Существует множество способов добавить больше интеллекта в промышленные системы, включая сопоставление аналоговых и цифровых компонентов с датчиками, оснащенными искусственным интеллектом (ИИ) на границе сети и в облаке. Из-за разнообразия методов ИИ разработчикам датчиков необходимо учитывать множество противоречивых требований, включая задержку принятия решений, использование сети, энергопотребление/срок службы батареи и модели ИИ, подходящие для машины. В этой статье основное внимание будет уделено представлению применения интеллектуальных беспроводных датчиков мониторинга двигателей ИИ и связанных с ними решений, выпущенных ADI.
Мониторинг состояния двигателя осуществляется с помощью беспроводных промышленных датчиков
Мониторинг состояния (CbM) на роботах и вращающемся оборудовании (например, турбинах, вентиляторах, насосах и двигателях) может записывать данные в реальном времени, связанные со здоровьем и производительностью машин, тем самым обеспечивая целевое профилактическое обслуживание и оптимизированное управление. Целевое профилактическое обслуживание, проводимое на ранней стадии жизненного цикла машины, может снизить риск простоя производства, тем самым повысив надежность, значительно экономя затраты и повышая эффективность производства в цеху. Мониторинг состояния (CbM) промышленных машин может использовать ряд данных с датчиков, таких как электрические измерения, вибрация, температура, качество масла, акустика, магнитные поля, а также измерения технологических процессов, таких как расход и давление. Однако измерение вибрации является наиболее распространенным, поскольку оно может предоставить наиболее надежную информацию о механических проблемах, таких как дисбаланс и выход из строя подшипников.
В настоящее время беспроводные промышленные датчики, представленные на рынке, обычно работают с чрезвычайно низким рабочим циклом. Пользователи устанавливают продолжительность сна датчиков. После окончания периода сна датчики пробуждаются для измерения температуры и вибрации, а затем данные отправляются обратно в агрегатор данных пользователя по радиосигналам. Коммерчески доступные датчики обычно заявляют о сроке службы батареи в пять лет, основываясь на сборе данных один раз в 24 часа или несколько раз в течение 24 часов.
В большинстве случаев датчик находится в спящем режиме более 90% времени. Возьмем, к примеру, датчик Voyager4 от ADI. Он работает аналогичным образом, но использует обнаружение аномалий ИИ на границе сети (с микроконтроллером ИИ MAX78000), чтобы ограничить использование радиосвязи. Когда датчик пробуждается и измеряет данные, только когда микроконтроллер обнаруживает аномальные данные, он отправляет данные обратно пользователю, тем самым инициируя диагностику и техническое обслуживание машины и продлевая срок службы двигателя. Используя ИИ на границе сети, срок службы батареи можно увеличить как минимум на 50%.
Voyager4 — это беспроводная платформа мониторинга состояния, разработанная Analog Devices (ADI), предназначенная для помощи разработчикам в быстрой развертке и тестировании беспроводных решений для машин или испытательного оборудования. Решения для мониторинга состояния двигателя, такие как Voyager4, широко используются в роботах, а также во вращающемся оборудовании, таком как турбины, вентиляторы, насосы и двигатели.
Принцип работы системы датчиков Voyager4
Датчик Voyager4 в сочетании с трехосевой цифровой микроэлектромеханической системой (MEMS) ADXL382 8 кГц используется для сбора данных о вибрации. Во-первых, необработанные данные о вибрации передаются на маломощный процессор Bluetooth ® (BLE) MAX32666. Данные могут быть отправлены пользователю через радио BLE или USB. Эти необработанные данные о вибрации используются для обучения алгоритмов ИИ на границе сети с помощью инструмента MAX78000.
Используйте инструмент MAX78000 для синтеза модели ИИ в код C. Алгоритм ИИ на границе сети отправляется на датчик Voyager4 через беспроводные (OTA) обновления BLE и сохраняется в памяти с использованием процессора MAX78000 с аппаратным ускорителем ИИ на границе сети. После начальной фазы обучения Voyager4 данные MEMS ADXL382 могут передаваться по пути. Алгоритм ИИ на границе сети MAX78000 предскажет, вышла ли машина из строя или работает нормально, основываясь на собранных данных о вибрации. Если данные о вибрации нормальные, нет необходимости использовать радио MAX32666, и MEMS вернется в спящий режим. Однако, если предсказанные данные о вибрации неверны, пользователю будет отправлено предупреждение об аномальной вибрации через BLE.
В аппаратной системе Voyager4 используется 3-осевой акселерометр MEMS ADXL382 с низкой плотностью шума и низким энергопотреблением, имеющий выбираемый диапазон измерений. Это устройство поддерживает диапазоны измерений ± 15g, ± 30g и ± 60g, а также широкую полосу пропускания измерений 8 кГц. ADG1634 — это однополюсный двухпозиционный (SPDT) КМОП-переключатель, который используется для маршрутизации необработанных данных о вибрации MEMS на радио BLE MAX32666 или микроконтроллер ИИ MAX78000, при этом микроконтроллер BLE используется для управления переключателем SPDT. К MAX32666 подключено несколько других периферийных устройств, включая измеритель заряда батареи MAX17262 для контроля тока батареи и акселерометр MEMS ADXL367 со сверхнизким энергопотреблением. ADXL367 используется для пробуждения радио BLE из режима глубокого сна во время событий удара с высокой вибрацией. В режиме пробуждения, активируемом движением, его энергопотребление составляет всего 180 нА. Микроконтроллер BLE может передавать необработанные данные MEMS ADXL382 на хост через BLE или USB FTDI FT234XD-R.
Датчик Voyager4 использует интегральную схему управления питанием (PMIC) MAX20335, которая имеет два понижающих регулятора со сверхнизким током покоя и три линейных регулятора с низким падением напряжения (LDO) со сверхнизким током покоя. Выходные напряжения каждого LDO и понижающего регулятора можно включать или отключать независимо, и каждое значение выходного напряжения можно запрограммировать через I2C с предварительной конфигурацией по умолчанию. Процессор BLE используется для включения или отключения одного выхода питания PMIC для различных рабочих режимов Voyager4.
В режиме обучения микроконтроллер BLE должен сначала уведомить о своем присутствии в сети BLE, а затем установить соединение BLE с сетевым менеджером. Затем Voyager4 передает необработанные данные MEMS ADXL382 через сеть BLE для обучения алгоритмов ИИ на ПК пользователя. После этого датчик Voyager4 возвращается в режим глубокого сна. В обычном (ИИ) режиме сигнализация, соединение и функции передачи радио BLE отключены по умолчанию. MAX78000 будет регулярно просыпаться и выполнять вывод ИИ. Если аномалия не обнаружена, Voyager4 вернется в режим глубокого сна.
Оценочный комплект Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z), выпущенный ADI, включает в себя несколько компонентов (светодиод, подтягивающий резистор), что позволяет клиентам проводить оценки. Эти компоненты генерируют ток глубокого сна 0,3 мВт на шине напряжения LDO1OUT. Среднее энергопотребление оценочного набора Voyager4 рассчитывается на основе временного интервала между событиями в режимах глубокого сна, обучения и нормального/ИИ.
Далее будут представлены функциональные характеристики этих связанных устройств.
Микроконтроллеры ИИ позволяют нейронным сетям работать с ультранизким энергопотреблением на границе Интернета вещей
MAX78000 — это микроконтроллер ИИ, который использует акселерометр сверточной нейронной сети со сверхнизким энергопотреблением. Этот новый тип микроконтроллера ИИ позволяет нейронным сетям работать с ультранизким энергопотреблением на границе Интернета вещей, сочетая высокоэффективную обработку ИИ с проверенным микроконтроллером Maxim со сверхнизким энергопотреблением. С этим аппаратным ускорителем сверточной нейронной сети (CNN) даже приложения с питанием от батареи могут выполнять вывод ИИ с энергопотреблением на уровне микроджоулей. MAX78000 — это усовершенствованная система-на-кристалле, которая интегрирует ядро Arm® Cortex®-M4 с процессором FPU и обеспечивает эффективное управление системой с помощью ускорителя глубокой нейронной сети со сверхнизким энергопотреблением. Это устройство использует 81-контактный корпус CTBGA (8 мм x 8 мм, шаг 0,8 мм).
MAX32666 — это маломощный микроконтроллер на базе ARM Cortex-M4 FPU с Bluetooth 5, подходящий для носимых приложений. Конструкция этого UB MCU нового поколения предназначена для удовлетворения сложных требований приложений устройств с батарейным питанием и беспроводным подключением. Этот интеллектуальный контроллер оснащен большей памятью среди аналогичных продуктов и использует архитектуру памяти, которую можно масштабировать в больших масштабах. Устройство использует технологию питания для носимых устройств, которая может работать в течение длительного времени, быть долговечной и способной выдерживать кибер-атаки высокого уровня. Это устройство упаковано в 109-контактный WLP (шаг 0,35 мм) и 121-контактный CTBGA (шаг 0,65 мм).
ADXL382 — это малошумящий, маломощный, широкополосный 3-осевой акселерометр MEMS с выбираемыми диапазонами измерений, поддерживающий диапазоны измерений ± 15g, ± 30g и ± 60g. ADXL382 обеспечивает лучшие в отрасли уровни шума, что позволяет выполнять точные приложения с минимальной калибровкой. Его низкий уровень шума и низкое энергопотребление позволяют точно измерять звуковые сигналы или сердечные тоны даже в условиях высокой вибрации. Названия многофункциональных контактов ADXL382 можно ссылаться только по их функциям, связанным с последовательным периферийным интерфейсом (SPI) или интерфейсом I2C, или по их звуковым функциям (импульсно-плотностная модуляция (PDM), I2S или мультиплексирование с временным разделением (TDM)). ADXL382 доступен в 14-контактном корпусе LGA размером 2,9 мм x 2,8 мм x 0,87 мм.
Комплексное решение для беспроводного мониторинга состояния активов с использованием ИИ на границе сети
Voyager4 может использовать ИИ на границе сети для беспроводного мониторинга состояния активов. Он использует трехосевые цифровые выходные датчики MEMS, включая ADXL382 и ADXL367. Эта конструкция также включает микроконтроллеры BLE MAX32666 и ИИ MAX78000. Добавлены гибкие и экономящие место на печатной плате устройства питания PMIC в качестве переключателей нагрузки для повышения энергосберегающего эффекта беспроводных датчиков. Каждый комплект Voyager4 включает адаптер BLE 5.3 с антенной. Voyager4 использует BLE, поэтому он совместим с любым ПК с радио Bluetooth. Однако для обеспечения наилучшей производительности и дальности рекомендуется использовать адаптер при общении с Voyager4.
ADG1633/ADG1634 — это 4,5Ω RON, трех/четырехканальный однополюсный двухпозиционный (SPDT) переключатель ± 5 В /+ 12 В /+ 5 В /+ 3,3 В. ADG1633 и ADG1634 представляют собой одночиповые промышленные КМОП (iCMOS®) аналоговые переключатели. Он оснащен тремя или четырьмя независимыми и выбираемыми однополюсными двухпозиционными переключателями соответственно. Все каналы оснащены переключателями первого открытия и последнего закрытия для предотвращения мгновенных коротких замыканий при открытии или закрытии каналов. ADG1633 (корпуса LFCSP и TSSOP) и ADG1634 (только корпус LFCSP) обеспечивают входы EN для включения или отключения устройств. Структура iCMOS может обеспечить чрезвычайно низкое энергопотребление, поэтому эти устройства очень подходят для портативных приборов с батарейным питанием.
ADXL367 — это акселерометр MEMS с энергопотреблением на наноуровне, 3-осевой, ± 2g /± 4g /± 8g цифровой выход. При частоте выходных данных 100 Гц он потребляет всего 0,89 мкА, а в режиме пробуждения, активируемом действием, он потребляет всего 180 нА. В отличие от акселерометров, которые достигают низкого энергопотребления за счет использования рабочего цикла питания, ADXL367 не накладывает алиасинг на входной сигнал путем пониженной дискретизации, а вместо этого выполняет выборку полной полосы пропускания датчика при всех скоростях передачи данных. ADXL367 доступен в корпусе размером 2,2 мм x 2,3 мм x 0,87 мм.
MAX17262 — это 5,2 мкА, измеритель уровня заряда одноэлементной батареи ModelGauge m5 EZ со встроенным детектором тока. Это измеритель уровня заряда батареи с самым низким IQ в отрасли, оснащенный встроенным детектором тока и алгоритмом ModelGauge m5 EZ, устраняющим необходимость анализа характеристик батареи. MAX17262 может контролировать одну ячейку батареи, интегрирует внутренний детектор тока и может обнаруживать импульсные токи до 3,1 А. ИС оптимизирована для измерения батарей емкостью от 100 мАч до 6 Ач. MAX17262 имеет крошечный, бессвинцовый, шаг пайки 0,4 мм, корпус размером 1,5 мм x 1,5 мм, 9-контактный корпус на уровне пластины (WLP).
MAX20335 — это небольшой PMIC для литий-ионных систем, оснащенный регулятором напряжения со сверхнизким IQ и зарядным устройством. Он имеет оптимизированное решение для управления питанием и поддерживает системы мониторинга 7 x 24 часа для носимых устройств и IoT. Решение для управления зарядкой аккумулятора MAX20335 идеально подходит для маломощных носимых приложений. Устройство включает в себя линейное зарядное устройство с интеллектуальным селектором питания и различные периферийные устройства, оптимизированные по энергопотреблению. MAX20335 использует 36 шариков припоя, шаг шарика припоя 0,4 мм и корпус на уровне пластины (WLP) размером 2,72 мм x 2,47 мм.
Заключение
Микроконтроллер со встроенным аппаратным ускорителем ИИ предоставляет узлам беспроводных датчиков превосходные возможности принятия решений и более длительный срок службы батареи. Используя ИИ на границе сети, срок службы батареи можно увеличить как минимум на 50%. Модальный анализ, включенный в датчик вибрации, может ускорить цикл разработки датчика и обеспечить захват высококачественных данных о вибрации от контролируемых активов. Беспроводная платформа мониторинга состояния Voyager4, выпущенная ADI, в сочетании с соответствующими компонентными решениями, станет вашим лучшим помощником в добавлении интеллекта в промышленные системы.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!