Détection sans fil avec des émetteurs de vibrations

Pour les équipements moins stratégiques (autrement dit les équipements auxiliaires), comme les pompes centrifuges et les compresseurs, l’analyse de la rentabilité de l’installation d’un tel système de maintenance conditionnelle est moins évidente.  Cependant, l’indisponibilité de ces machines n’en est pas moins importante dans certains cas pour le fonctionnement sûr et fiable d’une usine.  Il existe donc un besoin pour un système de maintenance conditionnelle économique pour les équipements auxiliaires.

Les capteurs de vibrations sans fil constituent depuis plus d’une décennie une solution à ce problème. De nombreux projets commerciaux ont donné des résultats mitigés, pour un certain nombre de raisons. TE Connectivity (TE) estime toutefois que la technologie et les tendances du marché ont suffisamment convergé pour introduire un capteur sans fil de ce type. 

Nous voyons au moins quatre facteurs clés qui façonnent ce segment du marché :

• Facteur 1 : demande des exploitants pour avoir de plus en plus de données à un prix avantageux
• Facteur 2 : les performances des batteries se sont considérablement améliorées grâce à l’électrification continue.
• Facteur 3 : l’essor de l’Internet des objets (IoT) a amélioré les performances de la radio numérique
• Facteur 4 : l’informatique de périphérie dans les appareils IoT améliore davantage les communications sans fil

Alors que la marche vers la numérisation se poursuit sans relâche, il apparaît clairement que la demande de données n’est jamais satisfaite. Il faut cependant que ces données soient fournies de manière économique.  Il en va de même pour la maintenance conditionnelle des installations. 

Les capteurs sans fil ont évidemment besoin de batteries pour fonctionner de manière optimale. Le facteur le plus important dans le succès ou l’échec de l’utilisation de capteurs sans fil reste les performances de la batterie. Le fait de devoir remplacer fréquemment des batteries épuisées réduit considérablement l’intérêt économique de l’utilisation de capteurs sans fil, sans parler de la perte de données lorsque le capteur n’est pas alimenté.

Connecter les appareils à l’internet afin qu’ils puissent être contrôlés et gérés
à distance a considérablement amélioré les communications radio numériques, à la fois au niveau du matériel qu’au niveau des protocoles de communication. Grâce à l’essor des smartphones, des tablettes et des PC connectés, les coûts associés au matériel radio n’ont fait que de diminuer. Les exigences en matière de mobilité ont entraîné une augmentation de la demande de puces radio ultra-basse consommation pour prolonger l’autonomie des batteries. Une gestion efficace et économique de la bande passante sans fil est désormais essentielle en raison de la grande quantité de données produites par tous ces appareils.

Les modes de communication radio LoRaWAN^TM et Bluetooth Low Energy (BLE) sont apparus comme les plus prometteurs parmi les réseaux étendus à basse consommation d’énergie (LPWAN) disponibles. 

Avantages du LoRaWAN^TM :

• Spectre radiofréquence sans licence inférieur au gigahertz
• Consommation d’énergie très faible pour prolonger la durée de vie des batteries
• Capacités de longue portée entre le capteur et la passerelle (5 km ou plus, selon les conditions du lieu)
• Déploiement adaptable et capable de pénétrer profondément dans des environnements mixtes
• Permet d’envoyer des données de manière asynchrone en cas de besoin, prolongeant ainsi l’autonomie de la batterie.

Avantages du BLE :

• Spectre radiofréquence mondial sans licence de 2,4 GHz
• Consommation d’énergie ultra-faible qui prolonge la durée de vie des batteries
• Communication facilitée par le grand nombre de passerelles, de smartphones et de tablettes
• Bande passante de données plus importante autorisant le transfert de données brutes à des fins d’analyse
• Permet d’envoyer des données en mode diffusion, ce qui facilite la connexion et prolonge la durée de vie des batteries.

Il y a plusieurs années, Gordon Moore a prédit que les performances des appareils numériques doubleraient tous les 18 mois environ (Loi de Moore). Cette prédiction a été globalement confirmée, au point qu’il existe aujourd’hui une énorme puissance de calcul entre vos main ou dans votre appareil personnel connecté (par exemple, une montre intelligente). Cela a permis de développer l’informatique en périphérie, c’est-à-dire la capacité de traiter des données à l’extrémité ou à proximité du réseau (la "périphérie" du réseau), plutôt que d’envoyer ces données sous forme brute jusqu’à une station centrale pour y être traitées.

Pour un capteur de vibrations sans fil, une application évidente de l’informatique de périphérie est le calcul de la FFT (transformation de Fourier rapide) d’une forme d’onde vibratoire échantillonnée au niveau du capteur lui-même. Dans un système conventionnel, la forme d’onde vibratoire brute est envoyée à la station centrale (sous forme de signal analogique) et la FFT y est calculée. Avec l’informatique de périphérie, la FFT peut être calculée dans le capteur et les données traitées peuvent être renvoyées. Plutôt que de renvoyer des signaux de vibration bruts, cela permet de réduire la surcharge de la bande passante et de diminuer l’usage de la batterie. Mais ce n’est qu’un exemple simple. Au bout du compte, beaucoup plus d’opérations de calcul peuvent être effectuées au niveau du capteur. Avec les algorithmes appropriés, le capteur peut en « apprendre » davantage sur la machine sur laquelle il est installé afin de déterminer quand elle fonctionne bien et quand elle rencontre des problèmes.  Les éléments de base sont en place pour concevoir un capteur de vibrations véritablement intelligent et capable de surveiller l’état des machines.