Analogtipp Predictive Maintenance mit Vibrationsüberwachung, Edge-KI und SPE

Die vorausschauende Wartung mit Vibrationsüberwachung per Edge-KI ist für Anlagenbetreiber eine attraktive Möglichkeit, Stillstände, Schäden und die sich daraus ergebenden Kosten zu vermeiden. Für die Umsetzung eines solchen Konzepts bietet TI eine Palette von Analog- und Embedded-Produkten an.

Produktionsmaschinen, Roboter und Windkraftanlagen sind Beispiele für Anwendungen, in denen es durch unerwartete Hardwareausfälle zu teuren Stillständen und Reparaturen kommen kann. Beginnender mechanischer Verschleiß kann sich allerdings lange vor einem wirklichen Ausfall durch bestimmte Anzeichen ankündigen, und genau hier setzt die vorausschauende Instandhaltung an.

Mit Vibrationserfassung und Edge-KI lassen sich drohende Ausfälle erkennen, sodass das Instandhaltungspersonal rechtzeitig geeignete Abhilfemaßnahmen treffen kann. Das Risiko ungeplanter Stillstände verringert sich und die Anlagenlebensdauer nimmt ebenso zu wie die betriebliche Effizienz.

Ein System zur vorausschauenden Wartung mit Vibrationserfassung und Edge-KI besteht aus den in Bild 1 gezeigten Komponenten. Ein am Motor angebrachter IEPE-Sensor (Integrated Electronics Piezoelectric) erfasst die Vibrationen der Anlage. Sein Ausgangssignal wird aufbereitet, digitalisiert und im Zeit- und Frequenzbereich analysiert – unter anderem mit dem FFT-Verfahren (Fast Fourier Transformation). Zunehmender Verschleiß äußert sich durch anwachsende Vibrationsamplituden sowie durch zusätzliche Spitzen in der Frequenzbereichs-Darstellung.

Wie sich ein vorausschauendes Instandhaltungssystem realisieren lässt, zeigt Bild 2. Die IEPE-Sensorplatine kann mit dem Delta-Sigma-ADC ADS127L11 die Signale von bis zu vier IEPE-Sensoren erfassen und aufbereiten. Das Edge Processing Board ist mit einem Mikrocontroller vom Typ AM2434 bestückt und nimmt die FFT-Berechnungen und weitere Analysen vor. Es wird per PoDL (Power over Data Line) mit Strom versorgt, d.h., Datenübertragung und Stromversorgung erfolgen über ein einziges SPE-Kabel (Single-Pair Ethernet).

Vom Edge Processing Board werden die Auswertungsresultate per SPE an das Gateway-Board übermittelt, das über seine SPE/PoDL-Ports die Daten von bis zu vier Edge Processing Boards entgegennehmen kann, sodass insgesamt die Werte von bis zu 16 IEPE-Sensoren ausgewertet werden können.

Gut für diese Anwendung geeignet ist das synchrone, breitbandige und hochauflösende Interface, das von TI als Referenzdesign angeboten wird. Es enthält vier Signalketten-Frontends und vier ADCs vom Typ ADS127L11. Die parallelen Schnittstellen der A/D-Wandler werden mit dem Mikrocontroller des Gateway Carrier Boards verbunden, was eine zügige Datenübertragung ermöglicht. Das Edge Processing Board enthält unter anderem vier ARM Cortex-R5F-basierte Mikrocontroller des Typs AM2434, die die Datenauswertung vornehmen und die Analyseergebnisse über das SPE-Kabel (10 MBit/s) an das Gateway-Board übertragen.

Das Edge Processing Board und das IEPE Sensor Board werden per PoDL mit 24 V versorgt. Ersteres nutzt Free RTOS auf dem Cortex-R5F-Mikrocontroller und ist mit dem System On Module (SOM) des Typs TQMa243xL (TQ-Group) bestückt. Letzteres enthält einen AM2434-Mikrocontroller, DDR4-RAM, eine Multimedia Card und ein Power-Management-IC. Das SOM vereinfacht das Leiterplatten-Layout und verkürzt die Markteinführungszeit.

Mit zwei Cortex-A53-Mikroprozessoren und vier Cortex-R5F-Mikrocontrollern wartet das Gateway Carrier Board auf. Über seine vier SPE/PoDL-Power-Sourcing-Equipment-Ports kann es bis zu vier Edge Processing Boards mit Daten und 24 V versorgen. Das SPE-Kabel darf bis zu 2 km lang sein.

Das Gateway Carrier Board läuft unter dem Betriebssystem Linux und ist mit dem SOM des Typs TQMA64XXL von TQ bestückt. (kr)

* Thomas Mauer ist System Engineer Factory Automation and Control bei Texas Instruments in Freising.

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