Condition Monitoring Vibrationssensor mit In-Sensor-KI als Alternative zu piezoelektrischen Sensoren

STMicroelectronics stellt einen intelligenten Vibrationssensor für industrielle Zustandsüberwachungsanwendungen vor, die hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz erfordern. Der Sensor erkennt Verschleiss frühzeitig und bietet eine energieeffiziente Alternative zu piezoelektrischen Sensoren in der Industrie.

Der mit ST MEMS-(Micro-Electromechanical Systems-)Technologie entwickelte Vibrationssensor IIS3DWB10IS von STMicroelectronics mit intelligenter Sensorverarbeitungseinheit (ISPU 2.0) bringt fortschrittliche digitale Signalverarbeitung und KI-Inferenz näher an das Sensorelement. Das Ergebnis ist ein kompaktes, robustes Bauteil, das Vibrationen und Stösse bis zu 200 g bei Frequenzen von 10 kHz und darüber misst. Durch die Kombination von digitaler Präzision und einfacher Bedienung mit einem weiten Temperaturbereich von bis zu 125 °C für den Einsatz in rauen Umgebungen ist der Vibrationssensor darauf ausgelegt, Kunden dabei zu helfen, die Anlagenverfügbarkeit zu verbessern, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren und vorausschauende Wartungsstrategien in industriellen Umgebungen zu unterstützen.

Die Schwingungsanalyse ist das dominierende Segment der Zustandsüberwachung, da viele Branchen rotierende und oszillierende Maschinen zum Schneiden, Formen, Bewegen, Kühlen und für andere Prozesse einsetzen. Die Möglichkeit, Anlagenstillstände durch frühe Erkennung von Problemen zu verhindern, etwa durch das frühzeitige Vorhersagen von Lagerausfällen, hilft Unternehmen in allen Sektoren, einschliesslich der Automobilindustrie und anderer Fertigungsbereiche, den Produktionsfluss zu optimieren.

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MEMS-Vibrationssensor ist überzeugende Alternative zu piezoelektrischen Sensoren

«Unser industrieller MEMS-Vibrationssensor liefert den Dynamikbereich und die Bandbreite, die für High-End-Anwendungen erforderlich sind, und erweitert die Vorteile der digitalen In-Sensor-Verarbeitung von ST. Durch die Integration der ISPU 2.0 mit ihren neuen Hardware-Beschleunigern für schnelle Signalverarbeitung und KI-Inferenz werden Erkennungsmerkmale für Verschleiss präziser, während Latenz und Energieverbrauch sinken», sagte Simone Ferri, APMS Executive VP MEMS Sub-Group, STMicroelectronics. «Die Industrie kann eine neue Generation von Zustandsüberwachungssensoren erwarten, die erste überzeugende Alternative zu piezoelektrischen Sensoren – leicht, einfach zu integrieren und zu entwickeln, hochgenau und energieeffizient genug für batteriebetriebene Anwendungen.»

«Der IIS3DWB10IS bietet einzigartige Eigenschaften für unsere Zielmärkte und Einsatzumgebungen. Sein hoher Dynamikbereich, die grosse Bandbreite und die hohe Temperaturbeständigkeit, kombiniert mit einfacher Einführung und einem kosteneffizienten, vereinfachten Schaltungsdesign, haben es uns ermöglicht, die etablierte piezoelektrische Sensortechnologie zu ersetzen. Darüber hinaus positioniert der integrierte ISPU-2.0-Prozessor komplexe Signalverarbeitung und schnelle KI-Inferenz nahe am Sensorelement und ermöglicht dadurch intelligentere Systemreaktionen», sagte Andrea Torcelli, Chief Technology Officer, Bonfiglioli S.P.A.

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Verbesserte Anlagenverfügbarkeit und Betriebseffizienz

Durch die Ermöglichung vorausschauender und priorisierter Wartung erlaubt die Fernüberwachung des Anlagenzustands Unternehmen, die Anlagenverfügbarkeit und Betriebseffizienz zu verbessern, unerwartete Ausfälle zu vermeiden und die Sicherheit zu erhöhen. Fortune Business Insights gibt an, dass der weltweite Markt für diese Technologie bis 2032 die Marke von 5 Milliarden US-Dollar überschreiten und mit einer CAGR von über 9 % wachsen wird. Der Vibrationssensor IIS3DWB10IS ist der erste digitale Sensor mit breiter Bandbreite und integrierter Verarbeitung, der eine Leistung bietet, die den Anforderungen hochwertiger industrieller Zustandsüberwachungsanwendungen entspricht und eine überzeugende Alternative zu piezoelektrischen Sensoren darstellt.

Die präzise Messung von Vibrationen über 10 kHz mit einem grossen Dynamikbereich von bis zu 200 g wird durch ein Eigenrauschen von nur 35 µg/√Hz ergänzt. Dies ist mit der Rauschleistung piezoelektrischer Sensoren vergleichbar. Darüber hinaus bietet der IIS3DWB10IS eine vergleichbare Genauigkeit und Empfindlichkeit und ergänzt die Vorteile digitaler Sensorik um kleinere Baugrösse, geringeren Stromverbrauch, ein vereinfachtes elektrisches und mechanisches Design sowie grössere Flexibilität bei der Aufteilung der Rechenaufgaben.

Hardware-Beschleuniger für schnellere Funktionen

ISPU 2.0 (Intelligent Sensor Processing Unit) führt neue Hardware-Beschleuniger für Echtzeit-Signalverarbeitung und KI am Rand des Netzwerks ein. Diese Hardware-Beschleuniger machen häufig verwendete Funktionen schneller und energieeffizienter. Der Kern ist in C programmierbar und verfügt über On-Chip-Programm- und Datenspeicher (RAM).

Das unterstützende Ökosystem stellt Softwarebibliotheken bereit, die die Ausführung typischer Vibrationsüberwachungsalgorithmen auf der ISPU erleichtern, darunter FFT, Filterung, Hüllkurve, Geschwindigkeitsbewertung und Anomalieerkennung. Mit 40 MIPS und 40 MFLOPS digitaler Signalverarbeitung liefert die ISPU 2.0 bis zu viermal mehr Verarbeitungsleistung als die vorherige Generation. Darüber hinaus unterstützt die Sensorschnittstelle der ISPU 2.0 eine sechsmal schnellere Datenübertragung mit der MEMS-Schaltung.

Vibrationsmessung

Schwingungen in drei Achsen mit IO-Link überwachen

Der IIS3DWB10IS enthält ausserdem ein 2048 x 80-Bit-FIFO-Register und einen präzisen Temperatursensor. Das robuste, auf MEMS basierende Design des Sensors unterstützt den Betrieb bis zu 125 °C. Der IIS3DWB10IS ist im 10-Jahres-Industrie-Langlebigkeitsprogramm von ST enthalten. Er wird in einem 4,5 mm x 4,5 mm x 1,5 mm grossen 16-poligen LGA-Gehäuse mit benetzbaren Flanken geliefert, die die automatische optische Inspektion in hochwertigen Oberflächenmontageprozessen erleichtern.

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