Hay muchas formas de añadir más inteligencia a los sistemas industriales, incluyendo la combinación de componentes analógicos y digitales con sensores que cuentan con inteligencia artificial (IA) en el borde y en la nube. Debido a la diversidad de los métodos de IA, los diseñadores de sensores necesitan considerar múltiples requisitos contradictorios, incluyendo el retardo de la decisión, el uso de la red, el consumo de energía/duración de la batería y los modelos de IA adecuados para la máquina. Este artículo se centrará en la introducción de la aplicación de sensores inteligentes de monitorización de motores inalámbricos con IA y las soluciones relacionadas lanzadas por ADI.
La monitorización del estado del motor se lleva a cabo utilizando sensores industriales inalámbricos
La monitorización de la condición (CbM) en robots y maquinaria rotativa (como turbinas, ventiladores, bombas y motores) puede registrar datos en tiempo real relacionados con la salud y el rendimiento de las máquinas, lo que permite un mantenimiento predictivo específico y un control optimizado. El mantenimiento predictivo específico realizado en la etapa inicial del ciclo de vida de una máquina puede reducir el riesgo de tiempo de inactividad de la producción, lo que mejora la fiabilidad, ahorra costes significativamente y mejora la eficiencia de la producción en el taller de la fábrica. La monitorización de la condición (CbM) de las máquinas industriales puede utilizar una serie de datos de sensores, como mediciones eléctricas, vibraciones, temperatura, calidad del aceite, acústica, campos magnéticos, así como mediciones de procesos como el flujo y la presión. Sin embargo, la medición de la vibración es, con diferencia, la más común porque puede proporcionar la indicación más fiable de problemas mecánicos, como el desequilibrio y el fallo de los rodamientos.
Actualmente, los sensores industriales inalámbricos del mercado suelen funcionar con ciclos de trabajo extremadamente bajos. Los usuarios establecen la duración del reposo de los sensores. Una vez finalizado el periodo de reposo, los sensores se activan para medir la temperatura y la vibración, y luego los datos se envían de vuelta al agregador de datos del usuario a través de señales de radio. Los sensores disponibles comercialmente suelen afirmar una duración de la batería de cinco años, basándose en la recopilación de datos una vez cada 24 horas o varias veces cada 24 horas.
En la mayoría de los casos, el sensor está en modo de reposo durante más del 90% del tiempo. Tomemos como ejemplo el sensor Voyager4 de ADI. Funciona de forma similar, pero utiliza la detección de anomalías de IA en el borde (con el microcontrolador de IA MAX78000) para limitar el uso de la radio. Cuando el sensor se activa y mide los datos, solo cuando el microcontrolador detecta datos anómalos los envía de vuelta al usuario, lo que activa el diagnóstico y el mantenimiento de la máquina y prolonga la vida útil del motor. Mediante el uso de la IA en el borde, la duración de la batería puede extenderse al menos un 50%.
Voyager4 es una plataforma de monitorización de condiciones inalámbrica desarrollada por Analog Devices (ADI), diseñada para ayudar a los desarrolladores a desplegar y probar rápidamente soluciones inalámbricas para máquinas o equipos de prueba. Las soluciones de monitorización del estado del motor como Voyager4 se utilizan ampliamente en robots, así como en maquinaria rotativa como turbinas, ventiladores, bombas y motores.
El principio de funcionamiento del sistema de sensores Voyager4
El sensor Voyager4, en combinación con el sistema microelectromecánico (MEMS) digital de tres ejes ADXL382 de 8 kHz, se utiliza para recopilar datos de vibración. En primer lugar, los datos de vibración en bruto se transmiten al procesador Bluetooth ® (BLE) de baja potencia MAX32666. Los datos pueden enviarse al usuario a través de radio BLE o USB. Estos datos de vibración en bruto se utilizan para entrenar algoritmos de IA en el borde con la herramienta MAX78000.
Utilice la herramienta MAX78000 para sintetizar el modelo de IA en código C. El algoritmo de IA en el borde se envía al sensor Voyager4 a través de actualizaciones inalámbricas BLE (OTA) y se almacena en la memoria utilizando el procesador MAX78000 con un acelerador de hardware de IA en el borde. Después de la fase de entrenamiento inicial de Voyager4, los datos del MEMS ADXL382 pueden transmitirse a lo largo de la ruta. El algoritmo de IA en el borde MAX78000 predecirá si la máquina ha funcionado mal o está funcionando normalmente basándose en los datos de vibración recopilados. Si los datos de vibración son normales, no es necesario utilizar la radio MAX32666, y el MEMS volverá al modo de reposo. Sin embargo, si los datos de vibración predichos son incorrectos, se enviará una alerta de vibración anómala al usuario a través de BLE.
En el sistema de hardware de Voyager4, el ADXL382 adoptado es un acelerómetro MEMS de 3 ejes con baja densidad de ruido y bajo consumo de energía, que presenta un rango de medición seleccionable. Este dispositivo admite rangos de medición de ± 15 g, ± 30 g y ± 60 g, así como un amplio ancho de banda de medición de 8 kHz. El ADG1634 es un interruptor CMOS de un solo polo y doble tiro (SPDT), que se utiliza para enrutar los datos de vibración en bruto del MEMS a la radio MAX32666 BLE o al microcontrolador de IA MAX78000, con el microcontrolador BLE utilizado para controlar el interruptor SPDT. Varios otros periféricos están conectados al MAX32666, incluyendo el indicador de batería MAX17262 para monitorizar la corriente de la batería y el acelerómetro MEMS ADXL367 de muy bajo consumo. El ADXL367 se utiliza para activar las radios BLE desde el modo de reposo profundo durante eventos de choque de alta vibración. En el modo de activación activado por movimiento, su consumo de energía es de solo 180 nA. El microcontrolador BLE puede transferir los datos en bruto del MEMS ADXL382 al host a través de BLE o USB de FTDI FT234XD-R.
El sensor Voyager4 adopta el circuito integrado de gestión de energía (PMIC) MAX20335, que cuenta con dos reguladores de reducción de corriente de reposo ultra baja y tres reguladores lineales de baja caída (LDO) de corriente de reposo ultra baja. Los voltajes de salida de cada LDO y regulador de reducción pueden ser habilitados o deshabilitados de forma independiente, y cada valor de voltaje de salida puede ser programado a través de I2C con preconfiguración predeterminada. El procesador BLE se utiliza para habilitar o deshabilitar una única salida de alimentación PMIC para diferentes modos de funcionamiento de Voyager4.
En el modo de entrenamiento, el microcontrolador BLE debe notificar primero su presencia en la red BLE y luego establecer una conexión BLE con el gestor de red. A continuación, Voyager4 transmite los datos en bruto del MEMS ADXL382 a través de la red BLE para entrenar los algoritmos de IA en el PC del usuario. Después de eso, el sensor Voyager4 vuelve al modo de reposo profundo. En el modo normal (IA), la señalización de radio BLE, la conexión y las funciones de transmisión están deshabilitadas por defecto. El MAX78000 se activará regularmente y ejecutará la inferencia de IA. Si no se detecta ninguna anomalía, Voyager4 volverá al modo de reposo profundo.
El kit de evaluación Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z) lanzado por ADI incluye múltiples componentes (LED, resistencia pull-up), lo que facilita a los clientes la realización de evaluaciones. Estos componentes generan una corriente de reposo profundo de 0,3 mW en el carril de tensión LDO1OUT. El consumo medio de energía del conjunto de evaluación Voyager4 se calcula en función del intervalo de tiempo entre eventos en los modos de reposo profundo, entrenamiento y normal/IA.
A continuación, se presentarán las características funcionales de estos dispositivos relacionados.
Los microcontroladores de IA permiten que las redes neuronales funcionen con un consumo de energía ultrabajo en el borde del Internet de las cosas
El MAX78000 es un microcontrolador de IA que adopta un acelerómetro de red neuronal convolucional de ultra bajo consumo. Este nuevo tipo de microcontrolador de IA permite que las redes neuronales funcionen con un consumo de energía ultrabajo en el borde del Internet de las cosas, combinando el procesamiento de IA de alta eficiencia con el microcontrolador de ultra bajo consumo de Maxim, ya probado. Con este acelerador de red neuronal convolucional (CNN) basado en hardware, incluso las aplicaciones alimentadas por batería pueden realizar inferencias de IA con un consumo de energía a nivel de microjulios. El MAX78000 es un sistema en chip avanzado que integra un núcleo Arm® Cortex®-M4 con una CPU FPU y logra un control eficiente del sistema a través de un acelerador de red neuronal profunda de ultra bajo consumo. Este dispositivo adopta un paquete CTBGA de 81 pines (8 mm x 8 mm, paso de 0,8 mm).
El MAX32666 es un microcontrolador de bajo consumo basado en ARM Cortex-M4 FPU con Bluetooth 5, adecuado para aplicaciones portátiles. El diseño de esta nueva generación de UB MCU está destinado a satisfacer los complejos requisitos de aplicación de los dispositivos alimentados por batería y conectados de forma inalámbrica. Este controlador inteligente está equipado con una memoria más grande entre productos similares y adopta una arquitectura de memoria que puede ampliarse a gran escala. El dispositivo adopta la tecnología de alimentación portátil, que puede funcionar durante mucho tiempo, ser duradero y capaz de resistir ataques cibernéticos de alto nivel. Este dispositivo está empaquetado en un WLP de 109 pines (paso de 0,35 mm) y un CTBGA de 121 pines (paso de 0,65 mm).
El ADXL382 es un acelerómetro MEMS de 3 ejes de bajo ruido, bajo consumo y amplio ancho de banda con rangos de medición seleccionables, que admite rangos de medición de ± 15 g, ± 30 g y ± 60 g. El ADXL382 ofrece niveles de ruido líderes en la industria, lo que permite aplicaciones precisas con una calibración mínima. Sus características de bajo ruido y bajo consumo de energía permiten una medición precisa de las señales de audio o de los sonidos del corazón, incluso en entornos de alta vibración. Los nombres de los pines multifuncionales del ADXL382 pueden ser referenciados únicamente por sus funciones relacionadas con la interfaz periférica serie (SPI) o la interfaz I2C, o por sus funciones de audio (modulación de densidad de pulso (PDM), I2S o multiplexación por división de tiempo (TDM)). El ADXL382 está disponible en un paquete LGA de 14 pines de 2,9 mm x 2,8 mm x 0,87 mm.
Una solución completa para la monitorización del estado de los activos inalámbricos utilizando IA en el borde
Voyager4 puede utilizar la IA en el borde para la monitorización del estado de los activos inalámbricos. Emplea sensores MEMS de salida digital de tres ejes, incluyendo ADXL382 y ADXL367. Este diseño también incluye los microcontroladores MAX32666 BLE y MAX78000 AI. Se han añadido dispositivos de suministro de energía PMIC flexibles y que ahorran espacio en la PCB como interruptores de carga para mejorar el efecto de ahorro de energía de los sensores inalámbricos. Cada kit Voyager4 incluye un adaptador BLE 5.3 con una antena. Voyager4 utiliza BLE, por lo que es compatible con cualquier PC con una radio Bluetooth. Sin embargo, para garantizar el mejor rendimiento y alcance, se recomienda utilizar un adaptador al comunicarse con Voyager4.
El ADG1633/ADG1634 es un interruptor de 4,5Ω RON, de tres/cuatro canales de un solo polo y doble tiro (SPDT), ± 5V /+ 12V /+ 5V /+ 3,3V. Tanto el ADG1633 como el ADG1634 son interruptores analógicos iCMOS® (CMOS industrial) de un solo chip. Está equipado con tres o cuatro interruptores independientes y seleccionables de un solo polo y doble tiro respectivamente. Todos los canales están equipados con interruptores de apertura y cierre para evitar cortocircuitos instantáneos al abrir o cerrar los canales. El ADG1633 (paquetes LFCSP y TSSOP) y el ADG1634 (solo paquete LFCSP) proporcionan entradas EN para habilitar o deshabilitar los dispositivos. La estructura iCMOS puede garantizar un consumo de energía extremadamente bajo, por lo que estos dispositivos son muy adecuados para instrumentos portátiles alimentados por batería.
El ADXL367 es un acelerómetro MEMS con un consumo de energía a nivel de nanómetros, de 3 ejes, salida digital de ± 2 g /± 4 g /± 8 g. A una velocidad de datos de salida de 100 Hz, solo consume 0,89 µA, y en el modo de activación activado por acción, solo consume 180 nA. A diferencia de los acelerómetros que logran un bajo consumo de energía mediante el uso del ciclo de trabajo de la energía, el ADXL367 no realiza aliasing de la señal de entrada mediante submuestreo, sino que muestrea todo el ancho de banda del sensor a todas las velocidades de datos. El ADXL367 está disponible en un paquete de 2,2 mm x 2,3 mm x 0,87 mm.
El MAX17262 es un indicador de nivel de batería de una sola celda ModelGauge m5 EZ de 5,2µA con detección de corriente incorporada. Es el indicador de nivel de batería con el IQ más bajo de la industria, que cuenta con un detector de corriente integrado y el algoritmo ModelGauge m5 EZ, lo que elimina la necesidad de análisis de las características de la batería. El MAX17262 puede monitorizar una sola celda de batería, integra un detector de corriente interno y puede detectar corrientes de pulso de hasta 3,1 A. El IC está optimizado para la medición de la batería con capacidades que van desde 100 mAhr hasta 6 Ahr. El MAX17262 cuenta con un paquete de nivel de oblea (WLP) de 9 pines, sin plomo, de 0,4 mm de paso de soldadura y 1,5 mm x 1,5 mm.
El MAX20335 es un pequeño PMIC para sistemas de iones de litio, equipado con un regulador de voltaje de IQ ultra bajo y un cargador de batería. Cuenta con una solución de gestión de energía optimizada y es compatible con sistemas de monitorización de 7 x 24 horas para dispositivos portátiles e IoT. La solución de gestión de carga de batería MAX20335 es ideal para aplicaciones portátiles de baja potencia. El dispositivo incluye un cargador de batería lineal con un selector de energía inteligente y una variedad de periféricos optimizados para la energía. El MAX20335 adopta 36 bolas de soldadura, un paso de bola de soldadura de 0,4 mm y un paquete de nivel de oblea (WLP) de 2,72 mm x 2,47 mm.
Conclusión
El microcontrolador con un acelerador de hardware de IA integrado proporciona a los nodos de sensores inalámbricos capacidades de toma de decisiones superiores y una mayor duración de la batería. Mediante el uso de la IA en el borde, la duración de la batería puede extenderse al menos un 50%. El análisis modal incluido en el sensor de vibración puede acelerar el ciclo de desarrollo del sensor y garantizar la captura de datos de vibración de alta calidad de los activos monitorizados. La plataforma de monitorización de condiciones inalámbrica Voyager4 lanzada por ADI, combinada con soluciones de componentes relacionadas, será su mejor asistente para añadir inteligencia a los sistemas industriales.
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