. Con questo acceleratore di rete neurale convoluzionale (CNN) basato su hardware, anche le applicazioni alimentate a batteria possono eseguire l'inferenza AI con un consumo energetico a livello di microjoule. Il MAX78000 è un sistema-su-chip avanzato che integra un core Arm® Cortex®-M4 con una CPU FPU e raggiunge un efficiente controllo del sistema tramite un acceleratore di rete neurale profonda a bassissimo consumo energetico. Questo dispositivo adotta un package CTBGA a 81 pin (8 mm x 8 mm, passo 0,8 mm).
Il MAX32666 è un microcontrollore a bassa potenza basato su ARM Cortex-M4 FPU con Bluetooth 5, adatto per applicazioni indossabili. Il design di questa MCU UB di nuova generazione ha lo scopo di soddisfare i complessi requisiti applicativi dei dispositivi alimentati a batteria e connessi in modalità wireless. Questo controller intelligente è dotato di una memoria più grande tra prodotti simili e adotta un'architettura di memoria che può essere espansa su larga scala. Il dispositivo adotta la tecnologia di alimentazione indossabile, che può funzionare a lungo, essere durevole e in grado di resistere ad attacchi informatici di alto livello. Questo dispositivo è confezionato in un WLP a 109 pin (passo 0,35 mm) e in un CTBGA a 121 pin (passo 0,65 mm).
L'ADXL382 è un accelerometro MEMS a 3 assi a basso rumore, bassa potenza e ampia larghezza di banda con intervalli di misurazione selezionabili, che supporta intervalli di misurazione di ± 15 g, ± 30 g e ± 60 g. L'ADXL382 offre livelli di rumore leader del settore, consentendo applicazioni precise con una calibrazione minima. Le sue caratteristiche di basso rumore e basso consumo energetico consentono una misurazione accurata dei segnali audio o dei suoni cardiaci anche in ambienti ad alte vibrazioni. I nomi dei pin multifunzionali di ADXL382 possono essere referenziati esclusivamente dalle loro funzioni relative all'interfaccia periferica seriale (SPI) o all'interfaccia I2C, o dalle loro funzioni audio (Modulazione della densità degli impulsi (PDM), I2S o Multiplexing a divisione di tempo (TDM)). L'ADXL382 è disponibile in un package LGA a 14 pin di 2,9 mm x 2,8 mm x 0,87 mm.
Una soluzione completa per il monitoraggio dello stato delle risorse wireless utilizzando l'IA edge
Voyager4 può utilizzare l'IA edge per il monitoraggio dello stato delle risorse wireless. Impiega sensori MEMS a uscita digitale a tre assi, tra cui ADXL382 e ADXL367. Questo design include anche i microcontrollori MAX32666 BLE e MAX78000 AI. Sono stati aggiunti dispositivi di alimentazione PMIC flessibili e salvaspazio PCB come interruttori di carico per migliorare l'effetto di risparmio energetico dei sensori wireless. Ogni kit Voyager4 include un adattatore BLE 5.3 con un'antenna. Voyager4 utilizza BLE, quindi è compatibile con qualsiasi PC con una radio Bluetooth. Tuttavia, per garantire le migliori prestazioni e portata, si consiglia di utilizzare un adattatore quando si comunica con Voyager4.
L'ADG1633/ADG1634 è un interruttore a 4,5Ω RON, a tre/quattro canali a polo singolo a doppia corsa (SPDT), ± 5 V /+ 12 V /+ 5 V /+ 3,3 V. Sia l'ADG1633 che l'ADG1634 sono interruttori analogici CMOS industriali (iCMOS®) a chip singolo. È dotato rispettivamente di tre o quattro interruttori a polo singolo a doppia corsa indipendenti e selezionabili. Tutti i canali sono dotati di interruttori first-open e last-close per evitare cortocircuiti istantanei durante l'apertura o la chiusura dei canali. Gli ADG1633 (package LFCSP e TSSOP) e ADG1634 (solo package LFCSP) forniscono ingressi EN per abilitare o disabilitare i dispositivi. La struttura iCMOS può garantire un consumo energetico estremamente basso, quindi questi dispositivi sono molto adatti per strumenti portatili alimentati a batteria.
L'ADXL367 è un accelerometro MEMS con consumo energetico a livello di nanometri, a 3 assi, uscita digitale ± 2 g /± 4 g /± 8 g. A una velocità di trasmissione dati di 100 Hz, consuma solo 0,89 µA e, in modalità di riattivazione attivata dall'azione, consuma solo 180 nA. A differenza degli accelerometri che raggiungono un basso consumo energetico utilizzando il ciclo di lavoro, l'ADXL367 non esegue l'aliasing del segnale di ingresso tramite il sottocampionamento, ma campiona l'intera larghezza di banda del sensore a tutte le velocità di trasmissione dati. L'ADXL367 è disponibile in un package di 2,2 mm x 2,3 mm x 0,87 mm.
Il MAX17262 è un indicatore del livello della batteria a cella singola ModelGauge m5 EZ da 5,2µA con rilevamento di corrente integrato. È l'indicatore del livello della batteria con l'IQ più basso del settore, con un rilevatore di corrente integrato e l'algoritmo ModelGauge m5 EZ, eliminando la necessità di analisi delle caratteristiche della batteria. Il MAX17262 può monitorare una singola cella della batteria, integra un rilevatore di corrente interno e può rilevare correnti a impulsi fino a 3,1 A. L'IC è ottimizzato per la misurazione della batteria con capacità che vanno da 100 mAhr a 6 Ahr. Il MAX17262 presenta un minuscolo package a livello di wafer (WLP) a 9 pin, senza piombo, passo di saldatura di 0,4 mm, 1,5 mm x 1,5 mm.
Il MAX20335 è un piccolo PMIC per sistemi agli ioni di litio, dotato di un regolatore di tensione a bassissimo IQ e caricabatterie. Presenta una soluzione di gestione dell'alimentazione ottimizzata e supporta sistemi di monitoraggio 7 x 24 ore per dispositivi indossabili e IoT. La soluzione di gestione della ricarica della batteria MAX20335 è ideale per applicazioni indossabili a bassa potenza. Il dispositivo include un caricabatterie lineare con un selettore di alimentazione intelligente e una varietà di periferiche ottimizzate per l'alimentazione. Il MAX20335 adotta 36 sfere di saldatura, passo delle sfere di saldatura di 0,4 mm e un package a livello di wafer (WLP) di 2,72 mm x 2,47 mm.
Conclusione
Il microcontrollore con un acceleratore hardware AI integrato fornisce ai nodi dei sensori wireless capacità decisionali superiori e una maggiore durata della batteria. Utilizzando l'IA all'edge, la durata della batteria può essere estesa di almeno il 50%. L'analisi modale inclusa nel sensore di vibrazioni può accelerare il ciclo di sviluppo del sensore e garantire l'acquisizione di dati sulle vibrazioni di alta qualità dalle risorse monitorate. La piattaforma di condition monitoring wireless Voyager4 lanciata da ADI, combinata con le relative soluzioni componenti, sarà il tuo miglior assistente per aggiungere intelligenza ai sistemi industriali.
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