การตรวจสอบสินทรัพย์ด้วยเซ็นเซอร์หลายตัวสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพในโรงงานและโลจิสติกส์ในอุตสาหกรรม 4.0 และในศูนย์ข้อมูลได้อย่างไร

การตรวจสอบพารามิเตอร์ต่าง ๆ เครื่องจักร เช่น การสั่นสะเทือนและอุณหภูมิ สามารถให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับประสิทธิภาพและความสมบูรณ์ของเครื่องจักร และช่วยให้ผู้ผลิตได้รับข้อมูลที่จำเป็นในการกำหนดเวลาการบำรุงรักษาเชิงรุก ลดเวลาหยุดทำงาน และการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต

การตรวจสอบความชื้นและอุณหภูมิในโรงงานโลจิสติกส์หรือระหว่างการขนส่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานและรักษาสินค้า เช่น วัคซีนหรือของสด โดยระบบตรวจสอบสภาพแวดล้อมที่มีการเชื่อมต่อแบบมีสายและไร้สายมีให้เลือกใช้เพื่อให้เหมาะกับการใช้งานต่างๆ รวมถึงศูนย์ข้อมูลระดับองค์กรและแบบคลาวด์

การตรวจสอบการสั่นสะเทือนอาจเป็นประโยชน์ในการระบุปัญหาเครื่องจักรที่อาจเกิดขึ้นได้ก่อนที่จะเกิดขึ้นจริง International Organization for Standardization (ISO) 10816 อาจเป็นข้อมูลอ้างอิงที่สำคัญ โดยจะให้คำแนะนำในการประเมินความรุนแรงของการสั่นสะเทือนในมอเตอร์ที่ใช้สำหรับปั๊ม, พัดลม, คอมเพรสเซอร์, กล่องเกียร์, พัดลม, เครื่องอบแห้ง, แท่นกด และเครื่องจักรที่คล้ายกันที่ทำงานในช่วงความถี่ 10 ถึง 1,000 เฮิรตซ์

บทความนี้จะนำเสนอข้อควรพิจารณาหลัก ๆ สำหรับการเลือกใช้การเชื่อมต่อแบบมีสายหรือไร้สายสำหรับระบบตรวจสอบ และการใช้เครือข่ายแบบมีสายและไร้สายนั้นไม่ใช่ทางเลือกแบบใดแบบหนึ่ง จากนั้นจะตรวจสอบระดับความรุนแรงของการสั่นสะเทือนทั้ง 4 คลาส ตามที่กำหนดไว้ใน ISO 10816 ปิดท้ายด้วยการกล่าวถึงตัวเลือกต่างๆ ในการใช้งานระบบตรวจสอบสภาพแบบมีสายและไร้สาย รวมถึงการใช้เซ็นเซอร์หลายตัวเพื่อตรวจสอบการสั่นสะเทือน อุณหภูมิ ความชื้น และการใช้งานทดแทนอื่น ๆ

Banner Engineering มีเกตเวย์ การตรวจติดตามสภาพอุปกรณ์ (EHM) ให้เลือกหลายแบบ ที่ให้การเข้าถึงข้อมูลเครือข่าย EHM ได้อย่างง่ายดาย นักออกแบบ EHM อุตสาหกรรมสามารถเลือกได้ระหว่างใช้โซลูชันเกตเวย์ SNAP ID ของบริษัทแบบมีสายพร้อมจอแสดงผลสำหรับการอ่านค่าเซนเซอร์หรือแดชบอร์ดคลาวด์เสริม หรือเกตเวย์ไร้สาย CLOUD ID ที่ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อกับแดชบอร์ดคลาวด์ (รูปที่ 1) โดยตรง คุณสมบัติทั่วไปของทั้งสองตัวเลือกนี้ ได้แก่:

• มีเซ็นเซอร์หลากหลายชนิดให้เลือกใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของ EHM
• การใช้งานอย่างรวดเร็วได้รับการสนับสนุนโดยการจดจำเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อโดยอัตโนมัติโดยไม่ต้องตั้งโปรแกรมเพิ่มเติม
• ข้อมูลเซ็นเซอร์พร้อมใช้งานสำหรับการปรับอุปกรณ์หรือสำหรับการกำหนดตารางการบำรุงรักษาที่จำเป็นเพื่อลดเวลาหยุดทำงานและเพิ่มผลผลิตให้สูงสุด
• รองรับการเชื่อมต่อระบบคลาวด์ทั้งสองระบบ
• มีแดชบอร์ดที่กำหนดค่าไว้ล่วงหน้าและปรับแต่งได้เพื่อการแสดงข้อมูลที่เหมาะสมที่สุด

รูปที่ 1: เกตเวย์ EHM SNAP ID แบบมีสายของ Banner (ซ้าย) และ CLOUD ID (ขวา) แบบไร้สายมีคุณสมบัติทั่วไปหลายประการ (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

เกตเวย์ EHM แบบมีสายหรือไร้สาย

แม้ว่าจะมีคุณลักษณะบางอย่างที่เหมือนกัน แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเกตเวย์ EHM แบบมีสายและไร้สาย เกตเวย์การตรวจสอบสินทรัพย์ (AMG) AMG-SNAP-ID รองรับการใช้งานการตรวจสอบและการแจ้งเตือนสำหรับเซ็นเซอร์และตัวแปลงสูงสุด 20 ตัว รองรับการเชื่อมต่อ Modbus และ SNAP SIGNAL ของ Banner และสแกนเซนเซอร์หรือตัวแปลงแต่ละตัว ตรวจจับข้อมูลรุ่นโดยอัตโนมัติ ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนแปลงและกำหนดหมายเลข ID เซิร์ฟเวอร์ Modbus เพื่อสร้างและใช้งานโซลูชั่น EHM แบบกำหนดเองได้ อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อสามารถจัดกลุ่มและกำหนดเกณฑ์สัญญาณเตือนได้ทีละรายการ ซึ่งสามารถมองเห็นสถานะสัญญาณเตือนได้บนหน้าจอสัมผัสและจากสีของไฟที่ด้านบนของกล่อง

เมื่อจำเป็นต้องเข้าถึงระบบ Cloud โดยตรง นักออกแบบระบบ EHM สามารถหันไปใช้เกตเวย์ IIoT DXM1200-X2 ที่เชื่อมต่ออุปกรณ์ได้สูงสุด 200 เครื่องจากทั้ง Banner และบริษัทอื่นๆ เพื่อส่งมอบข้อมูลประสิทธิภาพและสุขภาพของเครื่องจักร สามารถตรวจจับและเชื่อมต่อกับโหนดเซนเซอร์และส่งมอบข้อมูลไปยังซอฟต์แวร์ Banner Cloud ได้โดยอัตโนมัติ นักพัฒนาสามารถเลือกได้ระหว่างเครื่องมือการเขียนโปรแกรมแบบเรียบง่ายหรือแบบซับซ้อน โดยเกตเวย์ IIoT สามารถประมวลผลข้อมูลบนเอจและส่งผ่านทั้งเครือข่ายอีเทอร์เน็ตและเครือข่ายเซลลูลาร์เพื่อตรวจสอบได้จากทุกที่ในโลกด้วยแดชบอร์ดคลาวด์ที่ใช้งานง่าย (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เกตเวย์เครือข่ายเซ็นเซอร์ IIoT แบบไร้สาย (ซ้าย) และแบบมีสาย (ขวา) มีคุณสมบัติทั่วไปหลายประการ (แหล่งที่มาภาพ: Banner Engineering)

สถาปัตยกรรม EHM แบบมีสายและไร้สาย

สถาปัตยกรรม EHM แบบมีสายและไร้สายไม่ใช่สิ่งที่แยกจากกัน ระบบแบบใช้สายอาจมีองค์ประกอบไร้สาย และสถาปัตยกรรมไร้สายมักจะรวมการเชื่อมต่อแบบใช้สายไว้ด้วย

ตัวอย่างเช่น สถาปัตยกรรม EHM แบบมีสายพื้นฐานอาจประกอบด้วยกล่องรวมสัญญาณหลายกล่องที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์หลายตัว เช่น R50-4M125-M125Q-P แบบ 4 พอร์ตและ R95-8M125-M125Q-P แบบ 8 พอร์ต วิทยุข้อมูลอนุกรม Sure Cross R70SR ของ Banner เช่น R70SR9MQ สำหรับความถี่ 900 MHz และ R70SR2MQ สำหรับความถี่ 2.4-GHz สามารถขยายขอบเขตเครือข่ายได้โดยไม่ต้องเดินสายเคเบิลเพิ่มเติม คุณสมบัติของวิทยุเหล่านี้ได้แก่ (รูปที่ 3):

• อินเทอร์เฟซอนุกรม RS-485
• รองรับโครงสร้างเครือข่ายแบบดาวและแบบต้นไม้
• รองรับการรักษาตัวเอง การกำหนดเส้นทางเครือข่ายความถี่วิทยุอัตโนมัติด้วยฮ็อปหลายฮ็อปเพื่อขยายขอบเขตเครือข่ายเพิ่มเติม
• เทคโนโลยี Frequency Hopping, Spread Spectrum (FHSS) เพื่อการส่งข้อมูลที่เชื่อถือได้

รูปที่ 3: โทโพโลยีการตรวจสอบสินทรัพย์แบบมีสายพื้นฐาน (ซ้าย) พร้อมตัวอย่างกลุ่มเซ็นเซอร์ระยะไกลที่เชื่อมต่อแบบไร้สาย (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

ในโรงงานขนาดใหญ่ ระบบต่างๆ จำนวนมากสามารถกระจายไปในพื้นที่กว้างได้ เช่น:

• เครื่องอัดอากาศ
• ระบบสูบน้ำ
• ระบบสายพานลำเลียง
• มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องจักรมากมาย
• กล่องเกียร์
• ระบบกรองอากาศ
• การวัดและติดตามระดับในถังเก็บน้ำ

ในกรณีข้างต้น สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ EHM ได้โดยการรวมเทคโนโลยีแบบมีสายและไร้สาย โดยเกตเวย์ IIoT ไร้สาย DXM1200-X2 ที่กล่าวถึงข้างต้นรวมถึงการเชื่อมต่อ Modbus แบบใช้สาย หากจำเป็นต้องใช้อีเทอร์เน็ต นักออกแบบสามารถหันไปใช้ DXMR90-X1 โดย DXMR90-4K สามารถใช้งานฟังก์ชัน IO-Link master/controller ได้ นอกเหนือจากตัวเลือกของ Modbus, Ethernet และ IO-Link แล้ว นักออกแบบยังสามารถใช้วิทยุข้อมูลอนุกรม R709 เพื่อให้การเชื่อมต่อไร้สายกับสินทรัพย์ที่กระจายอยู่ทางกายภาพได้ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เกตเวย์ไร้สาย IIoT (ซ้ายล่าง) มีการเชื่อมต่อ Modbus, Ethernet และ IO-Link (แหล่งที่มาภาพ: Banner Engineering)

ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนตามมาตรฐาน ISO 10816

ISO 10816 เป็นมาตรฐานสำคัญสำหรับระบบ EHM ช่วยวัดความรุนแรงของการสั่นสะเทือนของเครื่องจักร เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า ปั๊ม และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มาตรฐานนี้ใช้ค่ารากที่สองของค่ากลางกำลังสอง (rms) ของความเร่ง การกระจัด หรือการสั่นสะเทือน โดย ISO 10816 ยังรวมถึงการพิจารณาค่าระหว่างค่าสูงสุดอีกด้วย ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนจะมีค่า rms สูงสุดเมื่อวัดพารามิเตอร์สองตัวหรือมากกว่า ซึ่งมาตรฐานแบ่งระดับความรุนแรงของการสั่นสะเทือนออกเป็น 4 ระดับ:

• แรงสั่นสะเทือนที่ดีโดยทั่วไปแล้วบ่งชี้ถึงเครื่องจักรที่เพิ่งเริ่มใช้งานใหม่
• แรงสั่นสะเทือนที่น่าพอใจบ่งชี้ถึงส่วนการทำงานที่ไม่จำกัด
• การสั่นสะเทือนที่ไม่น่าพอใจบ่งชี้ถึงความจำเป็นในการจำกัดการทำงานและกำหนดตารางการบำรุงรักษาเชิงป้องกัน
• แรงสั่นสะเทือนที่ไม่อาจยอมรับได้บ่งบอกว่าเครื่องจักรมีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหาย

รูปที่ 5: IEC 10816 ประกอบด้วยระดับความรุนแรงของการสั่นสะเทือน 4 หมวดหมู่ (แหล่งที่มาภาพ: Banner Engineering)

การสั่นสะเทือนและการเรียนรู้ของเครื่องจักร

แม้แต่เครื่องจักรที่ “เหมือนกัน” ทุกประการก็อาจไม่ใช้แบบจำลองที่แตกต่างกัน นั่นคือที่มาของการเรียนรู้ของเครื่อง (ML) โดย Banner Engineering นำเสนอ VIBE-IQ ซึ่งเป็นแพ็คเกจซอฟต์แวร์ตรวจสอบการสั่นสะเทือนที่ใช้การเรียนรู้ของเครื่อง (ML) ในการกำหนดค่าการทำงานพื้นฐานที่ไม่ซ้ำกันสำหรับการสั่นสะเทือนของเครื่องจักรแต่ละเครื่อง จากนั้นซอฟต์แวร์ ML จะตั้งค่าเกณฑ์การเตือนและสัญญาณเตือนโดยอัตโนมัติ สามารถคำนวณและวิเคราะห์ EHM ที่ซับซ้อนแบบอัตโนมัติได้ โดยคุณสมบัติบางประการของ VIBE-IQ ได้แก่:

• การตรวจสอบความเร็ว RMS อย่างต่อเนื่องตั้งแต่ 10 ถึง 1,000 เฮิรตซ์ การเร่งความเร็ว RMS ความถี่สูงตั้งแต่ 1,000 ถึง 4,000 เฮิรตซ์ และอุณหภูมิ
• ตรวจสอบเฉพาะมอเตอร์ที่กำลังทำงานเท่านั้น
• ใช้ข้อมูลสำหรับการวิเคราะห์แนวโน้ม ตลอดจนการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ เพื่อระบุเงื่อนไข เช่น:
  • ระบบปรับแนวหรือปรับสมดุล
  • ส่วนประกอบที่สึกหรอหรือหลวม
  • การสึกหรอที่มากเกินไปของแบริ่ง
  • มอเตอร์ติดตั้งหรือขับเคลื่อนไม่ถูกต้อง
  • สภาวะอุณหภูมิสูงเกินไป
• ส่งการแจ้งเตือนไปยังโฮสต์คอนโทรลเลอร์หรือคลาวด์โดยตรง

การสั่นสะเทือนและอุณหภูมิ

การสั่นสะเทือนไม่ใช่สัญญาณเดียวที่บ่งบอกว่าเครื่องจักรอาจจำเป็นต้องบำรุงรักษาเชิงป้องกัน แนวโน้มอุณหภูมิที่สูงขึ้นอาจเตือนระบบ EHM ถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้ โดยเฉพาะถ้าอุณหภูมิที่สูงขึ้นมีความสัมพันธ์กับการสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้น

การรวมพารามิเตอร์ทั้งสองเข้าด้วยกันจะทำให้เห็นภาพรวมของสภาพอุปกรณ์ได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น สามารถแจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานถึงเงื่อนไขต่างๆ และให้ผลประโยชน์มากมาย:

• การสั่นสะเทือนสามารถระบุปัญหาทางกลศาสตร์ เช่น ตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง ความไม่สมดุล การสึกหรอของแบริ่ง เป็นต้น
• การเพิ่มอุณหภูมิสามารถระบุปัญหาทางไฟฟ้า เช่น ขดลวดร้อนเกินไปหรือปัญหาการหล่อลื่น
• เมื่อตรวจจับการทำงานที่ผิดปกติ การเชื่อมโยงการสั่นสะเทือนนอกแบนด์และอุณหภูมิสามารถช่วยระบุสาเหตุที่เป็นไปได้ ตัวอย่างเช่นรูปแบบการสั่นสะเทือนสามารถช่วยระบุสาเหตุหลักได้
• การวางแผนการบำรุงรักษาเชิงป้องกันสามารถทำได้โดยการตรวจสอบทั้งอุณหภูมิและการสั่นสะเทือน การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างค่อยเป็นค่อยไปอาจไม่เป็นปัญหาเท่ากับการเพิ่มขึ้นของการสั่นสะเทือนซึ่งอาจต้องมีการแก้ไขโดยทันที
• เรียนรู้วิธีปรับปรุงการเลือกและการใช้ประโยชน์สินทรัพย์ในระยะยาวโดยใช้ข้อมูลเซ็นเซอร์เพื่อระบุข้อจำกัดการดำเนินงานที่อาจเกิดขึ้นก่อนที่จะกลายเป็นปัญหา

เมื่อจำเป็นต้องตรวจสอบอุณหภูมิและการสั่นสะเทือน นักออกแบบระบบ EHM สามารถใช้เซ็นเซอร์ QM30VT2 อลูมิเนียมหรือ QM30VT2-SS-QP สแตนเลสสตีลจาก Banner Engineering เซ็นเซอร์ทั้งสองสามารถเชื่อมต่อกับวิทยุ Modbus หรือเครือข่าย Modbus ใดๆ ได้เป็นอุปกรณ์สเลฟผ่าน RS-485 ด้วยขนาดที่เล็กทำให้สามารถวางในสถานที่ที่คับแคบได้ (รูปที่ 6) คุณสมบัติอื่นๆ ได้แก่:

• การวัดอุณหภูมิและการสั่นสะเทือนที่มีความแม่นยำสูง
• ช่วงการวัดอุณหภูมิ -40°C ถึง +105°C ความละเอียด 1°C และความแม่นยำ ±3°C
• ตรวจจับการสั่นสะเทือนแบบแกนคู่แบนด์วิดท์สูงสุด 4 kHz ด้วยความแม่นยำ ±10% ที่ 25°C และความถี่การสุ่มตัวอย่างเริ่มต้นที่ 20 kHz
• เอาท์พุตสำหรับความเร็ว rms, การเร่งความเร็วความถี่สูง rms, ความเร็วสูงสุด และพารามิเตอร์อื่นๆ ที่ประมวลผลล่วงหน้าจากรูปคลื่นการสั่นสะเทือน

รูปที่ 6: เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและการสั่นสะเทือนแบบ 2 แกนสามารถติดตั้งบนตัวเรือนมอเตอร์ได้โดยตรง (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Banner Engineering)

การแบ่งแถบสเปกตรัมการสั่นสะเทือนเป็นความสามารถขั้นสูง ช่วยให้ผู้ใช้สามารถแยกการแปลงฟูเรียร์แบบแบนด์กว้าง (FFT) ได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้ข้อมูลความเร็ว rms หรือความเร่งสำหรับแบนด์ความถี่ที่แคบกว่า นอกเหนือจากข้อมูลสเกลาร์ 10 ถึง 1,000 เฮิรตซ์และ 1,000 ถึง 4,000 เฮิรตซ์ สามารถป้อนความถี่แบนด์ได้ตามความต้องการของผู้ใช้ ด้วยตนเองหรืออัตโนมัติตามอินพุตความเร็วแบบไดนามิกหรือแบบคงที่ การวิเคราะห์แถบสเปกตรัมสามารถช่วยในการวินิจฉัยปัญหาที่เกิดกับเครื่องจักรที่หมุนได้โดยเฉพาะ

อุณหภูมิและความชื้น

การตรวจสอบอุณหภูมิและความชื้นอาจมีความสำคัญในศูนย์ข้อมูล คลังสินค้า ห้องปลอดเชื้อ ตู้เย็น หรือเครื่องทำความเย็น เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและความชื้นเช่น DX80N9Q45THA สามารถช่วยได้:

• ถนอมสินค้า เช่น ของสดหรือวัคซีน โดยต้องทราบอุณหภูมิและความชื้นเพื่อให้คงสภาพได้ยาวนานและป้องกันการเน่าเสีย
• ปกป้องอุปกรณ์ เช่น เซิร์ฟเวอร์และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลในศูนย์ข้อมูลที่อุณหภูมิหรือความชื้นที่มากเกินไปอาจรบกวนการทำงานปกติหรือทำให้เกิดการเสียหายได้
• ปรับปรุงสุขภาพและความปลอดภัยของบุคลากรในคลังสินค้าและสถานที่อื่นๆ ที่มีความชื้นสูงซึ่งอาจทำให้คนงานไม่สามารถระบายความร้อนในอุณหภูมิที่สูงได้ ซึ่งอาจทำให้เกิดอาการอ่อนเพลียจากความร้อนได้

ช่วงการวัดอุณหภูมิตั้งแต่ -40°C ถึง +85°C โดยมีความละเอียด 0.1°C และความแม่นยำ ±0.6°C ตั้งแต่ -40°C ถึง 0°C, ±0.4°C ตั้งแต่ 0°C ถึง +60°C และ ±1.2°C ตั้งแต่ +60°C ถึง +85°C ซึ่งเซ็นเซอร์วัดความชื้นสามารถวัดได้ตั้งแต่ 0% ถึง 100% RH ด้วยความแม่นยำ ±2% ที่ +25°C, ±3% ตั้งแต่ 0°C ถึง +70°C และ 10% ถึง 90% RH และ ±7% ตั้งแต่ 0°C ถึง +70°C และ 0% ถึง 10% หรือ 90% ถึง 100% RH

เมื่ออุปกรณ์แล้ว จะทำงานในโหมดสุ่มตัวอย่างอย่างรวดเร็วและส่งข้อมูลทุก ๆ สองวินาที หลังจากผ่านไป 5 นาที โหนดจะเข้าสู่โหมดเริ่มต้นและส่งข้อมูลทุกๆ 5 นาที ผู้ใช้สามารถเลือกอัตราสุ่มตัวอย่างที่ 15 นาทีหรือ 64 วินาทีได้

รุ่นที่มีวิทยุความถี่ 900 MHz ส่งสัญญาณที่ 1 W (30 dBm) หรือ 250 mW (24 dB ผู้ใช้สามารถเลือกได้) โหมด 250 mW ช่วยลดระยะแต่ช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ในการใช้งานระยะสั้น สำหรับรุ่น 2.4 GHz กำลังในการส่งจะคงที่อยู่ที่ประมาณ 65 mW (18 dBm) เมื่อใช้งานในโหมดจัดเก็บข้อมูล วิทยุจะปิดเพื่อประหยัดพลังงานแบตเตอรี่

สรุป

ระบบ EHM ที่มีประสิทธิภาพในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 จะตรวจสอบการสั่นสะเทือนและอุณหภูมิเพื่อช่วยให้มั่นใจถึงระยะเวลาการทำงานที่ยาวนาน โดยเซ็นเซอร์ความชื้นและอุณหภูมิยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของศูนย์ข้อมูลและรักษาสินค้า เช่น วัคซีนหรือของสดในคลังสินค้าและการดำเนินการด้านโลจิสติกส์ได้ ระบบเหล่านี้สามารถใช้การเชื่อมต่อแบบมีสายหรือไร้สายเพื่อตรวจสอบพารามิเตอร์หลายรายการ