실무 엔지니어를 위한 진동 모니터링 VOYAGER4 핵심 요소 탐구

자동화부터 산업 시스템에 이르기까지 전기 모터는 광범위한 응용 분야에서 필수 프로세스를 구동하는 데 매우 중요합니다. 모터에 고장이 발생하거나 성능이 저하될 경우 불필요한 다운타임이 발생할 수 있으며, 이러한 다운타임은 작업 현장의 생산성을 저해하여 제조업체의 공급망에 상당한 지연 및 지장을 일으키고 회사에 큰 손실을 입힐 수 있습니다. 시간과 비용 손실 이외에, 원치 않는 다운타임이 발생할 경우 시장에서 제조업체의 이미지에도 타격을 줍니다.

결과적으로, 모터가 시스템의 수명 주기 동안 적절하게 기능을 수행하도록 하려면 모터가 배치된 시스템에서 이러한 기계의 상태와 성능을 계속적으로 모니터링해야 합니다. 기계에 대한 이러한 유형의 예측 유지보수는 고장을 최소화하고 신뢰성을 향상시키며 공장 현장의 생산성을 높입니다. 이 모두는 회사에 상당한 비용 절감으로 이어집니다.

모니터링해야 하는 회전 기계 파라미터는 많지만, 진동은 회전 기계의 상태를 점검하고 결정하는 데 가장 중요하고 유용한 특징입니다. 이는 회전 기계류 내의 소프트 풋, 베어링 및 기타 유사한 문제와 같은 잠재적 고장을 모니터링하고 감지하는 데 사용할 수 있는 주요 예측 변수입니다. 진동을 모니터링하기는 어렵지 않지만 데이터를 수집하고 의미 있게 보고하는 것은 그리 간단하지 않습니다. 이를 수행하려면 데이터 분석, 새로운 알고리즘, 무선 연결이 필요합니다.

모터 진동 모니터링

이런 응용 분야의 경우를 위해, Analog Devices, Inc.(ADI)는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가속도계 감지 기술을 사용하는 무선 진동 모니터링 센서를 개발했습니다. 작은 크기, 낮은 전력 소모, 최대 8kHz의 광범위한 주파수 응답으로 인정 받는 MEMS 센서는 다양한 산업 회전 기계에 선호되는 기술입니다.

로보틱스 및 산업 응용 분야의 조건 기반 모니터링(CbM)을 위해 설계된 ADI의 차세대 MEMS 센서 VOYAGER4는 센서 레벨에서 더욱 지능적인 데이터 분석을 위해 에지 인공 지능(AI)을 통합하고 있습니다. 실제로 이 제품은 지원 IC, 부품 및 기타 장치(예: 가속도계, 프로세서, 전력 관리 IC(PMIC)(그림 1)를 포함하는 완전한 솔루션입니다.

그림 1: 완전한 VOYAGER4 시스템 구성도(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

VOYAGER4 평가 키트

무선 조건 모니터링 시스템에 대한 엔지니어의 이해를 돕기 위해, ADI는 VOYAGER4 무선 진동 모니터링 평가 기판인 EV-CBM-VOYAGER4-1Z를 준비했습니다. 이 키트는 엔지니어가 전기 모터 또는 유사 테스트 장비를 위한 무선 모니터링 솔루션을 신속하게 배포할 수 있도록 하는 완전한 저전력 진동 모니터링 플랫폼입니다. 이 키트에 통합된 기능에는 다음이 포함됩니다.

• 에지에서의 지능적이고, 더욱 스마트하며, 안전한 의사 결정
• 에지에서 의사 결정을 내리기 위한 AI 알고리즘
• 기계식 실장 및 최대 8kHz 대역폭의 측정 기능
• 3축 초저전력, 초저잡음 MEMS 가속도계 기술
• 초저전력 마이크로 컨트롤러 및 견고한 저전력 Bluetooth low energy(BLE) 기술         

이 키트(그림 2)의 인쇄 회로 기판(PCB)에 실장된 ADI IC 및 기타 부품에는 ADXL382 및 ADXL367 3축 디지털 출력 MEMS 센서, BLE MAX32666, MAX78000 AI 마이크로 컨트롤러, PMIC MAX20335, 전력 장치 MAX17262 및 MAX38642가 포함됩니다. 부품이 장착된 PCB는 배터리가 스탠드오프에 연결되어 있는 알루미늄 베이스에 수직으로 실장됩니다. 또한 나사 스터드로 모터 케이스에 실장할 수 있도록 베이스에 M6 나사 구멍이 있습니다. 전체 장치는 지름 46mm 및 높이 77mm의 알루미늄 인클로저에 장착됩니다.

그림 2: EV-CBM-VOYAGER4-1Z의 알루미늄 베이스에, 부품이 채워진 인쇄 회로 기판이 실장되어 있습니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

BLE 연결의 안테나가 차폐되지 않도록 하기 위해 인클로저는 ABS 플라스틱으로 만들어진 덮개를 사용합니다. 이는 무선 신호가 최소한의 간섭으로 통과할 수 있도록 하는 강한 비금속 재료입니다.

그림 3: 알루미늄 인클로저 및 ABS 플라스틱 덮개를 갖춘 VOYAGER4 센서 장치의 기계 조립품(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

ADI 엔지니어는 모드 해석을 활용하여 VOYAGER4 센서가 테스트 중인 모터나 회전 기계로부터 민감한 진동 데이터를 정밀하게 추출할 수 있도록 견고한 기계적 인클로저를 설계했습니다. 이를 위해, 이 센서는 에지 AI 알고리즘을 사용하여 비정상적인 모터 동작을 감지하고 기계 진단 및 유지보수 요청을 트리거합니다. 그러나, 소프트웨어가 진단 프로세스를 시작하기 전에, 진동 데이터를 수집하기 위해 16비트 8kHz 3축 MEMS 가속도계 센서인 ADXL382가 배치됩니다. 이제, 수집된 원시 진동 데이터는 MAX78000 AI 프로세서를 사용하여 처리됩니다. AI 알고리즘이 오류를 감지하거나 진동 데이터에 결함이 있다고 판단하는 경우 해당 시스템은 MAX32666 무선 BLE 라디오를 통해 사용자에게 진동 이상 경보를 전송합니다.

센서 시스템 작동

원칙적으로, VOYAGER4 센서 시스템은 명확한 방법으로 초기 진동 데이터를 처리합니다(그림 4). 그림에 묘사된 바와 같이 MEMS 센서에 의해 수집된 원시 데이터는 경로 (a)를 따라 BLE 프로세서로 전달됩니다. 그러나, FT234XD-R USB - 기본 직렬 UART 인터페이스 IC를 사용하여 BLE 라디오 또는 USB 연결을 통해 사용자에게 보내기 전에, 이 MEMS 데이터는 결함이 있는 기계 데이터를 예측하기 위해 경로 (b)를 통해 에지 AI를 갖춘 프로세서로 전송됩니다. AI 알고리즘이 오류를 예측하거나 진동 데이터에 결함이 있다고 판단하는 경우 시스템은 경로 (c)를 사용하여 BLE 라디오를 통해 사용자에게 이상 데이터에 대한 경고를 보냅니다. 오류 또는 결함이 예측될 경우 VOYAGER4 시스템은 경로 (d)를 사용하여 다음 감지가 발생할 때까지 MEMS 센서를 절전 모드로 전송합니다.

그림 4: VOYAGER4 시스템 작동 원리(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

이 시스템이 두 개의 MEMS 가속도계를 사용하는 데에는 이유가 있습니다. 고성능 ADXL382 MEMS 가속도계는 진동 데이터를 캡처하는 데 사용되고 초저전력, 14비트, 100Hz ADXL367은 상당한 진동이나 충격 이벤트가 발생할 경우 BLE 라디오를 중간 절전 모드에서 깨우는 데 사용할 수 있습니다. 이 웨이크업 장치는 180nA의 전류만 소모하므로 상당한 전력을 절감하여 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 동시에, MEMS 원시 진동 데이터는 단극쌍투(SPDT) 아날로그 스위치 ADG1634BCPZ-REEL7을 통해 MAX32666 BLE 라디오 또는 MAX78000 AI 마이크로 컨트롤러로 전달됩니다. 이 아날로그 스위치는 BLE 마이크로 컨트롤러에 의해 제어됩니다.

MAX32666 BLE 마이크로 컨트롤러에 연결된 다른 주변 장치에는 MAX17262 다중 전지 연료 게이지 IC, MAX3207EAUT+T 과도 전압 억제(TVS) 다이오드 어레이, DS28C40ATB/VY+T 보안 인증기 장치가 있습니다. Li-ion 연료 게이지 IC는 Maxim ModelGauge m5 EZ 알고리즘을 구현하여 배터리 전류를 모니터링하고, 저 입력 정전 용량 TVS 다이오드 어레이는 인체 및 공극 모델 기준으로 ±15kV ESD 보호를 제공합니다. 마찬가지로, 데이터 무결성을 위해 이 보안 인증기는 통합 비대칭(ECC-P256) 및 대칭(SHA-256) 보안 기능에서 파생된 암호화 도구의 핵심 세트를 제공합니다.

전력 소모 및 배터리 수명 관리

전력 소모를 최소화하기 위해 VOYAGER4는 BLE 마이크로 컨트롤러 및 에지 AI 프로세서의 작동 모드에 따라 온보드 PMIC의 작동을 지능적으로 관리합니다. 본질적으로, BLE 마이크로 컨트롤러는 VOYAGER4의 다양한 작동 모드에 따라 MAX20335 PMIC의 개별 출력을 활성화하거나 비활성화합니다. MAX20335는 두 개의 초저 정동작 전류 벅 조정기와 세 개의 초저 정동작 전류 저드롭아웃(LDO) 선형 조정기를 제공합니다(그림 5). 각 출력 전압의 값은 PMIC의 I²C 인터페이스를 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다. 추가 전력이 필요한 경우 이 키트는 최대 350mA를 소싱할 수 있는, 조정 가능한 단일 출력, 포지티브 전압 벅 조정기 MAX38642AELT+T를 제공합니다.

그림 5: MAX20335 제품 구성도(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

전력 소모를 최소화하기 위해 VOYAGER4 센서는 활성 상태와 비활성 상태 간에 전력 모드 기능을 조정합니다. 예를 들어, 훈련 모드에서는 BLE 마이크로 컨트롤러가 먼저 BLE 네트워크에서 자신의 존재를 애드버타이징한 후, 네트워크 관리자와 BLE를 연결해야 합니다. 그런 다음 VOYAGER4는 BLE 네트워크를 통해 ADXL382 MEMS 원시 데이터를 스트리밍하여 사용자의 PC에서 AI 알고리즘을 훈련시킵니다. 일반 AI 모드에서는 BLE 라디오 애드버타이징, 연결, 스트리밍 기능이 기본적으로 비활성화됩니다. 동시에, 주기적인 간격마다 MAX78000이 깨어나 AI 추론을 실행합니다. 이상이 감지되지 않으면 VOYAGER4는 중간 절전 모드로 돌아갑니다(그림 6)

그림 6: 이벤트 간 시간에 따른 VOYAGER4 센서의 평균 전력 소모(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

그림 6은 센서가 BLE 라디오를 통해 원시 데이터를 전송하지 않을 때, 전력 소모가 최대 50%까지 감소함을 보여줍니다. 훈련 모드에서는 BLE 라디오가 활성화되어 한 시간에 한 번씩 애드버타이징, 연결, 데이터 전송을 수행할 때 약 0.65mW의 전력이 소모됩니다. 센서가 일반 AI 모드에서 작동하는 경우에는, 센서가 매시간 한 번 활성화되어도 시스템은 0.3mW를 소모합니다. 데이터 분석에 따르면, 전력 소모가 0.3mW일 때 단일 1,500mAh 배터리로 2년 동안 작동할 수 있습니다. 그러나 두 개의 표준 AA, 2.6Ah 배터리를 사용하면 배터리 수명을 약 7년으로 연장할 수 있습니다. 작동 시간을 늘리기 위해, 낮은 베이스 전류와 주기적 펄스를 지원하는 배터리 전지를 사용하는 것이 좋습니다.

VOYAGER4 GUI 및 펌웨어

VOYAGER 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 Python으로 작성되었으며 bleak, asyncio, Tkinter와 같은 주요 라이브러리를 사용하여 BLE 라디오를 통해 VOYAGER4 센서에 연결되는 대화형 인터페이스를 제공합니다.

VOYAGER4 평가 키트에는 두 개의 마이크로 컨트롤러와 센서, PMIC, 플래시 메모리, 통신 인터페이스 등를 포함한 여러 주변 장치가 포함되어 있습니다. ADI는 호스트 PC를 제어하고 이와 통신하는 데 필요한 코드를 개발할 수 있는 도구를 제공합니다. 예를 들어, 엔지니어들은 전체 임베디드 개발을 위해 CodeFusion IDE를 활용하고, AI 애플리케이션 배포를 위해 VOYAGER SDK를 활용할 수 있습니다. 특히, MAX32666 및 MAX78000 마이크로 컨트롤러의 경우, 이러한 장치를 프로그래밍할 수 있는 전용 개발자 리소스가 제공됩니다.

결론

ADI의 무선 진동 모니터링 센서 VOYAGER4는 산업 시스템 내 로보틱스 및 기타 회전 기계의 모터 상태 기반 모니터링에 효과적인 도구입니다. ADI의 평가 키트는 무선 진동 모니터링을 신속하게 배포할 수 있는 완전한 저전력의 플랫폼을 제공하여, 엔지니어가 MEMS 센서를 이해하고 적용할 수 있도록 합니다.