An Energy harvesting powered sensor node for machine condition monitoring

Abstract

Die Zustandsüberwachung von Maschinen ist ein schon lange praktizierter Ansatz, um die Maschine in einem sicheren Betriebszustand zu betreiben. Die Kontrolle des Öldrucks, der Öltemperatur oder der Drehzahl sind allgemeine Beispiele dafür. Da bei rotierenden Teilen immer Schwingungen auftreten, ist die Vibrationsanalyse eine weit verbreitete Vorgehensweise, um den Zustand einer Maschine zu überwachen [MTPP12] [HVD+15] [SK17]. Sogar bei präzise hergestellten Maschinen treten Vibrationen aufgrund von unvermeidbaren mechanischen Toleranzen auf [KV86]. Durch die Entwicklung in der Elektronikindustrie sind verschiedene Sensortypen verfügbar, die für die Zustandsüberwachung eingesetzt werden können. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein drahtloser Sensorknoten entwickelt, welcher in der Lage ist, die Vibration einer Maschine zu messen und die Daten einem Analysegerät zur Verfügung zu stellen. Das Wissen über den Zustand einer Maschine erlaubt eine genau Planung von Wartungsarbeiten, wenn sie erforderlich sind. Des Weiteren können überraschende Fehler, welche zu langen Ausfallzeiten der Maschine oder sogar zur Beschädigung dieser oder zu Verletzungen von Personal führen, vermieden werden. Melden ein oder mehrere Sensoren, dass die Leistung der Maschine nachlässt oder die Maschine in einem Fehlerzustand ist, können Reparaturarbeiten durchgeführt werden [SJ15]. Diese Art von Wartung wird zustandsabhängige Wartung genannt [Ran11]. Der entwickelte Sensorknoten wird von einem Thermoelektrischen Generator (TEG) mit elektrischer Energie versorgt. Dieser kann durch den Temperaturunterschied der warmen Oberfläche der Maschine und der kühleren Umgebung elektrische Energie erzeugen [43]. Die Steuereinheit des Sensors ist ein Mikrokontroller, welcher die Aktivitäten steuert und die gemessenen Sensordaten mithilfe eines Bluetooth Low Energy (BLE) Bausteins weitersendet. Die Daten können für eine Analyse des aktuellen Zustands der Maschine aber auch für eine Trendanalyse für den zukünftigen Zustand verwendet werden.

Monitoring the condition of machines is a long-used approach to keep the machine in a safe state. Observing oil pressure, oil temperature or rotating speed are general examples for it. Since at rotating parts oscillations always occur, vibration analysis is a widely used approach to monitor the condition of a machine [MTPP12] [HVD+ 15] [SK17]. Even at the best produced machine vibration appears because of mechanical tolerances which cannot be avoided [KV86]. Due to the evolution in the electronic industry there are several sensor types available which can be used to monitor the vibration of a machine. In this work a wireless self-powered sensor node is developed which measures the vibration of a machine and provides the data to an analysis computer. The know-how about the condition of machines allows planning maintenance if the need arises. Surprising faults which lead to a long downtime of the machine or even to a catastrophic crash where the machine can be damaged, or humans can be injured can be avoided. If one or more indicator show that the performance of a machine is decreasing or that the machine is going to fail maintenance can be performed [SJ15]. This type of maintenance is called Condition-based Maintenance (CbM) [Ran11]. The developed sensor node is self-powered with a thermoelectric generator (TEG). Because of the temperature difference of the warm machine surface and the colder surrounding electric energy can be produced [43]. The control unit of the sensor node is a microcontroller which controls the activities on the node and transmits the measured sensor data via Bluetooth Low Energy (BLE) chip to an analysis device which performs further analysis of the current machine condition or future trend analysis.