狀態(tài)檢測傳感器供電

有效地維護復雜的工業(yè)過程對保持生產(chǎn)力和降低成本至關重要。狀態(tài)檢測 (CBM) 是定期維護計劃的替代方案，使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生之前監(jiān)測性能上的惡化趨勢。本文將探討這個主題，并為傳感器節(jié)點推薦合適的電源模塊。

發(fā)展中國家正朝向高水平的工業(yè)自動化邁進，以高靈活性和低成本實現(xiàn)高產(chǎn)出。同樣地，數(shù)據(jù)中心、配送倉庫和基礎設施的目標是在幾乎沒有人工的情況下「關燈」運作 (無人工廠) 以減少人工費用。「工業(yè) 4.0」或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 是其中不可或缺的一環(huán)，將智能推至流程的「邊緣」，靠近需要監(jiān)控和控制的位置來加快反應時間，因此在監(jiān)控和傳感器與中央控制之間需要一個通信網(wǎng)絡。這可能是通過「云端」，經(jīng)由收集和分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)套進控制算法來優(yōu)化所謂的智能工廠的流程。

智能工廠的好處有很多，不但可以實現(xiàn)低成本的產(chǎn)品和服務還能大幅減少能源消耗。但如果出現(xiàn)問題該怎么辦？我們在這里不是在談論「機器的崛起」，只是在談一個簡單的機械損壞，或因為遭受宇宙射線干擾而導致處理器虛假故障，又或者無數(shù)種原因所造成的「偶然故障」。全球大部分電力基礎設施的使用年限超過25 年，因此不斷升高的故障率令人擔憂?；诖?，系統(tǒng)設計人員提供關鍵器件所需的冗余以應付單一或雙重故障，根據(jù)不同的應用選擇大余量器件來實現(xiàn)可靠運行。然而，「磨損」是機械部件甚至電子產(chǎn)品的現(xiàn)實，電容器會變干老化、浪涌限制器會受損，而半導體會隨著時間產(chǎn)生晶格缺陷。

必須持續(xù)維護

我們可以等待故障發(fā)生之后從源頭解決問題，采取「如果沒壞就別修」的態(tài)度，但是故障很少只在方便的時候才發(fā)生。這種「矯正」維護對非關鍵功能是一種很有吸引力的方法，例如照明燈具組有一個 LED 熔斷，或者就如我們之前多重冗余系統(tǒng)的例子，系統(tǒng)不會受到單一故障的影響。當然這個前提是您必須知道故障發(fā)生了，因此監(jiān)控是關鍵。無時無刻都要確保充足的零件庫存和人力，也必須隨時待命「以防萬一」。

大多數(shù)的流程為了更好地保持生產(chǎn)量依靠定期的「預防性」維護和檢查。簡單的機械系統(tǒng)要定期更換過濾器和機油、檢查軸承或調(diào)整間隙等。在電子產(chǎn)品方面，可能會更換正常運作但老舊的保險絲、避雷器和電解電容器。決定何時采取行動并不容易，太晚執(zhí)行可能導致破壞性故障，太早更換可能將好的零件丟棄造成不必要的工作和成本浪費。因此時間安排是一個挑戰(zhàn)，根據(jù)使用時間、使用情況或只是靠直覺和經(jīng)驗來安排工作。高可用性系統(tǒng)通常會進行故障模式、影響及危害性分析 (FMECA)，在科學的基礎上預測故障頻率及影響。這樣可以盡可能減少零件庫存并在適當?shù)臅r間安排維護工作。

以狀態(tài)為基礎的維護是理想的做法

面對大型又復雜的流程時很難準確設定預防性維護計劃，因此替代方案是狀態(tài)維護(CBM)。根據(jù)量測后的剩余使用壽命來進行更換或調(diào)整才是理想的方式。這包含了解零件的當前狀況，雖然它仍表現(xiàn)良好但已經(jīng)開始進入「磨損」階段。例如，今天機油濾清器可能有足夠的潤滑油流量，但損失 10% 的過濾效果，但如果您知道損失 50% 是不可以的并且還要 10 周才會達到這個狀態(tài)，那么您可以安排在 8 周后更換。同樣地，實時分析電機或機器振動特征的變化就可以推算軸承何時會發(fā)生故障。

性能變化和趨勢能通過偵測獲得參數(shù)，例如液位變化、振動特征、非接觸式溫度測量的紅外熱成像、油混濁度、電源設備的電流和電壓特征、超聲波泄漏檢測、電弧和電暈的臭氧傳感器等。如果在現(xiàn)有的系統(tǒng)上實施 CBM，增加這種級別的密集監(jiān)測的成本在短期看來可能令人卻步，但長期下來的節(jié)省是非常明確的。幸運的是，實施工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的排程和優(yōu)化也會產(chǎn)出數(shù)據(jù)給 CBM 分析。CBM 所需的任何傳感器特定功能都相對容易連接到在現(xiàn)有流程邊緣的處理器節(jié)點。CBM 數(shù)據(jù)在本質(zhì)上變化緩慢，而且增加到IIoT計算和通信的要求小到可以忽略不計，無論是有線或無線。維護制度的不同如圖 1所示。

圖 1：維護制度對過程性能和可靠性的影響

CBM 需要為傳感器提供可靠的電源

IIoT節(jié)點可能已經(jīng)有遠程傳感器及數(shù)據(jù)接口所需的電源，可能來自有線直流電源、車載電池、本地能量收集器或 AC/DC 轉換器。傳感器、IIoT 節(jié)點及電源所處的環(huán)境可能惡劣且多變，每當重型機械啟動或停止時都會出現(xiàn)高電涌，因此需要對直流和交流電源進行隔離。此外，當過程本身退化，比如有更高的溫度和振動水平，此時監(jiān)控功能必須繼續(xù)可靠工作，因為如果 CBM 本身需要定期維護或使用壽命很有限，那就毫無意義了。因此CBM的穩(wěn)定性至關重要，尤其電源轉換器必須有高效率、低能耗低和低熱應力才不會縮短使用壽命。

RECOM 的RxxCT(E)xx 系列是一款具有高環(huán)境溫度額定值（最高 140°C）的隔離式 DC/DC 轉換器， 5V標稱輸入轉5V 或 3.3V 輸出，功率為 0.5W 或 1W，全在一個薄型 SOIC-16 封裝中實現(xiàn)。輸出電壓與有源傳感器和微控制器或數(shù)據(jù)分析的 DSP 前端兼容。隔離式CANBusTM、MODBusTM或PROFIBusTM接口電源提供 5kVac 增強隔離，應用要求不高時也可以選擇基本隔離3kVDC的版本。

如果可用電源變化很大，例如為電池充電的太陽能，則需要穩(wěn)壓直流輸出。簡單的線性穩(wěn)壓器的效率太低會很快耗盡電池電量。在這種情況下，RECOM 的 R-78Exx-1.0 是理想的開關穩(wěn)壓器模塊，在戶外的太陽能應用中效率高達 97%也適合用來監(jiān)測移動設備，例如鐵路車軸軸承。

使用本地 AC 電源的節(jié)點電源的解決方案通常選擇小型 AC/DC 轉換器，有時可達277VAC。這些可以與即將推出的 IO-Link 工業(yè)傳感器系統(tǒng)結合使用，這是一種使用標準 M12 連接器的數(shù)字雙向串行接口。該系統(tǒng)需要 24V且每個節(jié)點最大負載為 410mA，因此RECOM 的RAC10、RAC20 和 RACM40 系列的板載 AC/DC 轉換器符合四個 IO-Link 端口的 40W 要求。較低功率的 RAC03 系列還能用在無線連接過程控制器，可以遠程控制過程并在溫度超規(guī)時發(fā)出信號。

圖 2所示的例子在完成制造后的體積僅 40x25x25mm。過程反饋不僅限于溫度；噪聲、流體流量或氣體傳感器可以很容易地結合在一起。

圖 2：小型 AC/DC 轉換器為傳感器、微控制器和雙向無線電路供電

氣體泄漏、噪聲和 IR 溫度傳感器一般是安裝在天花板上，照明電路提供合適的交流電源 115V、230V 或 277VAC，即480V 三相系統(tǒng)中的相電壓。使用遠程 LPWAN 無線電（LoRa、sigfox、KNX-RF 等）或蜂窩網(wǎng)絡（5G、NB-IoT、GSM 等）進行數(shù)據(jù)傳輸。由于功率要求通常較低，因此RECOM的通用輸入、5W板載 RAC05-K/277 是一個不錯的選擇。

為了達到自治的目標，一些傳感器節(jié)點可以由收集能源供電，這有可能是太陽能也可能是聲學、射頻、振動或溫度梯度。電壓源可能非常低因此需要高效的電源轉換以升壓至適合傳感器和處理器的電壓。RECOM REH-3-31.8 模塊專為這項工作而設計，可在低至 50mV 的輸入電壓下運行同時實現(xiàn)3.3V/1.8V 雙輸出。該部件包括光伏電池的最大功率點 (MPP) 追蹤功能，并可與電池或超級電容器耦合以進行能量存儲。

狀態(tài)監(jiān)控是一個以最低成本保持過程可用性的理想方式，同時容易與IIoT結合在一起。可靠且經(jīng)濟的電源轉換是 CBM 的重要元素，RECOM 提供的各種產(chǎn)品組合能滿足應用的所有要求。