Устройство анализа механических вибраций для промышленной автоматизации

Заказчик, занимающийся решениями для автоматизации производства, решил создать устройство, способное считывать параметры вибрации со стандартных промышленных датчиков, преобразовывать их в другие значения (ускорение, скорость и перемещение) и передавать эти значения на выход. Устройство необходимо было разработать с нуля.

Мы разработали устройство для анализа механических вибраций, которое получает данные с датчика ускорения, устанавливаемого на промышленном оборудовании: на коробках передач, вентиляторах, насосах и пр. Устройство переводит данные в необходимые значения (ускорение, скорость и перемещение) с выходом по напряжению 0-10 В или токовым выходом 4-20 мА.

Устройство снабжено светодиодом, который сигнализирует о том, что входной сигнал с датчика поступает нормально. Устройство также оборудовано дополнительным выходным каналом, который дублирует входной сигнал либо как есть, либо без постоянной составляющей.

Создавая встроенное ПО для микроконтроллера, мы использовали высокочастотные и низкочастотные фильтры Баттерворта с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой. Для высоких частот мы также применили фильтр с бесконечной импульсной характеристикой.

Эти алгоритмы фильтрования обеспечивают плавное интегрирование сигналов. Чтобы увеличить скорость обработки у фильтров, мы использовали процессор с набором инструкций для цифровой обработки сигналов (DSP).

Мы смогли выполнить требования к значениям как входных, так и выходных сигналов. Наше решение позволяет корректно преобразовывать входные вибрационные сигналы даже с минимальной частотой и обеспечивает требуемую точность.

Одна из основных сложностей, связанных с разработкой аппаратного обеспечения, заключалась в создании источника тока на 4 мА для питания датчика ускорения. Это требовалось на случай отсутствия внешнего источника питания. Мы опробовали несколько схем, прежде чем нашли решение, которое обеспечивает стабильное питание без шумов, мешающих работе датчика.

Остальные сложности проекта были связаны с удобством эксплуатации устройства. Оно должно было быть простым и понятным. Например, мы добавили функцию автокалибровки, которая значительно упрощает калибровку устройства.

Мы также оптимизировали переключение режима вывода сигнала для силы тока и напряжения. Режим можно выставить через консольный интерфейс, не затрагивая аппаратную часть.

Мы разработали комплексное аппаратно-программное решение, полностью соответствующее требованиям заказчика. Прототипы были испытаны заказчиком и нашим отделом тестирования ПО и показали отличные результаты.

При необходимости устройство обеспечивает датчик ускорения стабильным электропитанием. Сигнал от датчика проходит через несколько аналоговых и цифровых фильтров. Благодаря этому на выходе получается плавный сигнал, полностью соответствующий измерениям датчика.

Выходные каналы устройства можно настраивать с помощью консоли. Они могут преобразовывать входной сигнал в значения ускорения, скорости и перемещения (среднее квадратическое значение, размах, амплитуда) в форме стандартного сигнала с выходом по напряжению 0-10 В или токовым выходом 4-20 мА.

За состоянием входного сигнала легко следить: зеленый светодиод указывает, что все в порядке. При возникновении неполадок, например, повреждении проводки, светодиод загорится красным.

Устройство помещено в корпус с DIN-рейкой от компании Phoenix Contact, являющийся отраслевым стандартом.

После успешного завершения проекта мы продолжили сотрудничество с заказчиком и создали низкозатратную легкую версию устройства с ограниченным функционалом.