産業用アプリケーションにおける機械の健全性と資産の監視：センサー技術の考察

リモート機器の監視から得られるデータは、あらゆる産業プロセスの機能にとって重要です。多くの場合、このデータは、バス、スター、またはツリートポロジを介したイーサネットおよびTCP / IPネットワークを介して、監視制御およびデータ取得（SCADA）制御システムによって処理されます。産業用モノのインターネット（IIoT）システムは、多くの場合、拡張されており、場合によっては、これらのレガシーシステムを置き換えて、より複雑なデータ処理と分析のためにクラウドに戻るゲートウェイに接続されたノードのワイヤレスネットワークを可能にします。有線または無線技術の使用に関係なく、これらのプロセスで使用される基礎となるセンサーは、プラント機器の評価と分析に必要なデータのバックボーンを提供します。

この記事では、産業機械の健全性と資産監視アプリケーションの概要と、一般的に使用されるセンサー技術の概要について説明します。

IIoTのマシンヘルスおよび資産監視アプリケーション

リモート産業機械の健全性および資産監視アプリケーションは、リアルタイムまたは準リアルタイムのデータ送信を実現するためにワイヤレスプロトコルと組み合わせて使用​​されるさまざまなセンサータイプを備えた幅広い業界にまたがっています。従来のSCADAアーキテクチャでは、センサー/アクチュエータノードは産業用I / Oモジュール（多くの場合、プログラマブルロジックコントローラー（PLC）またはリモートターミナルユニット（RTU））に接続します。これらのI/Oモジュールは、監視用コンピューター（多くの場合、ヒューマンマシンインターフェイス（HMI））からのフィードバックに基づいて、ノードとの間でセンサーデータを送受信し、人間の入力に基づいてデータを収集して配布します。

産業用ワイヤレスセンサーネットワーク（IWSN）では、多数のセンサーノードが、ライセンス/非ライセンス帯域および特定のワイヤレスプロトコルを介してポイントツーマルチポイント（PtMP）トポロジでゲートウェイにワイヤレスで接続します。産業用アプリケーションでは、これはWirelessHARTなどの業界固有のプロトコルから、セルラーベースのネットワーク、Zigbeeなどのより商用のプロトコルまでさまざまです。これにより、SCADAアーキテクチャにある個別のI / Oモジュールの配線がバイパスされ、この階層が圧縮されて、センサーノードからゲートウェイ/基地局、集中型クラウドベースプラットフォームへのデータ転送が簡素化され、より複雑な分析が実行されます。

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機械の状態監視のためのIWSNのアプリケーションには、産業用測位装置とモーター/ドライブ、および資産監視アプリケーションが含まれます（図1）。たとえば、誘導モーターは、精密CNC機械から大型の産業用クレーン、プーリー、コンベヤーベルトまで、さまざまな機械設備に使用されています。これらの機械に障害があると、機械的な精度が低下したり、故障や工場のダウンタイムが発生したりして、貴重なプラントの稼働時間が直接減少し、修理時間の追加コストが発生する可能性があります。モーターの一般的な機械的故障には、ローターバーの亀裂、短い巻線の故障、エアギャップの変動、ベアリングの故障などがあります。

加速度計は、振動データ分析に最も一般的に利用されています。回転機械のほとんどの機械的故障は、振動レベルの検出可能な増加につながります。追加の測定には、モーターからの電流波形の歪みがピークの振幅とピークが発生する周波数に基づいて特定の障害を推定できるモーター電流シグネチャ分析（MCSA）が含まれます。この測定方法は、多くの場合、クリップオン変流器（CT）を使用して実行されます。

加速度計と電流センサーの他に、温度、湿度、圧力、およびレベルセンサーがIWSNで頻繁に利用されます。たとえば、資産監視アプリケーションでは、化学薬品、食品、および医薬品の混合タンクのタンク充填レベルを追跡することが、原料が正確な値で投入されるようにするために最も重要です。このような場合、圧力センサーを使用するか、さまざまな液面センサーを使用してタンクの充填レベルを測定できます。気流または液体の流れの監視は、圧力センサーと液体センサーの両方を使用して、産業用空気ろ過システムまたは商用HVACシステムでも実行できます。水処理および管理施設では、フィルターは流入（入力）ラインと流出（出力）ラインで圧力差を示し、圧力センサーによってパフォーマンスと目詰まりを追跡および検出できます。

いくつかの基本的な原理（光学、電磁気、レーダー、機械、超音波、音響など）を活用して、同じセンシング結果を達成できます。この種類は、レベル、湿度、および温度センサーで見つけることができます。テクノロジーの選択は、価格、精度、フォームファクター、インストール/キャリブレーションの容易さ、応答率、および継続的または個別の監視の間のバランスです。次のセクションでは、IWSNで一般的に利用されるセンサーのいくつかに触れます。

一般的に使用されるセンサーの概要

加速度計 –前述のように、加速度計は、振動データについて機械設備を監視するための基本的なコンポーネントです。これは、電圧データから加速、減速、衝撃などのパラメータを収集することによって発生します。これは、時間領域または周波数領域のいずれかで振動診断に変換されます。時間領域分析では、信号サンプルの収集と配布により、時間の経過に伴うマシンの動作の顕著な変化が可能になります。時間領域振動解析の簡単な形式の1つは、機械のハウジングの二乗平均平方根（RMS）速度（ISO 2372標準）で「アラーム限界」を定義することです。

時間領域分析には、観察可能な違いを記録するためにより多くのデータを収集する必要があるため、一般に、障害を早期に検出できないという欠点があります。ただし、時間波形には、一時的または断続的なイベントを分類するという大きな利点があります。周波数領域では、さまざまな障害によってスペクトルパワーの内容に明らかな違いが生じ（つまり、さまざまな周波数での振動速度のピーク）、障害の分離が向上します。時間領域分析は、既知の問題や検索される非常に特定のパターンを示す問題を調べるためによく利用されますが、周波数領域分析では、障害の特定がはるかに明白な機械操作のより広範な調査が可能です。多軸加速度計は、軸方向と半径方向の両方でデータを収集できるため、特に価値があります。加速度計は、容量性、圧電性、またはピエゾ抵抗性のいずれかの基本原則に従うことができます。

最も一般的に使用されるのは容量性加速度計で、ばねに吊るされたプルーフマスが加速応力下で不均衡にシフトします。次に、この変位は、最終的に加速率と加速方向をもたらす静電容量の変化を伴う電極によって記録されます。圧電加速度計もプルーフマスを使用します。ただし、プルーフマスのシフトにより、圧電材料にせん断応力が発生し、電気出力に直接変換されます。以前のセンサーにリストされた圧力およびレベルセンサーと同様に、加速度計は、プルーフマスゲージとひずみゲージを使用してピエゾ抵抗原理を利用して、加速度の結果を生成することもできます。

電流センサー –電流センサーの産業用アプリケーションには、機械設備、スマートメータリング、および電源を含むアプリケーション（インバーター制御、無停電電源装置、溶接など）のMCSA分析が含まれます。現在のセンサーは、オームの法則、ファラデーの法則、ファラデーの効果、または磁場検知の4つの基本原則のいずれかを活用しています。

抵抗シャントタイプの電流センサーは、オームの法則を利用し、電流値が必要な通電導体に直列に作用する抵抗素子で構成されます。このようにして、電流の一部が要素を通過し、要素を流れる電流に比例した電圧降下を引き起こします。

図2は、さまざまなセンサーテクノロジーの概要を示しています。変流器（CT）は、ファラデーの誘導の法則を利用しています。トランスは、透磁率の高い磁気コアの周りに複数の巻線を備えています。一次巻線、または通電導体は、数ターンの場合もあれば、単にコアを通る線の場合もあります。一次巻線を流れるACは、コアまたは磁束コンセントレータ内の磁束線を集中させます。これにより、一次巻線内の電流に正比例する電流が二次巻線内に誘導され、電流の流れが測定されます。

rogowskiコイルは同じ原理を使用しますが、代わりに空気と同様の透磁率を持つコアを使用します。二次巻線内の誘導電圧は、目的の電流の時間微分に比例します。したがって、rogowskiコイルの2次巻線は、オペアンプ積分回路で終端されています。

ホール効果磁場センサーは、開ループまたは閉ループアーキテクチャのいずれかでも活用されます。ホール効果は、金属片を流れる電流と磁場の存在下で生成される垂直電圧ベクトルを簡単に表します。開ループ構成は、電流が流れる導体が高透磁率の磁気コアの中心を通過するという点で、変流器に似ています。ホール効果センサーはコアのギャップ内に配置され、電流に比例する電圧を生成します。ただし、出力電圧が小さいため、この電圧にはアンプが必要です。

代わりに、閉ループ構成には、ホール効果センサーに磁場が見られないように、通電導体の電流に対抗する磁場を生成する補償コイルまたは二次巻線が含まれます。二次巻線は、電流検出ICのアンプによって駆動され、負荷抵抗で終端されます。通電導体の電流は、この出力抵抗の電圧に比例します。

圧力センサー –圧力センサーという用語は、一般に、圧力センサー、圧力トランスデューサー、および圧力トランスミッターを含む包括的な用語として使用されます。一般に、圧力センサーは10 mVの出力信号を生成します。この出力信号は、目立った信号損失なしに、電気機器から10〜20フィート離れた場所で使用できます。圧力トランスデューサは、信号を劣化させることなく20フィートを超えて移動できる高電圧出力（0.5〜4.5 V）を生成します。圧力トランスミッタは、4〜20mAの電流出力信号を提供します。圧力センサーには、ホイートストンブリッジタイプ/ピエゾ抵抗、静電容量式、電磁式、圧電式、光学式など、さまざまな構成があります。

この記事では、最も一般的なタイプの圧力センサーであるブリッジタイプ/ピエゾ抵抗構成に焦点を当てます（図3）。最も一般的な圧力センサーは、材料が変形したときに発生する抵抗の変化が材料にかかる圧力と相関するピエゾ抵抗効果に依存しています。通常、これらのセンサーには、ガス/液体に面するダイアフラムの側面（つまり、油圧作動油、水、オイルなど）が「基準」圧力にさらされ、ダイアフラムの反対側がさらされる測定ダイアフラムがあります。高圧に。この場合、ダイヤフラムはそれに応じてたわみ/変形し、ひずみゲージはそれぞれの間の圧力差を測定して、この情報を送信可能な電気量に変換します。

ひずみゲージは基本的に抵抗素子として機能し、その抵抗の変化はそれらにかかるひずみの量に比例します。これらのひずみゲージは、スパッタ蒸着プロセスで製造されたボンドフォイルタイプか、シリコンベースのダイアフラムに不純物を拡散させて製造される半導体ひずみゲージとも呼ばれる拡散シリコンタイプのひずみゲージです。フォイルベースのひずみゲージには、より高い圧力に耐えるという利点がありますが、半導体ベースのひずみゲージは、より高い感度を提供するため、より低い圧力で使用されることがよくあります。ただし、シリコンひずみゲージは温度の影響を強く受けるため、フォイルひずみゲージよりも動作温度が低くなる傾向があります。

液面センサー –レベルセンサーは、容器内の液体、粉末、または粒状材料（ペレットなど）の量を検出します。圧力センサーとは異なり、この測定はさまざまな方法で実行できます。上記の表は、各タイプのレベルセンサーの説明と主な考慮事項を含むいくつかの方法を示しています。このセクションでは、静水圧のダイヤフラムベースのセンサーに焦点を当てます。

特に、静水圧レベルセンサーは、圧力センサーに見られるブリッジタイプのセンサーと同じ基本的なピエゾ抵抗原理に依存しています。実際、このタイプの液面センサーは、タンク内の液面の上昇/下降がダイヤフラム内の圧力の変化と相関し、タンク内の液の深さと高度な線形関係を維持する圧力センサーです。次の式に示すように、静圧（P） 液体の比重は、液体の比重（γ）と液体の高さ（ h ）に相当します。 。

P =γ*h

結論

産業用監視アプリケーションで使用される基礎となるセンサー技術を理解することで、産業用システムの設計と開発に携わるすべての人に洞察を提供できます。各センサーは、さまざまな基本原理を活用できます。各原理には、アプリケーションに対する独自の利点と考慮事項があります。これらのセンサーから取得したデータの収集と配布には、有線または無線のバックボーンが含まれる可能性があります。特にIIoTは、将来の産業用アプリケーション向けのより複雑なデータ分析の可能性があります。

この記事は、マサチューセッツ州ノースアンドーバーのL-comの製品ラインマネージャーであるTinuOzaによって書かれました。詳細については、こちらをご覧ください 。

参照

1. ルイス、ジョー。 固形物レベルの測定と検出のハンドブック 。 Momentum Press、2014年。