Há muitas maneiras de adicionar mais inteligência aos sistemas industriais, incluindo a combinação de componentes analógicos e digitais com sensores com inteligência artificial (IA) de borda e nuvem.Devido à diversidade dos métodos de IA, os designers de sensores precisam considerar múltiplos requisitos conflitantes, incluindo o atraso da decisão, o uso da rede, o consumo de energia / duração da bateria e os modelos de IA adequados para a máquina.Este artigo irá focar na introdução da aplicação de sensores inteligentes de monitoramento de motores sem fio de IA e as soluções relacionadas lançadas pela ADI.
A monitorização da saúde dos motores é realizada com sensores industriais sem fios
A monitorização da condição (CbM) em robôs e máquinas rotativas (como turbinas, ventiladores, bombas e motores) pode registar dados em tempo real relacionados com o estado e o desempenho das máquinas,permitindo assim uma manutenção preditiva direcionada e um controlo otimizadoA manutenção preditiva direccionada realizada numa fase inicial do ciclo de vida de uma máquina pode reduzir o risco de paralisação da produção, aumentando assim a fiabilidade.A redução significativa dos custos e a melhoria da eficiência da produção na oficina da fábricaO monitoramento de condições (CbM) de máquinas industriais pode utilizar uma série de dados de sensores, tais como medições elétricas, vibração, temperatura, qualidade do óleo, acústica, campos magnéticos,bem como medições de processo como fluxo e pressãoNo entanto, a medição das vibrações é de longe a mais comum, porque pode fornecer a indicação mais fiável de problemas mecânicos, tais como desequilíbrio e falha de rolamento.
Atualmente, os sensores industriais sem fio no mercado normalmente operam em ciclos de trabalho extremamente baixos. Os usuários definem a duração do sono dos sensores.Os sensores são despertados para medir a temperatura e vibraçãoOs sensores disponíveis no mercado exigem tipicamente uma duração da bateria de cinco anos.baseado na recolha de dados uma vez a cada 24 horas ou várias vezes a cada 24 horas.
Na maioria dos casos, o sensor está em modo de sono por mais de 90% do tempo.mas usa a detecção de anomalias da AI de ponta (com o microcontrolador MAX78000 AI) para limitar o uso de rádioQuando o sensor é despertado e mede os dados, só quando o microcontrolador detecta dados anormais ele enviará os dados de volta para o usuário,Assim, desencadeando o diagnóstico e manutenção da máquina e prolongando a vida útil do motorUsando IA na borda, a vida da bateria pode ser estendida em pelo menos 50%.
A Voyager4 é uma plataforma de monitoramento de condição sem fio desenvolvida pela Analog Devices (ADI), projetada para ajudar os desenvolvedores a implantar e testar rapidamente soluções sem fio para máquinas ou equipamentos de teste.As soluções de monitorização da saúde motora, como a Voyager4, são amplamente utilizadas em robôs, bem como em máquinas rotativas como turbinas, ventiladores, bombas e motores.
O princípio de funcionamento do sistema de sensores Voyager4
O sensor Voyager4, em combinação com o sistema digital micro-eletromecânico digital de 8 kHz ADXL382 de três eixos (MEMS), é utilizado para recolher dados de vibração.Os dados brutos de vibração são transmitidos para o processador Bluetooth ® (BLE) de baixa potência MAX32666.Os dados podem ser enviados ao usuário via rádio BLE ou USB. Estes dados de vibração em bruto são usados para treinar algoritmos de IA de ponta com a ferramenta MAX78000.
Use a ferramenta MAX78000 para sintetizar o modelo de IA em código C.O algoritmo da AI de borda é enviado para o sensor Voyager4 via atualizações sem fio (OTA) da BLE e armazenado na memória usando o processador MAX78000 com um acelerador de hardware da AI de bordaApós a fase inicial de treinamento da Voyager 4, dados MEMS ADXL382 podem ser transmitidos ao longo do caminho.O algoritmo MAX78000 Edge AI irá prever se a máquina falhou ou está a funcionar normalmente com base nos dados de vibração recolhidosSe os dados de vibração forem normais, não há necessidade de usar o rádio MAX32666, e o MEMS retornará ao modo de sono.um alerta de vibração anormal será enviado ao utilizador através do BLE.
No sistema de hardware da Voyager4, o ADXL382 adotado é um acelerômetro MEMS de 3 eixos com baixa densidade de ruído e baixo consumo de energia, com uma faixa de medição selecionável.Este dispositivo suporta ± 15g, ± 30 g e ± 60 g, bem como uma ampla largura de banda de medição de 8 kHz. O ADG1634 é um interruptor CMOS de duplo lançamento (SPDT) de pólo único,que é utilizado para encaminhar os dados brutos de vibração MEMS para o rádio MAX32666 BLE ou para o microcontrolador MAX78000 AI, com o microcontrolador BLE utilizado para controlar o interruptor SPDT. Vários outros periféricos estão ligados ao MAX32666,incluindo o medidor de bateria MAX17262 para monitorização da corrente da bateria e o acelerômetro MEMS ADXL367 de potência ultra-baixaO ADXL367 é usado para acordar rádios BLE do modo de sono profundo durante eventos de choque de alta vibração.O microcontrolador BLE pode transferir os dados brutos do ADXL382 MEMS para o host via BLE ou USB do FTDI FT234XD-R.
O sensor Voyager4 adota o circuito integrado de gestão de energia MAX20335 (PMIC),que possui dois reguladores lineares de baixa descida de corrente de quiescência ultra-baixa e três reguladores lineares de baixa descida de corrente de quiescência ultra-baixa (LDO)As tensões de saída de cada LDO e regulador de desactivação podem ser ativadas ou desativadas de forma independente, e cada valor de tensão de saída pode ser programado via I2C com pré-configuração padrão.O processador BLE é usado para ativar ou desativar uma única saída de energia PMIC para diferentes modos de trabalho Voyager4.
No modo de formação, o microcontrolador BLE deve primeiro notificar a sua presença na rede BLE e estabelecer uma ligação BLE com o gestor de rede.A Voyager4 transmite os dados ADXL382 MEMS brutos através da rede BLE para treinar algoritmos de IA no PC do usuárioApós isso, o sensor Voyager4 retorna ao modo de sono profundo.O MAX78000 vai acordar regularmente e executar inferências de IASe nenhuma anomalia for detectada, a Voyager 4 voltará ao modo de sono profundo.
O kit de avaliação Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z), lançado pela ADI, inclui vários componentes (LED, resistência de puxa), tornando conveniente para os clientes realizarem avaliações.Estes componentes geram uma corrente de sono profundo de 0O consumo médio de energia da suíte de avaliação Voyager4 é calculado com base no intervalo de tempo entre os eventos no sono profundo, treinamento e modos normais/IA.
A seguir serão apresentadas as características funcionais destes dispositivos relacionados.
Os microcontroladores de IA permitem que as redes neurais operem a um consumo de energia ultra baixo na borda da Internet das Coisas
O MAX78000 é um microcontrolador de IA que adota um acelerômetro de rede neural convolucional de ultra baixa potência.Este novo tipo de microcontrolador de IA permite que as redes neurais operem a ultra baixa potência na borda da Internet das Coisas.Com este acelerador de rede neural de convolução baseado em hardware,Mesmo aplicações alimentadas por bateria podem realizar inferências de IA com consumo de energia a nível de microjouleO MAX78000 é um sistema avançado em chip que integra um núcleo Arm® Cortex®-M4 com uma CPU FPU e obtém controle eficiente do sistema através de um acelerador de rede neural profunda de ultra baixa potência.Este dispositivo adota um CTBGA de 81 pinos (8mm x 8mm, 0,8 mm de inclinação) do pacote.
O MAX32666 é um microcontrolador baseado em FPU ARM Cortex-M4 de baixa potência com Bluetooth 5, adequado para aplicações vestíveis.O projeto desta nova geração de MCU UB destina-se a satisfazer os requisitos de aplicação complexos de dispositivos alimentados a bateria e conectados sem fioEste controlador inteligente é equipado com uma memória maior entre produtos semelhantes e adota uma arquitetura de memória que pode ser expandida em grande escala.O dispositivo adota tecnologia de energia portátilEste dispositivo é embalado em um WLP de 109 pinos (0,35mm pitch) e um CTBGA de 121 pinos (0,65mm pitch).
O ADXL382 é um acelerômetro MEMS de baixo ruído, baixa potência, largura de banda, de 3 eixos, com faixas de medição selecionáveis, suportando faixas de medição de ± 15 g, ± 30 g e ± 60 g.O ADXL382 oferece níveis de ruído líderes na indústria, permitindo aplicações precisas com uma calibração mínima.As suas características de baixo ruído e baixo consumo de energia permitem a medição precisa de sinais de áudio ou sons cardíacos, mesmo em ambientes de alta vibração. Os nomes de pines multifuncionais do ADXL382 podem ser referenciados unicamente pelas suas funções relacionadas com a Interface Serial Periférica (SPI) ou a interface I2C,ou pelas suas funções de áudio (modulação da densidade de pulso (PDM)O ADXL382 está disponível em um pacote LGA de 14 pinos de 2,9 mm x 2,8 mm x 0,87 mm.
Uma solução completa para monitoramento de status de ativos sem fio usando a IA de ponta
A Voyager4 pode usar a inteligência artificial de ponta para monitoramento de status de ativos sem fio.Este projeto inclui também os microcontroladores MAX32666 BLE e MAX78000 AIOs dispositivos de alimentação PMIC flexíveis e de poupança de espaço em PCB foram adicionados como interruptores de carga para aumentar o efeito de poupança de energia dos sensores sem fio.3 adaptadores com antenaNo entanto, para garantir o melhor desempenho e alcance, recomenda-se o uso de um adaptador ao se comunicar com a Voyager4.
O ADG1633/ADG1634 é um interruptor RON de 4,5Ω, três/quatro canais de duplo lançamento de pólo único (SPDT), ± 5V /+ 12V /+ 5V /+ 3.3V.Tanto o ADG1633 como o ADG1634 são comutadores analógicos CMOS industriais de chip único (iCMOS®)É equipado com três ou quatro interruptores de duplo lançamento de pólo único independentes e selecionáveis, respectivamente.Todos os canais são equipados com interruptores de primeira abertura e última fechadura para evitar curto-circuitos instantâneos ao abrir ou fechar os canais. O ADG1633 (pacotes LFCSP e TSSOP) e o ADG1634 (pacotes LFCSP apenas) fornecem entradas EN para ativar ou desativar dispositivos.Portanto, estes dispositivos são muito adequados para instrumentos portáteis movidos a bateria.
O ADXL367 é um acelerômetro MEMS com consumo de energia de nível nanométrico, 3 eixos, ± 2g / ± 4g / ± 8g de saída digital.e no modo de despertar desencadeado por ação, consome apenas 180 nA. Ao contrário dos acelerômetros que conseguem um baixo consumo de energia através do ciclo de trabalho de potência,o ADXL367 não aliia o sinal de entrada através de subamostragem, mas em vez disso amostra a largura de banda completa do sensor em todas as taxas de dadosO ADXL367 está disponível numa embalagem de 2,2 mm x 2,3 mm x 0,87 mm.
O MAX17262 é um medidor de nível de bateria de célula única de 5.2μA, ModelGauge m5 EZ com detecção de corrente incorporada.com um detector de corrente integrado e o algoritmo ModelGauge m5 EZO MAX17262 pode monitorar uma única célula de bateria, integra um detector de corrente interno e pode detectar correntes de pulso de até 3,1 A.O IC é otimizado para a medição de baterias com capacidades que variam de 100mAhr a 6AhrO MAX17262 possui um pequeno, livre de chumbo, 0,4 mm de passo de solda, 1,5 mm x 1,5 mm, pacote de nível de bolacha de 9 pinos (WLP).
O MAX20335 é um pequeno PMIC para sistemas de íons de lítio, equipado com um regulador de voltagem de QI ultra baixo e carregador de bateria.Possui uma solução de gestão de energia otimizada e suporta sistemas de monitorização 7 x 24 horas para wearables e IoTA solução de gestão de carregamento da bateria MAX20335 é ideal para aplicações portáteis de baixa potência.O dispositivo inclui um carregador de bateria linear com um selector de potência inteligente e uma variedade de periféricos otimizados para potênciaO MAX20335 adota 36 bolas de solda, 0,4 mm de passo de bola de solda e um pacote de nível de bola (WLP) de 2,72 mm x 2,47 mm.
Conclusão
O microcontrolador com um acelerador de hardware de IA integrado fornece nós sensores sem fio com capacidades superiores de tomada de decisão e maior duração da bateria.A duração da bateria pode ser prolongada em pelo menos 50%A análise modal incluída no sensor de vibração pode acelerar o ciclo de desenvolvimento do sensor e garantir a captura de dados de vibração de alta qualidade dos ativos monitorizados.A plataforma de monitoramento sem fio da condição Voyager4 lançada pela ADI, combinado com soluções de componentes relacionados, será o seu melhor assistente para adicionar inteligência aos sistemas industriais.
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