Doc: https://docs.google.com/document/d/1n7M9YMtf56ljWVgOC86VAJ86cq-z0kHgmDzI1DDIlEQ/edit?tab=t.0

Edic: https://docs.google.com/document/d/1jrrmpdnXrZauTpsh7Uhg8CiFFr8laeSiH7Dis5SRekQ/edit?tab=t.0

ВИБРОДАТЧИК «Vi2»

Компания ГК Телесистемы совместно с PP Oy представляют автономный беспроводной датчик Vi2, предназначенный для широкого спектра оценки (в т.ч. дефекты подшипников) станков, насосов, двигателей и другого промышленного оборудования. Крепится винтом M6 к корпусу прибора. Не обслуживается, не вскрывается, работает от запаянной батареи до 17 лет по оптимистическим оценкам (пессимисты не верят в китайские батареи и рассчитывают на 5-10 лет).

НАЗНАЧЕНИЕ

Предназначение устройства — различные оценки вибраций для лабораторных и промышленных целей, в частности сторож общего состояния по ISO 20816, включая обнаружение таких дефектов, как:

— дисбаланс — рост на частоте вращения вала (1×)
— расцентровка — на 2× и 3×
— ослабление крепежа — гребёнка гармоник
— дефекты зубчатых передач, если частота зацепления ниже 2.6 кГц. Число зубцов * обороты. Например, 40 зубцов на 1500 об/мин = 1 кГц, оценивается; 100 зубцов при 3000 об/мин = 5 кГц, нет.
— резонансы конструкции в этой полосе
— подшипниковые дефекты (не ранняя стадия, а когда дефект уже поднял общий уровень вибрации)

В полосе выше 2600 Гц устройство не различает ранние подшипниковые дефекты и не проводит диагностику по огибающей в резонансных зонах 5...10 кГц — для этого нужно устройство другого класса с другим сенсором и другим энергобюджетом. На частотах до 2600 Гц мы успешно анализируем СКЗ (среднеквадратичное значение, RMS). В чем разница? Метод огибающей позволил бы предсказать более ранние дефекты подшипника — раковина на дорожке, пока еще микроскопическая, каждое прокатывание вызывает удар с резонансом на 5–20 кГц, повторяются удары с частотой 50–500 Гц. Метод огибающей анализирует это и позволяет сказать, какой именно элемент подшипника разрушается: наружное кольцо, внутреннее, тело качения или сепаратор. Разница в сроках предупреждения: анализ огибающей дал бы месяцы запаса, а общий уровень СКЗ, как в нашем устройстве, — недели запаса. Но для задач планового обслуживания этого более чем достаточно.

Международный стандарт оценки состояния машин ISO 20816 описывает измерение СКЗ виброскорости в полосе 10–1000 Гц, наше устройство с полосой до 2600 Гц покрывает это требование с запасом.

Таким образом устройство соответствует ISO 20816 и полноценно классифицирует состояние по RMS по зонам A/B/C/D (хорошо, до ~2.8мм/c / допустимо, до 7.1 / требует мер, до 18 / недопустимо, от 18). Это покрывает задачи планового обслуживания.

КОНСТРУКЦИЯ

Плата: 25 x 40 мм, 4 слоя
Крепление: винт M6 через втулку в геометрическом центре
Заливка: жёсткий прозрачный компаунд
Микропроцессор: Nordic nRF54L15
Батарея: Panasonic BR-1/2AA, Li-CFx, 3.0 В, 1000 мА·ч или аналог, температура -40..+85C, расчётный ресурс до 17 лет (на весь срок годности батареи). Замена батареи не предусмотрена.
Сенсор: 3-осевой MEMS-акселерометр LSM6DSO32. Сенсор установлен вплотную к втулке.

ИЗМЕРЕНИЯ

Сеенср устройства имеет такие характеристики: частота дискретизации сенсора 6660 Гц, полезная полоса до 2.6 кГц, диапазон ускорений +/-4 / 8 / 16 / 32 g (переключается), разрядность 16 бит, плотность шума 130 мкg/sqrt(Гц). Таким образом устройство собирает следующие данные:

— мгновенное ускорение по осям X, Y, Z
— СКЗ виброскорости по каждой оси и суммарное, мм/с (интегрирование ускорения, диапазон 0...25 мм/с по ТЗ)
— пиковое значение
— крест-фактор (пик / СКЗ) — индикатор ударных процессов
— эксцесс (4-й момент распределения) — ранний признак дефекта подшипника, реагирует раньше, чем растёт СКЗ
— спектр: FFT по 4096 отсчётам, разрешение ~1.6 Гц
— доминирующая частота и её амплитуда

В целях экономии памяти спектр в штатном режиме не сохраняется — только при тревоге. В будущем возможна настройка.

Температура измеряется встроенным датчиком процессора. Прибор залит компаундом и прикручен к металлу, поэтому кристалл повторяет температуру узла. Для задачи важен тренд «было 45, стало 60», он воспроизводится с точностью 0.25 C. Диапазон измерения -40..+105C(реально 85C), разрешение 0.25C, абс.погрешность +/-5C (после заводской калибровки +/-2C), повторяемость +/-0.25C

Напряжение батареи измеряется внутренним каналом АЦП процессора и позволяет оценить оставшийся ресурс батареи. Замер производится под нагрузкой в момент передачи — так виден рост внутреннего сопротивления ячейки.

Агрессивные пользовательские настройки (слишком частая эфирная реклама BLE, медленные режимы мигания светодиода и частые состояния тревоги) могут многократно снизить ресурс батареи.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

1. Консервация

Режим максимальной экономии батареи во время транспортировки, хранения, ожидания первого пуска или длительных перерывов в эксплуатации. В этом состоянии устройство поставляется с завода, но его также можно активировать через настройки. Потребление 0.9 мкА. Предполагаемая модель использования: установщик крепит новое устройство на станок, подносит телефон и активирует по NFC — происходит запуск процессора и начало работы.

2. Режим BLE

Рекомендуемый режим. Устройство раз в 5 секунд объявляет о себе в эфир для возможности соединения BLE, а раз в 5 минут проводит измерения, в остальное время спит. Потребление 5–6 мкА, ресурс порядка 17 лет. Предполагаемая модель использования: техник раз в день проходит по цехам с телефоном, его приложение подхватывает все устройства с расстояния до 10 м и снимает показания.

3. Режим NFC

Режим повышенной экономии без использования Bluetooth. Радиотракт выключен, устройство накапливает показания и отдает при близком контакте NFC. Показания передаются по BLE, который специально включается ради этого, также есть возможность передавать показания по NFC. Потребление ~2.5 мкА — вдвое меньше, реклама BLE главный потребитель. Назначение: цеха и лаборатории с зашумленным радиоэфиром или требованием радиомолчания; редко посещаемые объекты, где излучение BLE не нужно; экономия из-за разрядившейся батареи. Предполагаемая модель использования: смотритель приплывает на маяк раз в месяц и прикладывает телефон к устройству для снятия показаний.

Пороги измерений превышены на нескольких измерениях подряд. Красный светодиод на корпусе устройства постоянно вспыхивает, обозначая аварийное состояние. Мигание останавливается через определенное время после возвращения к нормальным показаниям, но флаг события остается записан. Мигание энергозатратно: 55 мкА при вспышке 50мс раз в секунду, непрерывная тревога истратит батарею за 2 года. Предполагаемая модель использования: оператор станка замечает, что устройство вспыхивает и вызывает наладчика, дефект устраняется, мигание пропадает.

ПАМЯТЬ И ЖУРНАЛ

Кольцевой журнал находится во внутренней памяти процессора. Размер каждой записи 48 байт (метка времени, СКЗ по трём осям и суммарное, пик, крест-фактор, эксцесс, доминирующая частота, температура, напряжение батареи, флаги). Ожидаемое пространство памяти для журнала: 1 МБ, около 21800 записей:
интервал 5 минут: 76 суток
интервал 15 минут: 267 суток
интервал 1 час: 2.9 года

Кольцевой журнал не удаляет записи при чтении, что позволяет считывать показания всем желающим, кто имеет доверенный доступ (рабочий, начальник цеха, сервисная служба, дочь директора).

НАСТРОЙКИ

Для работы с устройствами используйте специальное приложение для Android либо веб-приложение (страница для Chrome в ноутбуке или телефоне, имеющем Bluetooth). Протоколы и исходники открыты на Github для самостоятельной интерграции в свои системы. Приложение позволяет настраивать и запоминать в устройстве:

— ключи доступа для работы только с доверенными устройствами
— режим работы (BLE, NFC, консервация)
— интервал измерений
— интервал рекламы BLE
— интервалы тревоги светодиода
— пороги вибрации по каждой оси
— порог температуры
— тип обработки (СКЗ / пиковое)
— дата и время устанавливается и корректируется автоматически
— в будущем возможна настройка списка хранящихся и передаваемых параметров

МОДЕЛИ

Прототип-модель: https://telesys.lleo.me/vib/