So sieht ein Referenzdesign für die Zustandsüberwachung aus

Wenn wir davon sprechen, dass sich die Fabrikautomation in Richtung Smart Industry entwickelt, geht es in der Regel darum, wie wir traditionelle industrielle Anwendungen neu überdenken können – ergänzt durch eine Reihe Verbesserungen. Diese Verbesserungen hängen oftmals mit erweiterten Verbindungsmöglichkeiten für Industrieanlagen zusammen: Maschinen mit zusätzlicher Intelligenz, um selbst aktiv werden zu können, und häufig mit einigen zusätzlichen Sensorfunktionen.

Dank dieser zusätzlichen oder verbesserten Konnektivität können diese Maschinen nunmehr Messdaten, Diagnoseinformationen, Warnmeldungen und vieles mehr weiterleiten, sei es an übergeordnete Funktionen in der Fabrik oder an die Cloud. Diese allgemeinen Merkmale findet man in zahlreichen realen Anwendungen wieder. Folgerichtig erscheint es jedoch, die Leistungsfähigkeit industrieller Maschinen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg mithilfe vorausschauender Instandhaltungstechniken neu zu überdenken.

Sobald Grenzwertüberschreitungen festgestellt werden, sorgt eine intelligente vorausschauende Instandhaltung für die lokale Aufbereitung der entsprechenden Daten und für deren Weiterleitung an übergeordnete Knoten, die sie speichern und auswerten und Entscheidungen planen. Sollten mehrere Knoten an verschiedenen Orten zu überwachen sein, empfiehlt sich außerdem die Anbindung an die firmeneigene Cloud.

Einführung

Das Referenzdesign für die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring, CM)  STEVAL-BFA001V1B besteht hardwareseitig aus der Hauptplatine STEVAL-IDP005V1, die die Form eines Industrie-Sensors hat, und einem Adapter, nämlich der Platine STEVAL-UKI001V1, die als Host für das Programmier- und Debugging-Tool ST-LINK/V2-1 fungiert. Hinzu kommen ein zehnadriges 0,05-Zoll-Flachbandkabel, ein vierpoliger Kabelstecker und eine standardmäßige M12-Buchse an einem 2 m langen Kabel.

Die 50 mm x 9 mm x 9 mm messende Hauptplatine STEVAL-IDP005V1 ist so ausgeführt, dass sie sich leicht im Format eines Industriesensors kapseln lässt, um sehr anwendungsnah eingesetzt zu werden. Sie enthält den leistungsfähigen 32-Bit-Mikrocontroller STM32F469AI mit ARM Cortex-M4-Core zur Verarbeitung der Applikations-Firmware. Die von den verschiedenen Sensoren auf der Leiterplatte kommenden Daten werden zur Nachverarbeitung über eine Leitungsverbindung an den IO-Link Device Transceiver L6362A übertragen.

Bild 1: Das Konzept hinter vorausschauenden Instandhaltungs-Anwendungen basiert darauf, intelligente Sensoren und Verarbeitungsfunktionen auch an alten Maschinen nachzurüsten. ST Microelectronics

Algorithmen für die erweiterte Signalverarbeitung im Zeit- und Frequenzbereich und die Analyse des digitalen 3-Achsen-Beschleunigungssensors mit einer flachen Bandbreite von 3 kHz sind ebenso Bestandteil des Firmware-Pakets wie die Treibersoftware für sämtliche übrigen Sensoren (zum Beispiel für Druck, relative Feuchte und Temperatur) auf der Platine STEVAL-IDP005V1. Über das eingebaute digitale MEMS-Mikrofon lässt sich mit Audio-Algorithmen auch die Geräuschentwicklung analysieren. Die Daten lassen sich mithilfe eines Terminal-Emulators auf einem PC visualisieren. Hierzu wird die STEVAL-IDP005V1 über den Adapter STEVAL-UKI001V1 und ST-LINK/V2-1 mit dem PC verbunden.

Auch ein Verbinden mit dem STEVAL-IDP004V1 (IO-Link Master Multi-Port Evaluation Board auf Basis des Transceivers L6360) ist möglich, wobei die Ergebnisse der Algorithmen und die Sensordaten mit einer speziellen PC-GUI (grafische Benutzeroberfläche) visualisiert werden. Zu diesem Zweck besitzt das STEVAL-BFA001V1B-Kit ein M12-Industriekabel für die Stromversorgung oder die Verbindung mit einem Master-Port. Gemanagt wird die Verbindung mithilfe eines herkömmlichen mehradrigen Kabels, wobei eine Ader für IO-Link-Daten, eine für die L+-Leitung (Pluspol der Stromversorgung) und eine für L- (Minuspol der Stromversorgung) verwendet wird.

Da das Layout des STEVAL-BFA001V1B-Kits so ausgelegt ist, dass es den Normen IEC 61000-4-2/4 und EN 60947 für industrielle Umgebungen entspricht, kann es zur Überwachung industrieller Antriebe, Pumpen und Lüfter sowie zur Entwicklung einer Vielzahl vorausschauender Instandhaltungs-Anwendungen genutzt werden. Unter der Bezeichnung STSW-BFA001V1 wird ein entsprechendes Firmwarepaket angeboten.

Die ST-Lösung für vorausschauende Instandhaltung

Bild 2: Umfang des Kits STEVAL-BFA001V1B. Ganz unten zu sehen ist die Hauptplatine STEVAL-IDP005V1 (Ansicht von oben) mit dem M12-Industriestandard-Anschluss rechts. ST Microelectronics

In diesem Abschnitt wird näher auf das Predictive-Maintenance-Kit STEVAL-BFA001V1B mit Sensoren und IO-Link-Fähigkeit eingegangen. Der Lieferumfang des Kits geht aus Bild 2 hervor. Die anschließenden Erläuterungen konzentrieren sich auf das Board STEVAL-IDP005V1 (Bild 3), da die übrigen Komponenten für die Erläuterung des Applikationskonzepts irrelevant sind, auch wenn diese zur Implementierung der Anwendungen benötigt werden (zum Beispiel Kabel, Steckverbinder und Adapter).

Die Leiterplatte STEVAL-IDP005V1 hat ein kleines industrieübliches Multi-Sensor-Format, ist für Betriebsspannungen von 18 bis 32 V ausgelegt und besteht aus den folgenden Komponenten:

• STM32F469AI: 32-Bit-Mikrocontroller mit ARM Cortex-M4-Core für Signalverarbeitung und -analyse,
• ISM330DLC: iNEMO (6 Freiheitsgrade),
• LPS22HB: Digitaler Absolut-Drucksensor,
• HTS221: Sensor für Temperatur und relative Feuchte,
• MP34DT05-A: Digitaler Mikrofonsensor,
• L6362A: IO-Link PHY Device und SIO-Mode-Transceiver,
• M95M01-DF: EEPROM zur Datenspeicherung,
• L6984 und LDK220: Abwärts-Schaltregler beziehungsweise LDO-Regler,
• standardmäßiger M12-Industriesteckverbinder,
• SWD-Anschluss für Debugging und Programmierung,
• Reset-Taster,
• Erweiterungs-Steckverbinder mit GPIO, ADC und I²C-Bus.

Bild 3: Hauptplatine STEVAL-IDP005V1 (Ansicht von unten). ST Microelectronics

Als umgehend einsatzbereite Lösung für die vorausschauende Instandhaltung auf Basis der Zustandsüberwachung gibt es das spezielle Softwarepaket STSW-BFA001V1, das auf dem STM32F469AI läuft und Treiber für alle zuvor aufgeführten Sensoren enthält. Das Softwarepaket enthält Middleware mit Algorithmen für die Verarbeitung von Beschleunigungssensor-Daten zur Überwachung von Motoren, Pumpen oder Lüftern im Zeit- und Frequenzbereich bis zur maximalen Ausgangs-Datenrate des Beschleunigungsaufnehmers (bis ODR/2 = 3,3 kHz). Ein weiterer Bestandteil des Pakets ist eine Audiobibliotheks-Middleware zum Analysieren der Geräuschentwicklung, um eine breitbandigere Analyse zu erzielen. Zum Umfang der Software gehören ferner mehrere Beispiele und Demonstrationen, die das Überwachen von Sensordaten und der entsprechenden Ausgangssignale beziehungsweise das individuelle Anpassen der Überwachung zu vereinfachen. Eine der Demonstrationen basiert beispielsweise auf programmierbaren Grenzwerten für Warn- und Alarmbedingungen im Zeitbereich und in Spektralbändern. Umgebungs-, Akustik- und Vibrationsdaten lassen sich überdies über einen Terminalemulator überwachen.

Da die Anwendungen für vorausschauende Instandhaltung und Zustandsüberwachung im Wesentlichen für die Fabrikautomation konzipiert sind, wurde das STEVAL-IDP005V1 als ein IO-Link-fähiges Tool konstruiert. Hierfür befindet sich der L6362A auf der Platine. (Der IO-Link-Stack V.1.1 wird auf der nächsten Version des Kits standardmäßig vorhanden sein, lässt sich aber auch in die derzeitige Version integrieren.) Eine weitere Demonstrations-Firmware betrifft die Kommunikation mit dem IO-Link Master Multi-Port Evaluation Board STEVAL-IDP004V1.

Merkmale des Softwarepakets STSW-BFA001V1

Bild 4: Architektur der Middleware STSW-BFA001V1. ST Microelectronics

Die auf dem Mikrocontroller STM32F469AI laufende Software STSW-BFA001V1 umfasst Treiber für die Sensoren HTS221, LPS25HB, ISM330DLC (nur der Beschleunigungssensor wird unterstützt), MP34DT05-A und M95M01-DF. Die komplette Middleware, deren Architektur in Bild 4 zu sehen ist, dient zur Vor-Ort-Verarbeitung der Signaldaten im Zeit- und Frequenzbereich bis zur maximalen Bandbreite der Ausgangs-Datenrate des Beschleunigungssensors (ODR/2 = 3,3 kHz). Auch wenn die Middleware für den STM32F469AI entwickelt wurde, lässt sie sich vom Design her problemlos auf andere MCU-Familien portieren. Die Middleware enthält mehrere Algorithmen für die erweiterte Signalverarbeitung im Zeit- und Frequenzbereich zur Durchführung von Vibrationsanalysen. Die wichtigsten Merkmale sind:

• Programmierbarer FFT-Umfang (512, 1024 oder 2048 Punkte),
• Programmierbare FFT-Mittelwertbildung und Überlappung,
• Programmierbares Windowing (Flat Top, Hanning, Hamming),
• Drehzahl RMS, gleitender Mittelwert, maximale Beschleunigungsspitzen.

Auch Algorithmen für das Digitalmikrofon finden sich in der Middleware. Die wichtigsten Eigenschaften sind hier:

• PDM (Pulsdichtenmodulation) auf PCM (Pulscodemodulation),
• Schalldruck,
• Audio-FFT.

Ein Überwachen der Daten am PC ist mit jedem kostenlosen Terminalemulator möglich.

Applikation mit dem STEVAL-BFA001V1B

Bild 5: Applikations-Anordnung mit dem STEVAL-BFA001V1B-Kit (die STEVAL-IDP005V1-Platine wird am Motorchassis angebracht) und der Verbindung zum PC über das Multi-Port IO-Link Master Board STEVAL-IDP004V1. ST Microelectronics

Eine grundlegende Anordnung besteht aus der zu überwachenden Anlage, dem Predictive Maintenance Reference Design Kit STEVAL-BFA001V1B und der Verbindung zu einem PC. Wie in Bild 5 zu erkennen ist, wird der Anschluss an den PC über den RS485-Port des STEVAL-IDP004V1 hergestellt (hierfür wird ein RS485-USB-Adapter benötigt), jedoch besteht auch die Option zur direkten Verbindung des STEVAL-IDP005V1 mit einem PC. Mit der gezeigten Anordnung kann der Anwender bis zu vier zu überwachende Punkte anschließen.

Zu Demonstrationszwecken wurde die Anbringung der STEVAL-IDP005V1-Platine am Motorchassis vorgenommen, ohne besondere Empfehlungen zu berücksichtigen. Unter diesen Umständen werden an die Messergebnisse hohe Anforderungen in Bezug auf die Datenqualität und die Stimmigkeit gelegt, damit sich ermitteln lässt, ob ein Schaden am Motor bevorsteht oder nicht. Kundige Anwender und die Betreiber vor Ort können die Anordnung verbessern, wenn sie der Auffassung sind, dass es sinnvoller ist, den Sensorknoten an einem anderen Ort zu platzieren. Einschränkungen können sich in jenen Implementierungen ergeben, in denen das IO-Link-Protokoll genutzt wird. Hier darf die Kabellänge nämlich nicht größer als 20 m sein, um die Vorgaben der IO-Link-Norm nicht zu verletzen.

Die von den Sensoren kommenden Daten werden gesammelt, aufbereitet (FFT, Thresholding) und an den PC übermittelt, auf dem eine ad-hoc entwickelte grafische Benutzeroberfläche (GUI) dem Anwender die Möglichkeit bietet, gewissermaßen mit den Sensoren zu spielen und sinnvolle Analysen mit dem angeschlossenen Knoten durchzuführen. Die gleiche Anordnung mitsamt der PC-Schnittstelle wurde mit vier verschiedenen Knoten erprobt und brachte stets zuverlässige Ergebnisse.

Über die GUI kann der Anwender allgemeine Einstellungen mit den Registern des IO-Link Master Transceivers L6360 vornehmen, der sich auf dem STEVAL-IDP004V1 befindet (die Platine beherbergt vier Master-Transceiver, damit die Transceiver von bis zur vier Geräten gleichzeitig gemanagt werden können). Zusätzlich besteht die Möglichkeit zum Beobachten und permanenten Abspeichern der Messreihen in Form von Textdateien. Am wichtigsten für die Echtzeitüberwachung ist die Möglichkeit, Vibrationsdaten, die getrennt für die X-, Y- und Z-Achse vom Beschleunigungssensor kommen, zu sichten, um in Echtzeit das Verhalten in grafischer Form zu beurteilen und auf die Überschreitung von Grenzwerten zu untersuchen. Erfasst werden schließlich auch die Umgebungsdaten vom Feuchte- und Temperatursensor.

Bild 6: Die GUI ermöglicht das Managen und Überwachen von bis zu vier Knoten, die an das Multi-Port IO-Link Master Board STEVAL-IDP004V1 angeschlossen sind. ST Microelectronics

Der Zweck dieser Applikations-Anordnung und der auf der ST-Website verfügbaren Hard- und Software ist es, die Entwicklungszeit für industrielle Anwendungen, die auf vorausschauender Instandhaltung oder Zustandsüberwachung basieren, zu verkürzen. Dies geschieht durch Einbindung aller in der Stückliste aufgeführten ICs und von Sensoren, die für industrielle Anwendungen und eine Einsatzdauer von zehn Jahren ausgelegt sind. Die Sensoren auf der Leiterplatte STEVAL-IDP005V1 lassen sich einfach in beliebige Fabrikautomations-Netzwerke einbinden, da sie das IO-Link-Protokoll oder sogar die SIO-Kommunikation (beziehungsweise jegliche Art serieller Kommunikation) unterstützen, die sich im industriellen Bereich großer Beliebtheit erfreuen.

Ein entscheidendes Element der beschriebenen Architektur ist das Board STEVAL-IDP004V1 (Bild 7). Es basiert auf dem Mikrocontroller STM32F205RB mit ARM Cortex-M3-Core (mit 128 KByte Flash-Speicher, 120 MHz Taktfrequenz und ART Accelerator) sowie vier IO-Link Communication Master Transceiver ICs vom Typ L6360 für das gleichzeitige Management von vier verschiedenen Knoten (diese befinden sich nahe den M12-Steckverbindern an den Seiten der Leiterplatte). Das Ergebnis ist eine auf serieller asynchroner Kommunikation basierende Multi-Port-Master-Leiterplatte, um das IO-Link-Protokoll zu unterstützen. Jeder Knoten kann für die Verbindung mit einem Device-Knoten über ein dreiadriges Kabel vom M12-Industriesteckverbinder erkannt werden (wie von der Norm gefordert). Die Dreiadrigkeit wird ebenfalls von der Norm verlangt: eine Ader wird für den IO-Link-Bus genutzt, eine für die Leitung L+ (Pluspol der Stromversorgung) und eine für L- (Minuspol der Stromversorgung).

Bild 7: Das IO-Link Master Multi-Port Evaluation Board STEVAL-IDP004V1 basiert auf dem IO-Link Communication Master Transceiver IC L6360. ST Microelectronics

RS-485-Bus, CAN-Bus und ein USB-Hardware-Interface stehen auf der STEVAL-IDP004V1-Platine ebenfalls zur Verfügung, um ein Maximum an Flexibilität zu bieten. Bevor die wichtigsten Features des Boards aufgelistet werden, ist unbedingt darauf hinzuweisen, dass das Layout gemäß den Anforderungen der Norm IEC 61000-4-2/4/5 für industrielle Anwendungen gestaltet wurde:

• Haupt-Betriebsspannung: maximal 32 V,
• STM32F205RB: MCU mit 32 Bit ARM Cortex-M3-Core,
• vier IO-Link Master Transceiver des Typs L6360,
• serielle RS-485-Schnittstelle,
• serielle CAN-Schnittstelle,
• USB-Interface,
• DC/DC-Wandler,
• eingebauter Verpolungsschutz,
• gemäß den IEC-Vorgaben für den industriellen Einsatz konstruiert,
• RoHS- und WEEE-konform.

Zusammenfassung

Die Herausforderung im Zusammenhang mit dem Reference Design Kit STEVAL-BFA001V1B bestand darin, intern Anwendungsfälle auszuarbeiten, die den realen Applikationen der Endanwender möglichst nahekommen. Diese Applikationsanordnung kann als erster Schritt betrachtet werden. Während also viele Details bereits angelegt sind, bleibt zur Erweiterung des Anwendungsspektrums Raum für zahlreiche Ideen. In der Tat halten viele Kunden Ausschau nach Cloud-orientierten Anwendungen für die gemeinsame Analyse zahlreicher, auf verschiedene Standorte verteilter Knoten. Dies gilt insbesondere für den hochsensiblen Bereich der vorausschauenden Instandhaltung, wo ein möglichst langer effizienter Einsatz der Maschinen höchste Priorität hat. Hinzu kommt, dass die Industrieanlagen in vielen Fällen einen Teil des geistigen Eigentums eines Unternehmens verkörpern. Diese Überlegung macht deutlich, dass Entwickler auf diesem Gebiet nach einer Cloud-Anbindung suchen (ST bietet diese Möglichkeit), wobei eine leitungsgebundene Verbindung (zum Beispiel IO-Link) nicht die einzige Alternative ist.

Inzwischen nimmt die Verfügbarkeit drahtloser Konnektivität (zum Beispiel Wi-Fi, BLE, LoRa) im Bereich der Fabrikautomation zu – insbesondere im Zuge des Smart-Industry-Trends mit M2M-Kommunikation. Die Möglichkeit, zahlreiche Sensorknoten über einen weiten Bereich zu verteilen, wird hierdurch höchst attraktiv. Nicht zuletzt ist die Fähigkeit, auf drahtlosem Weg Informationen von diesen Knoten zu beziehen, besonders dort hilfreich, wo industrielle Anlagen an schwierig zu verkabelnden Orten oder in Bereichen installiert werden, wo das Störaufkommen hoch ist, sich die Verkabelung problematisch gestalten würde, die Kosten für Kabel und Steckverbinder hoch wäre oder andere Widrigkeiten bestehen. Vor dem Hintergrund der Tatsache, dass die vorausschauende Instandhaltung das Nachrüsten bestehender Maschinen bedeutet, stellt die drahtlose Übertragung eine weitere wichtige Option im IC-Portfolio von ST dar.

(jj)