當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)仍然面臨嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問題：智能化目標(biāo)不斷催迫，“新基建”政策、戰(zhàn)略相繼落實(shí)，如何在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上快速提升，以最低的成本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)。改善機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和診斷、優(yōu)化整體系統(tǒng)，是當(dāng)今使用機(jī)械設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)的核心挑戰(zhàn)，在任何使用機(jī)器的工業(yè)領(lǐng)域受到越來越多人的關(guān)注。
拓展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測設(shè)備的必要性
狀態(tài)監(jiān)測（CbM），即為對工業(yè)設(shè)備狀態(tài)通過持續(xù)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)預(yù)測性、基于狀態(tài)的維護(hù)策略。在工業(yè)制造運(yùn)營中，被動的設(shè)備維修是造成生產(chǎn)能力喪失的一個主要因素，這種維修本來是可以避免的。平均售價(jià)僅幾美元的零部件，一旦發(fā)生故障，維修成本和由此導(dǎo)致的收入損失可能是其售價(jià)的好多倍。在最不利的情況下，未檢測到的故障可能在系統(tǒng)中引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積損壞，觸發(fā)生產(chǎn)停運(yùn)，造成慘重?fù)p失。
傳統(tǒng)的工廠運(yùn)營中，機(jī)器是按照計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)的，延遲維護(hù)可能會帶來工廠停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。然而如今，來自機(jī)器的過程數(shù)據(jù)可以用于預(yù)測其剩余使用壽命，特別是溫度、噪音和振動等關(guān)鍵參數(shù)記錄可以用來確定機(jī)器的最佳運(yùn)行狀態(tài)，甚至是必要維護(hù)的時間。
CbM策略依賴于優(yōu)化維護(hù)解決方案的早期指標(biāo)
不過在以往，狀態(tài)監(jiān)測僅僅限于發(fā)電廠里最昂貴的設(shè)備，如渦輪和發(fā)電機(jī)，以及那些不能停機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。工廠里還有其他很多設(shè)備沒有做到狀態(tài)監(jiān)測，這些設(shè)備的維護(hù)只能依靠事后維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)，這意味著工廠為了保證不宕機(jī)，必須保證在設(shè)備出故障之前定期更換，這樣做的缺點(diǎn)非常明顯：有些設(shè)備還好好的就被換了下來，沒有充分利用，是很大的浪費(fèi)。如今借助技術(shù)的進(jìn)步，傳感器性能提高了，信號更加精細(xì)，嵌入式處理能力更加強(qiáng)大，檢測的設(shè)備越來越多，從最關(guān)鍵的設(shè)備擴(kuò)展到很多高端、中高端、中端設(shè)備，如軸承、電機(jī)、泵等等，甚至下沉到一些更小、更廉價(jià)的設(shè)備上，能夠最大限度地提高利用率，減少工廠的損失和成本。借助這種監(jiān)控優(yōu)勢，機(jī)器在設(shè)施可用性和有效性方面都具有相當(dāng)大的優(yōu)化潛力。
實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的幾大典型途徑
基于狀態(tài)的監(jiān)測的目標(biāo)主要有兩個：確定潛在的設(shè)備故障或失效風(fēng)險(xiǎn)，從而提前對設(shè)備進(jìn)行主動的維護(hù)和保養(yǎng)；基于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提前進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整，使設(shè)備始終工作于最優(yōu)狀態(tài)。其實(shí)現(xiàn)手段大致可分為振動、聲學(xué)噪聲、工作環(huán)境、功耗、超聲、磁感與紅外監(jiān)測等。
機(jī)械設(shè)備發(fā)出的聲音和振動是很重要的信息，通過聲音和振動可以判斷設(shè)備是否健康，從而可以將維護(hù)成本降低一半，使用壽命延長1倍。實(shí)現(xiàn)實(shí)時聲學(xué)和振動數(shù)據(jù)分析是一種重要的基于狀態(tài)的系統(tǒng)監(jiān)測方法。ADI一直致力于理解人類是如何解讀聲音和振動的，從而建立一個系統(tǒng)來學(xué)習(xí)、解譯設(shè)備的聲音和振動的含義，以檢測異常行為并進(jìn)行診斷。隨著AI技術(shù)的導(dǎo)入，這種愿望已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。其中，ADI公司的OtoSense體系結(jié)構(gòu)就是一種設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)，支持計(jì)算機(jī)聽覺，讓計(jì)算機(jī)能理解設(shè)備發(fā)出的聲音和振動主要指標(biāo)，能在問題變得嚴(yán)重之前確定工廠機(jī)器或汽車發(fā)動機(jī)中的潛在問題。
OtoSense系統(tǒng)
值得一提的是，如果沒有高精度的數(shù)據(jù)輸入，再強(qiáng)大的AI系統(tǒng)都不能發(fā)揮其功能，對于工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測來說也是如此。加速度計(jì)是工業(yè)振動監(jiān)測的關(guān)鍵傳感器，其關(guān)鍵指標(biāo)是低噪聲和寬帶寬，因此ADI在工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中率先推出了多個系列的高性能MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品。例如，ADXL100x系列單軸加速度計(jì)針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用而優(yōu)化，測量帶寬高達(dá)50kHz，g值范圍高達(dá)±100g，并且擁有超低的噪聲性能，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中發(fā)生的主要故障（如套筒軸承損壞、對準(zhǔn)誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化）都在ADXL100x系列狀態(tài)監(jiān)控加速度計(jì)的測量范圍以內(nèi)。
此外，完整的振動檢測系統(tǒng)ADcmXL3021還將高性能振動檢測和各種信號處理功能相結(jié)合，借助寬帶寬（3dB平坦度內(nèi)為DC至10kHz）和典型超低噪聲密度(26μg/√Hz)可以跟蹤許多機(jī)器平臺上的振動信號，可簡化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的智能傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)。
溫度是另外一個關(guān)鍵參數(shù)，不過如果僅僅監(jiān)測溫度，可能會導(dǎo)致維護(hù)太遲，因?yàn)檫@時候設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)故障，但如果把溫度作為整體解決方案的另外一個輸入，將它與振動故障相關(guān)聯(lián)，診斷的能力就會提高。電壓和電流是已經(jīng)廣泛采用的監(jiān)測方式，通過這些方法我們可以區(qū)分故障類型，到底是電器故障還是機(jī)械故障，使得檢修方案的準(zhǔn)確度更高。
以超聲波技術(shù)為核心的無損檢測(NDT)同樣是工業(yè)領(lǐng)域普遍使用的分析技術(shù)，用以在不損害或永久改變材料、組件、系統(tǒng)的前提下評估其屬性，廣泛用于機(jī)械工程、電氣工程和土木工程等許多領(lǐng)域的產(chǎn)品評估、故障排除和研究。以前，實(shí)現(xiàn)超聲成像系統(tǒng)需要大量高性能發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，由此產(chǎn)生的是龐大且昂貴的系統(tǒng)。最近，集成技術(shù)的進(jìn)步使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠采用尺寸更小、成本更低、更便攜的成像解決方案，現(xiàn)場使用也簡單得多。進(jìn)一步發(fā)展的挑戰(zhàn)是繼續(xù)推動這些解決方案的集成，同時提高其性能和診斷能力。ADI作為模擬技術(shù)一站式供應(yīng)商，提供信號處理和電源轉(zhuǎn)換所需的最齊全產(chǎn)品組合，如放大器、轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和數(shù)字信號處理器等。
隨著集成磁力計(jì)的快速發(fā)展，對電機(jī)周圍雜散磁場的測量是對旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的另一種有效測量方法。測量是非接觸式的，也就是說，機(jī)器和傳感器之間不需要直接連接。就像振動傳感器一樣，磁場傳感器也分單軸和多軸。對于故障檢測，應(yīng)在軸向（平行于電機(jī)軸）和徑向方向（垂直于電機(jī)軸）測量雜散磁場。同時溫度測量也是必要的，因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度與溫度具有直接關(guān)系。因此，如今大部分的磁場傳感器都集成了溫度傳感器。但同時，我們也不能忽視了校準(zhǔn)傳感器（如溫度漂移補(bǔ)償）。ADI AMR磁感應(yīng)器ADA4571能夠在-40°C至+150°C的寬工作溫度范圍下進(jìn)行的生產(chǎn)測試得到的最大角度誤差為0.5°，而且具有內(nèi)置診斷功能、大輸出電平、EMC保護(hù)以及低失調(diào)偏移，因此是非常理想的傳感器，它能夠?qū)崿F(xiàn)高性能BLDC電機(jī)控制，而且速度超過25000 RPM。
技術(shù)展望
狀態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢明顯，下一步需要考慮的重點(diǎn)則是如何使其應(yīng)用更進(jìn)一步得到拓展。從工廠角度看，可以對工廠的資產(chǎn)進(jìn)行機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測和優(yōu)化，預(yù)測剩余壽命，了解何時需要維護(hù)，充分利用設(shè)備，這將極大提高工作效率，優(yōu)化工廠、車間資源，進(jìn)口部件，優(yōu)化維護(hù)程序。對于OEM和服務(wù)供應(yīng)商來說，CbM方案通過從機(jī)器收集到的信息，提高對機(jī)器健康狀況的理解，反過來再反饋給機(jī)器本身，以提高系統(tǒng)的性能，針對不同的應(yīng)用優(yōu)化機(jī)器的能力也得到了加強(qiáng)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供附加價(jià)值。
通過監(jiān)測設(shè)備、運(yùn)營和維護(hù)設(shè)備增加新的輸入模式，工廠車間服務(wù)部署而獲得的專業(yè)領(lǐng)域知識，這無疑是巨大的商機(jī)。ADI作為全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，已形成完善的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控體系，擁有從單個模塊、設(shè)計(jì)軟件再到系統(tǒng)的完整解決方案，滿足不同行業(yè)不同企業(yè)的設(shè)備維護(hù)需求，從而能夠幫助加速實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。
（轉(zhuǎn)載）
