DE102022109948A1

DE102022109948A1 - Battery-operated vibration sensor for automation technology

Info

Publication number: DE102022109948A1
Application number: DE102022109948.2A
Authority: DE
Inventors: Moritz Veith; Benedikt Obermaier
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-10-26

Abstract

Ein batteriebetriebenen Schwingungssensor für die Automatisierungstechnik mit einem Schwingungsaufnehmer in digitaler MEMS-Technologie weist zwei unterschiedliche Funkschnittstellen F1, F2 aufA battery-operated vibration sensor for automation technology with a vibration sensor in digital MEMS technology has two different radio interfaces F1, F2

Description

Die Erfindung betrifft Batteriebetriebener Schwingungssensor für die Automatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a battery-operated vibration sensor for automation technology according to the preamble of claim 1.

Herkömmliche Schwingungssensoren für die Automatisierungstechnik sind mit einer Spannungsversorgung verbunden und weisen zur Datenübertragen eine Kommunikationsschnittstelle insbesondere eine Feldbusschnittstelle auf.Conventional vibration sensors for automation technology are connected to a power supply and have a communication interface, in particular a fieldbus interface, for data transmission.

Die Anwender wünschen vermehrt autarke Schwingungssensoren für die Automatisierungstechnik, die batteriebetrieben sind und die eine Funkschnittstelle aufweisen.Users increasingly want self-sufficient vibration sensors for automation technology that are battery-operated and have a radio interface.

Bei batteriebetrieben Schwingungssensoren steht der Energieverbrauch im Vordergrund um eine möglichst lange Betriebsdauer ohne Batteriewechsel zu gewährleisten.With battery-operated vibration sensors, the focus is on energy consumption in order to ensure the longest possible operating time without changing the battery.

Batteriebetriebene (Wireless) Schwingungssensoren übertragen i.d.R. Kennwerte (z.B. den Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit v-RMS oder den Spitzenwert der Schwingbeschleunigung a-Peak). Die Kennwerte werden zumeist im Sensor berechnet und anschließend transferiert, hierbei ist die Datenmenge sehr geringe und hat wenige Bit. Im Lebenszyklus einer Maschine steigen die Schwingungskennwerte sukzessive an und liefern einen Indikator für eine sich anbahnende Schädigung der Maschine.Battery-operated (wireless) vibration sensors usually transmit characteristic values (e.g. the effective value of the vibration velocity v-RMS or the peak value of the vibration acceleration a-Peak). The characteristic values are usually calculated in the sensor and then transferred; the amount of data is very small and has a few bits. During the life cycle of a machine, the vibration parameters gradually increase and provide an indicator of impending damage to the machine.

Allgemein, aber insbesondere im frühen Stadium der Schädigungen, ist es zielführend die Rohdaten der Schwingung tiefergehend zu analysieren, um die Schadensursache genauer zu spezifieren.In general, but especially in the early stages of damage, it is useful to analyze the raw vibration data in more detail in order to specify the cause of the damage more precisely.

Hierbei kann die Berechnung zur Tiefenanalyse, z.B. mittels Fast Fourier Transformation (FFT), ebenfalls im Sensor erfolgen, dies erfordert jedoch ausreichend Rechenleistung der Sensorelektronik, benötigt viel Strom und hat den Nachteil, dass die Rohdaten nach dem Sendevorgang nicht mehr zur Verfügung stehen d.h. sollte die übertragene FFT nicht zielführend für die Diagnose sein und stattdessen weitere Analysemethoden angewendeten werden müssen, ist dies nicht mehr möglich.The calculation for depth analysis, e.g. using Fast Fourier Transformation (FFT), can also be done in the sensor, but this requires sufficient computing power from the sensor electronics, requires a lot of power and has the disadvantage that the raw data is no longer available after the transmission process If the transmitted FFT is not useful for the diagnosis and further analysis methods have to be used instead, this is no longer possible.

Aus diesem Grund ist es oft zielführender, wenn der Sensor neben den Schwingungskennwerte nicht die FFT, sondern die Rohdaten an ein übergeordnetes System überträgt, dann kann der Eigentümer der Rohdaten beliebige Analysemethoden und Algorithmen anwenden und den Schaden mit einer hoher Wahrscheinlichkeit genauer quantifizieren.For this reason, it is often more effective if the sensor, in addition to the vibration characteristics, does not transmit the FFT, but rather the raw data to a higher-level system. Then the owner of the raw data can use any analysis methods and algorithms and quantify the damage more precisely with a high degree of probability.

Aus diesem Grund gibt es am Markt momentan zwei Ansätze:

Ansatz: Der Sensor sendet nur Schwingungskennwerte und verwendet hierbei oftmals eine LPWAN-Technologie, welche eine geringe Datenmenge energiearm über große Distanzen (KM-Bereich) mit wenig Störeinflüsse übertragen kann.
Ansatz: Der Sensor sendet neben dem Schwingungskennwerten auch eventbasierend oder auf Kommando die FFT oder Rohdaten, hierbei nutzt der Sensor vorrangig eine 2.4-GHz Funktechnologie (Bluetooth, Wi-Fi oder ZigBee) oder in selten Fällen auch eine Mobilfunktechnologie, dank der hohen Datenrate können die Schwingungsrohdaten bewerkstelligt werden. Die 2.4-GHz Technologie hat jedoch den Nachteil, dass die im Vergleich zu LPWAN-Technologien störanfällig und energieaufwendiger ist und zudem nur wenige Meter senden kann.

For this reason, there are currently two approaches on the market:

Approach: The sensor only sends vibration parameters and often uses LPWAN technology, which can transmit a small amount of data with little energy over long distances (KM range) with little interference.
Approach: In addition to the vibration parameters, the sensor also sends the FFT or raw data based on events or on command. The sensor primarily uses 2.4 GHz radio technology (Bluetooth, Wi-Fi or ZigBee) or, in rare cases, also cellular technology, thanks to the high data rate the raw vibration data can be achieved. However, 2.4 GHz technology has the disadvantage that, compared to LPWAN technologies, it is susceptible to interference and requires more energy and can only transmit a few meters.

Aufgabe der Erfindung ist es, batteriebetriebenen Schwingungssensor anzugeben, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist, der wenig Energie verbraucht und der einfach und kostengünstig realisierbar ist.The object of the invention is to provide a battery-operated vibration sensor which does not have the disadvantages mentioned above, which consumes little energy and which can be implemented simply and inexpensively.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen batteriebetrieben Schwingungssensor gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This task is solved by a battery-operated vibration sensor according to claim 1. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

Die Erfindung beschreibt die optimierte Nutzung eines Wireless Funkprotokolls für (batteriebetriebene) Schwingungssensoren mit einer kostengleichen Hardwareplattform, wie sie bei marktüblichen Wireless Schwingungssensoren verwendet wird.The invention describes the optimized use of a wireless radio protocol for (battery-operated) vibration sensors with a hardware platform of the same cost as that used in commercially available wireless vibration sensors.

Durch Verwendung eines Dual-Band Wireless Controllers und des im nachfolgenden beschriebenen Funkprotokolls sollen die Vorteile unterschiedlicher Funktechnologien vereint und auf die Anforderungen von Wireless Schwingungssensoren zugeschnitten werden.By using a dual-band wireless controller and the radio protocol described below, the advantages of different radio technologies are combined and tailored to the requirements of wireless vibration sensors.

Derzeit gibt es eine Vielzahl von Lösungen bei denen Wireless Schwingungssensoren entweder im 2.4-GHz ISM-Band oder im Sub-1-GHz Bereich arbeiten, vereinzelt werden auch Lösungen angeboten, welche auf einem Mobilfunk basieren, diese sind jedoch aufgrund der hohen Kosten für die Hardware und die Betreibung oft nicht wettbewerbsfähig.There are currently a variety of solutions in which wireless vibration sensors work either in the 2.4 GHz ISM band or in the sub-1 GHz range. In some cases, solutions are also offered that are based on mobile communications, but these are due to the high costs for them Hardware and operation are often not competitive.

Aus Applikationssicht haben beide Funktechnologien (2.4 GHz und Sub-1-GHz Bereich) für Schwingungssensoren eine Relevanz, derzeit gibt es jedoch kein Funkprotokoll, welches die Vorteile beider Technologien vereint.From an application perspective, both radio technologies (2.4 GHz and sub-1 GHz range) are relevant for vibration sensors, but there is currently no radio protocol that combines the advantages of both technologies.

Nachfolgen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.The invention is described in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing.

Es zeigen:

1 Schwingungssensor
2 erfindungsgemäßer Schwingungssensor

Show it:

1 Vibration sensor
2 Vibration sensor according to the invention

1 zeigt einen herkömmlichen Schwingungssensor für die Automatisierungstechnik mit einem Schwingungsaufnehmer in digitaler MEMS-Technologie, mit einer MEMS-Zelle, einem nachgeschalteten Tiefpass-Filter LPF, einem Verstärker AMP sowie einem AD-Wandler ADC. Versorgt werden diese Elemente über eine Referenzspannungseinheit Reference, die mit einer Batterie verbunden ist. Zur Signalauswertung dient ein Mikrocontroller µC, der mit einer Feldbusschnittstelle oder IO-Link-Schnittstelle verbunden ist. Typische Kennwerte des Sensors sind a-RMS, a-Peak, v-RMS, Crest, Betriebszeit Zustand x (x=0....n), die ca. alle 10ms erfasst werden. Über ein Gateway werden die Daten an ein Zielsystem z.B. PLC oder Cloud übertragen. Hierfür eignet sich als loT-Gateway z. B. der lo-key der Fa. autosen. 1 shows a conventional vibration sensor for automation technology with a vibration sensor in digital MEMS technology, with a MEMS cell, a downstream low-pass filter LPF, an amplifier AMP and an AD converter ADC. These elements are supplied via a reference voltage unit Reference, which is connected to a battery. A microcontroller µC, which is connected to a fieldbus interface or IO-Link interface, is used to evaluate the signal. Typical characteristics of the sensor are a-RMS, a-Peak, v-RMS, Crest, operating time state x (x=0....n), which are recorded approximately every 10ms. The data is transferred to a target system, e.g. PLC or cloud, via a gateway. A suitable LoT gateway for this is e.g. B. the lo-key from autosen.

2 zeigt einen erfindungsgemäßen batteriebetriebenen Schwingungssensor für die Automatisierungstechnik, der fast identisch zu dem in 1 dargestellten Schwingungssensor aufgebaut ist, mit einem Schwingungsaufnehmer in digitaler MEMS-Technologie, mit einer MEMS-Zelle, mit einem Tiefpass-Filter LPF, einem Verstärker AMP sowie einem AD-Wandler ADC. Versorgt werden diese Elemente ebenfalls über eine Referenzspannungseinheit Reference, die mit einer Batterie verbunden ist. Zur Signalauswertung dient der Mikrocontroller µC, der erfindungsgemäß mit zwei Kommunikationsschnittstellen K1 und K2 verbunden ist, wobei die Funkfrequenz und die Reichweite der beiden Funkschnittstellen F1, F2 unterschiedlich ist. 2 shows a battery-operated vibration sensor according to the invention for automation technology, which is almost identical to that in 1 The vibration sensor shown is constructed with a vibration sensor in digital MEMS technology, with a MEMS cell, with a low-pass filter LPF, an amplifier AMP and an AD converter ADC. These elements are also supplied via a reference voltage unit Reference, which is connected to a battery. The microcontroller µC, which according to the invention is connected to two communication interfaces K1 and K2, is used to evaluate the signal, the radio frequency and the range of the two radio interfaces F1, F2 being different.

Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert. Der zyklische Datenaustausch erfolgt über die Funkschnittstelle F1, die nach low power-Kriterien ausgelegt ist und eine höhere Reichweite besitzt.The function of the invention is explained in more detail below. The cyclic data exchange takes place via the radio interface F1, which is designed according to low power criteria and has a longer range.

Der azyklische Datenaustausch erfolgt über die Funkschnittstelle mit der geringeren Reichweite.The acyclic data exchange takes place via the radio interface with the shorter range.

Batterieversorgte Wireless Schwingungssensoren sollen Schwingungskennwerte berechnen un diese regelmäßig an ein übergeordnetes System (z.B. Gateway, Cloud) übertragen, dadurch kann eine allmähliche Schädigung der Maschine über einen Anstieg des Trends erfasst werden.Battery-powered wireless vibration sensors are intended to calculate vibration characteristics and regularly transmit them to a higher-level system (e.g. gateway, cloud), so that gradual damage to the machine can be detected via an increase in the trend.

Diese Kennwerte sollen möglichst sicher und energiesparsam übertragen werden, hier ist eine Trägerfrequenz aus dem Sub-1-GHz Bereich von Vorteil (z.B. 500-, 779-, 868-, 915-, 920-MHz), da damit die Dämpfungsrate gering und somit die Interferenzen im industriellen Bereich stark reduziert werden (= geringer Duty-Cycle). Zudem benötigen Sendevorgänge im Sub-1-GHz Bereich weniger Sendeleistung auch für lange Distanzen und sind damit erheblich energieeffizienter.These characteristics should be transmitted as securely and energy-efficiently as possible; a carrier frequency in the sub-1 GHz range is advantageous here (e.g. 500, 779, 868, 915, 920 MHz), as the attenuation rate is low and therefore The interference in the industrial sector is greatly reduced (= low duty cycle). In addition, transmission processes in the sub-1 GHz range require less transmission power, even over long distances, and are therefore significantly more energy efficient.

Zur tieferen Schadensanalyse (z.B. durch Demodulation) soll der Wireless Schwingungssensor im Bedarfsfall in der Lage sein, die Rohdaten an ein übergeordnetes System zu übertragen.For deeper damage analysis (e.g. through demodulation), the wireless vibration sensor should be able to transmit the raw data to a higher-level system if necessary.

Diese Rohdaten sollen ebenfalls möglichst sicher übertragen werden, hierfür eignet sich eine Trägerfrequenz mit 2.4 GHz, da dadurch eine hohe Datenrate gewährleistet ist und die Rohdaten nicht in unzählig kleine Pakete übertragen werden müssen. Damit wird die Gefahr eines Paketverlustes reduziert und zudem die Kennwertübertragung von der Rohdatenübertragung getrennt, durch Verwendung von Frequenzspreizungsverfahren wird der Paketverlust auf ein minimum reduziert. Eine höhere Sendeleistung und somit ein höherer Energiebedarf sind für die Rohdatenübertragung hinnehmbar, da im Lebenszyklus einer Maschine die Rohdaten nicht regelmäßig zur Analyse benötigt werden.This raw data should also be transmitted as securely as possible; a carrier frequency of 2.4 GHz is suitable for this, as this ensures a high data rate and the raw data does not have to be transmitted in countless small packets. This reduces the risk of packet loss and also separates the characteristic value transmission from the raw data transmission. By using frequency spreading methods, packet loss is reduced to a minimum. A higher transmission power and thus a higher energy requirement are acceptable for raw data transmission, since the raw data is not regularly required for analysis during the life cycle of a machine.

Diese beiden Charakteristiken erfordern zwei unterschiedliche Wireless Protokolle, sowie zwei unterschiedliche Hardware Chips. Heutzutage sind bereits sogenannte Dual-Band Wireless Chips erhältlich, welche unterschiedliche Trägerfrequenzen und RF-Antennen auf einem Hardwarechip vereinen.These two characteristics require two different wireless protocols and two different hardware chips. Nowadays, so-called dual-band wireless chips are already available, which combine different carrier frequencies and RF antennas on one hardware chip.

Bei Verwendungen dieser Komponenten kann ein Wireless Funkprotokoll auf die Verwendung von Schwingungssensoren optimiert werden, in dem die Sub-1-GHz Trägerfrequenzen für eine regelmäßige Übertragung der Schwingungskennwerte verwendet werden und die azyklische Übertragung von Schwingungsrohdaten der 2.4-GHz Standard verwendet wird, dadurch werden für die Schwingungsübertragung die Vorteile aus beiden Funkstandards vereint.When using these components, a wireless radio protocol can be optimized for the use of vibration sensors in which the sub-1 GHz carrier frequencies are used for regular transmission of the vibration characteristics and the acyclic transmission of raw vibration data uses the 2.4 GHz standard, thereby for The vibration transmission combines the advantages of both radio standards.

Claims

Battery-operated vibration sensor for automation technology with a vibration sensor in MEMS technology, with a battery to supply the vibration sensor and a microcontroller uC for signal evaluation, which has a communication interface K, which works according to a communication protocol standardized in automation technology and enables cyclic and acyclic data exchange with a higher-level unit, characterized in that two radio interfaces F1, F2 are provided, the radio frequency and the range of the two radio interfaces F1, F2 being different and the cyclic data exchange via the radio interface with the longer range and the Acyclic data exchange takes place via the radio interface with the shorter range.

Battery operated vibration sensor Claim 1 , characterized in that the radio interface F1 is designed as an LPWAN interface.

Battery-operated vibration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the radio interface F2 is designed as a Bluetooth interface.