Gartner在預測未來科技熱點時指出“數(shù)字化顛覆”概念是未來發(fā)展的一個重要核心，在今日的工業(yè)領(lǐng)域，以全數(shù)字化為特征的第四次工業(yè)革命已然在全球拉開帷幕，極大激發(fā)了制造企業(yè)對全生產(chǎn)系統(tǒng)進行改造和優(yōu)化的勃勃雄心。
例如傳統(tǒng)維護模式中的故障后維護或定期維護會影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，大幅提高制造商的成本，而物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能與傳感技術(shù)的成熟應用，預測性維護技術(shù)這一“殺手級”應用應運而生。據(jù)相關(guān)機構(gòu)預測，到2024年，全球預測性維護市場規(guī)模年復合增長率將超過39%，達到235億美元。本文以全球高性能半導體技術(shù)提供商ADI的產(chǎn)品為例，將介紹如何在工業(yè)數(shù)字化的進程中選擇合適的預測性維護解決方案。
基于故障時間線分析，確定可預測性維護的最佳時機
通常而言，預測性維護涉及使用CbM(基于狀態(tài)監(jiān)測)、機器學習和分析等的技術(shù)組合來預測即將發(fā)生的機器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)測機器的健康狀況時，需選擇最合適的傳感器，以確保能夠檢測、診斷甚至預測故障，這點至關(guān)重要。目前有許多傳感器被用于檢測旋轉(zhuǎn)機器及其負載中的故障，從而避免意外停機。由于許多旋轉(zhuǎn)機器(電機、齒輪、泵和渦輪機)以及非旋轉(zhuǎn)機器(閥門、斷路器和電纜)監(jiān)控都用到了預測性維護技術(shù)，所以很難對每個傳感器進行排序。
因此，最佳的預測性維護策略是有效利用盡可能多的技術(shù)和傳感器來提早檢測故障，且檢測結(jié)果高度可信，如此則無需使用一刀切式的傳感器解決方案。下圖顯示了從安裝新電機到電機發(fā)生故障期間發(fā)生的事件的時間表，以及推薦使用的預測性維護傳感器類型。
機器健康狀況與時間
如果故障發(fā)生在兩次定期維護檢查之間，則很可能導致意外停機。在這種情況下，需要使用合適的預測性維護傳感器來盡可能提早檢測潛在故障，振動、聲學與溫度分析通常被認為是使用預測性維護的最佳起點，能夠比其他傳感器更早地檢測某些故障，例如軸承損壞等。大多數(shù)預測性維護系統(tǒng)只使用其中一些傳感器，因此必須確保除了使用合適的傳感器來檢測這些潛在的關(guān)鍵故障之外，還要深入了解這些故障。
常用于實施CbM的傳感器
MEMS加速度計檢測振動如何讓故障“無處遁形”?
現(xiàn)階段制造商使用包括振動、噪聲、溫度測量等多種參數(shù)來確定啟動維護操作的時間，在可測量的物理量中，振動頻譜測量能夠針對旋轉(zhuǎn)機器中的問題的根源提供最多信息，異常振動可能是滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度松散等問題。
振動測量可以使用放置在被監(jiān)測元件附近的加速度計進行，這種傳感器可以是壓電式，也可以是MEMS類型，后者更具優(yōu)勢，不僅可以在低頻率下提供更好的響應，而且體積小巧。滾珠軸承發(fā)生故障時，每次滾珠碰觸到開裂處，或者觸碰到內(nèi)環(huán)或外環(huán)的缺陷位置，就會發(fā)生撞擊，引起振動，甚至導致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位。撞擊發(fā)生的頻率由轉(zhuǎn)動速度，以及滾珠的數(shù)量和直徑?jīng)Q定。
與此同時，一旦故障出現(xiàn)，撞擊有時候會產(chǎn)生可以聽見的聲音，即沖擊波，表現(xiàn)為低能量譜分量和相對較高的頻率，通常大于5 kHz，而且總是遠遠超過基本的旋轉(zhuǎn)頻率。只有低噪聲、高帶寬加速度計才能測量與首個故障信號相對應的頻譜線，ADI的ADXL100x便可以很好完成測量。作為一款壓電式加速度計，ADXL100x具有超低噪聲和寬帶寬，加上與工業(yè)標準連接(ICP和IEPE)耦合，幾十年來一直是實施振動測量的典型傳感器。MEMS加速度計已經(jīng)調(diào)整為可以和IEPE標準模塊連接，該轉(zhuǎn)換電路以ADI參考設(shè)計為基礎(chǔ)，是基于一種特殊的PCB進行設(shè)計，可以在寬頻帶上工作，以在后期設(shè)計成一個機械模塊。
MEMS加速度計、IEPE參考、PCB設(shè)計允許在IEPE機械模塊中改進ADXL100x系列CbM加速度計
除了ADXL100x(ADXL1001/ADXL1002/ADXL1003/ADXL1004/ADXL1005)加速度計外，ADI還提供一系列從通用、低功耗、低噪聲、高穩(wěn)定性和高g的MEMS加速度計，一直到智能終端節(jié)點模塊，對于分析機器狀態(tài)非常有用。例如在更嚴格的帶寬范圍內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，ADXL35x系列產(chǎn)品 (ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357) 具備低噪聲等級特性(噪聲低至20 μg/√Hz，帶寬為1500 Hz)，與提供模擬輸出的ADXL100x系列產(chǎn)品不同，ADXL35x系列產(chǎn)品可以提供數(shù)字輸出，用于簡化與微控制器的接口。
從組件到完整模塊，ADI設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品全線布局
事實上，針對電機控制系統(tǒng)預測性維護與工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計要求的低功耗、高效率，ADI提供了門類齊全的產(chǎn)品組合。除了MEMS加速度計之外，還包括了模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler?數(shù)字隔離器、電源管理器件和實時以太網(wǎng)解決方案。這些高性能的器件和增加系統(tǒng)集成度有助于實現(xiàn)更新型的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計帶來價值。
由于振動+溫度檢測的模式是非常有效能夠檢測出設(shè)備異常的高性價比方案，針對此方案的實現(xiàn)，ADI SMS(Smart Motor Senor)是Otosense AI平臺下的系統(tǒng)級解決方案，通過集成的ADI高性能振動、溫度與磁傳感器采集數(shù)據(jù)，能夠在早期就檢測到電機的異常狀況，并且通過SmartMesh無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到云端，客戶可以在各類終端設(shè)備上監(jiān)控到電機的狀況，并進行一些綜合性的數(shù)據(jù)分析。
SMS技術(shù)最突出的優(yōu)勢就是能夠檢測出最多9種電機異常，包括供電異常、定子異常、轉(zhuǎn)子異常、機軸平衡、定轉(zhuǎn)子對稱、軸承異常、軸心偏移、散熱異常、固定異常。除了電機異常檢測外，SMS還可以對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，包括開關(guān)機次數(shù)、運行時間、轉(zhuǎn)速、電流、輸出力矩/功率等，能夠讓運動控制系統(tǒng)變得更智能。
作為率先推出了支持預測性維護MEMS加速度計系列且仍是少數(shù)能夠提供如此高性能的MEMS加速度計的提供商之一，ADI將繼續(xù)在傳感器、信號鏈解決方案、機械模塊、平臺、機器學習算法、人工智能軟件平臺和整體系統(tǒng)解決方案等領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，以幫助客戶加速邁向工業(yè)4.0。
（轉(zhuǎn)載）
