拒絕帶“病”工作：誰是電機(jī)健康的“吹哨人”？

工業(yè)4.0的到來，正在改變制造業(yè)的游戲規(guī)則?；诖髷?shù)據(jù)的洞察，將使得整個生產(chǎn)鏈變得更加透明、靈活而富有彈性，在滿足定制化生產(chǎn)的同時仍能夠?qū)崿F(xiàn)盈利，而這一切在傳統(tǒng)制造業(yè)的模式下是無法想象的。而且，由此引發(fā)的變革是全方位的，其影響力滲透到了生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的方方面面，也包括生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)。

制造業(yè)中傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)通常包括糾正性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)兩種方式，前者是指在設(shè)備發(fā)生故障之后進(jìn)行被動地干預(yù)，后者一般則是按照預(yù)定好的周期或條件進(jìn)行主動的維護(hù)。這兩種方式顯然都不是設(shè)備維護(hù)的最優(yōu)解——前者往往要承擔(dān)計劃外停機(jī)的巨大損失（計劃外停機(jī)的成本會占到總制造成本的近四分之一），而后者則不可避免地會在設(shè)備運轉(zhuǎn)良好地情況下實施不必要的干預(yù)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的成本。

如果有一種建立在大數(shù)據(jù)分析和洞察基礎(chǔ)上的方法，可以實時地了解設(shè)備的實時工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，有的放矢地進(jìn)行“恰到好處”的維護(hù)，這當(dāng)然是更理想的解決方案。這種針對機(jī)器設(shè)備健康狀況的分析被稱為基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM），而基于CbM的維護(hù)方法就是“預(yù)測性維護(hù)”。

顯而易見，在預(yù)測性維護(hù)的框架內(nèi)，只有在機(jī)器設(shè)備出現(xiàn)某些早期預(yù)警癥狀時，才需要操作者進(jìn)行干預(yù)。與傳統(tǒng)的維護(hù)方式相比，其在減少設(shè)備停機(jī)、降低維護(hù)成本、延長設(shè)備壽命、提高產(chǎn)能等方面帶來的效益是巨大的。

圖1：預(yù)測性維護(hù)與傳統(tǒng)維護(hù)方式的成本分析

（圖源：ADI）

針對電機(jī)的預(yù)測性維護(hù)

由于電機(jī)等具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)器設(shè)備是制造業(yè)中的主力，因此針對電機(jī)的CbM或者預(yù)測性維護(hù)自然也就成了一個重點課題。這也是當(dāng)今不少頭部技術(shù)供應(yīng)商（如Analog Devices，ADI）追逐的熱點。

在判斷電機(jī)的工作狀態(tài)是否“健康”時，需要很多數(shù)據(jù)的支持，比如壓力、振動、噪聲、溫度等等，其中在可測量的物理量中，振動是一個尤為關(guān)鍵的參數(shù)，這是因為很多故障早期的癥狀——如滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度松動等——都會表現(xiàn)為異常的振動，并且在測量頻譜時會呈現(xiàn)出各自不同的特征，由此就可以基于振動數(shù)據(jù)做出“診斷”，決定是否需要進(jìn)行維護(hù)，以及進(jìn)行哪種類型的維護(hù)。

比如在滾珠軸承發(fā)生故障時，當(dāng)滾珠碰觸到軸承的開裂處，或者內(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(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位，這種撞擊有時會產(chǎn)生可以聽見的聲音（即沖擊波），其在頻譜中通常表現(xiàn)為大于5kHz的低能量譜分量。而隨著問題惡化，低能量譜分量會不斷增加，當(dāng)我們通過加速度傳感器捕捉到這些振動信號之后，就可以在盡可能短的時間內(nèi)做出反應(yīng)。

圖2：不同電機(jī)的故障類型對應(yīng)著不同的振動頻譜特征（圖源：ADI）

因此不難得出結(jié)論，只要我們圍繞著電機(jī)異常振動，建立起一個從狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集，到數(shù)據(jù)傳輸、分析處理的系統(tǒng)，就可以構(gòu)建起一套完整的CbM和預(yù)測性維護(hù)解決方案，并讓其承擔(dān)起電機(jī)健康問題“吹哨人”的角色，將故障消除在萌芽狀態(tài)。

圖3：電機(jī)CbM和預(yù)測性維護(hù)解決方案架構(gòu)

（圖源：ADI）

選擇合適的加速度計

從圖3中我們可以看到，一個完整電機(jī)CbM和預(yù)測性維護(hù)方案的設(shè)計，需要在多個技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)決策，而其中作為整個方案的“起點”，就是要選擇能夠準(zhǔn)確捕捉到振動信號的加速度傳感器。這種測量振動的加速度傳感器，需要裝配在被監(jiān)測對象的附近，而且?guī)?、可靠性、尺寸、功耗、成本等都是在選型時需要綜合考量的要素。

以往CbM中振動測量比較常用的是壓電加速度計，因為這類傳感器具有較寬的帶寬（典型范圍為3Hz至30kHz，甚至可以高達(dá)數(shù)百kHz），這就意味著其可以“觀察”到更寬頻譜范圍內(nèi)異常振動的信號。同時，壓電加速度計具有良好的線性度、SNR，以及高溫工作性能，這都是工業(yè)應(yīng)用中十分看重的特性。不過，壓電加速度計在DC范圍下的性能欠佳，因此對于風(fēng)力渦輪機(jī)這種低轉(zhuǎn)速的低頻應(yīng)用不太適合，而且其成本也偏高，會影響應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。

相較而言，MEMS電容式加速度計近年來在電機(jī)CbM和預(yù)測性維護(hù)中則表現(xiàn)出更強的發(fā)展勢頭。MEMS電容式加速度計具有DC響應(yīng)特性，以及很強的抗沖擊能力，而且其尺寸更小，重量更輕，更適合批量生產(chǎn)，因而成本也更具優(yōu)勢。

更重要的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計的問題，也得到了極大的改善?？梢韵胍姡琈EMS電容式加速度計的發(fā)展正在拉低CbM和預(yù)測性維護(hù)的“門檻”，使得這一技術(shù)能夠滲透到電機(jī)應(yīng)用的更多場景。

圖4：兩種用于電機(jī)振動測量的加速度傳感器比較

（圖源：ADI）

ADI的ADXL100x系列就是MEMS電容式加速度計中綜合表現(xiàn)非常搶眼的產(chǎn)品。這個系列的單軸加速度計，測量帶寬高達(dá)50kHz，其頻率響應(yīng)可以覆蓋旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的主要故障，包括套筒軸承損壞、對準(zhǔn)誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化等等。

圖5：ADXL100x系列MEMS加速度計

（圖源：ADI）

ADXL100x MEMS加速度計可實現(xiàn)高分辨率振動測量，可提供從±50g到±500g不同量程范圍的產(chǎn)品，且在較寬的頻率范圍內(nèi)具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度，提供穩(wěn)定和可重復(fù)的靈敏度，并可承受高達(dá)10,000g的外部沖擊。

圖6：ADXL1001/ADXL1002可支持>5kHz的高頻振動響應(yīng)（圖源：ADI）

值得一提的是，ADXL100x系列MEMS加速度計還提供了一個通常壓電加速度計不具備的特性，即集成了諸多智能特性，如超量程檢測電路——當(dāng)發(fā)生超過指定g值范圍約2倍的嚴(yán)重超量程事件時，該電路會報警；同時ADXL100x可基于某種內(nèi)部時鐘智能禁用機(jī)制在持續(xù)發(fā)生超量程事件時保護(hù)傳感器元件，這種方式可以減輕主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)，并能增加傳感器節(jié)點的智能化程度。

此外，ADXL100x系列MEMS加速度計緊湊的LFCSP封裝、-40°C至+125°C的寬工作溫度范圍、低功耗的特性，都有助于將其更便利地融合到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，成為工業(yè)4.0中不可或缺的一部分。

圖7：ADI為CbM提供豐富的MEMS加速度計產(chǎn)品

（圖源：ADI）

打造高性能的信號鏈

當(dāng)然，MEMS加速度計性能再突出，其在整個電機(jī)CbM的信號和數(shù)據(jù)鏈處理中，也只是邁出了第一步。想要打造一個高性能的電機(jī)CbM和預(yù)測性維護(hù)方案，需要一個完整的系統(tǒng)做支撐。其中主要包括以下幾個關(guān)鍵部分：

檢測模塊

主要是基于MEMS加速度計的振動和沖擊檢測單元，提供高精度的測量。有時還需要集成溫度傳感等其他感測功能。

數(shù)據(jù)采集

高保真的數(shù)據(jù)采集可以將傳感器捕獲的振動、沖擊、溫度、聲學(xué)、壓力、電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而轉(zhuǎn)化為有價值的數(shù)據(jù)，成為洞察和決策的基礎(chǔ)。

電源管理

小尺寸、高效率的解決方案，確保小型化的智能傳感器能夠在惡劣的工業(yè)應(yīng)用中可靠運行。

數(shù)據(jù)處理

超低功耗MCU或其他主控器件可以對工業(yè)邊緣節(jié)點上發(fā)生的事件做出本地決策，并經(jīng)過篩選將更重要的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，以建立更全面的洞察。

有線/無線連接

通信模塊可以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，確保相關(guān)電機(jī)健康狀況數(shù)據(jù)可靠地傳送到PLC和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），加速CbM部署。

基于AI的云洞察力

建立在云端更強大計算資源基礎(chǔ)上的人工智能（AI），可以檢測和解譯聲音、振動、壓力、電流或溫度等數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和按需診斷，并通過與CbM領(lǐng)域?qū)＜医换ゲ粩鄬W(xué)習(xí)和升級。

圖8：電機(jī)CbM和預(yù)測性維護(hù)方案系統(tǒng)架構(gòu)

（圖源：ADI）

在這樣一個長長的信號和數(shù)據(jù)鏈中，想要確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，就需要為各個功能模塊選擇合適的高性能器件。

比如，為了保證數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的信號調(diào)理，就要在放大器、ADC、基準(zhǔn)電壓源等模擬器件的選型上花一番心思（如圖8）。

在運算放大器的選型上，ADI的LT6015 Over-The-Top? 精密運算放大器是一款值得推薦的器件。這是一款單通道軌到軌輸入運算放大器，具有低于50μV的輸入失調(diào)電壓。這些放大器可采用單電源和分離電源工作（總電壓為3V至50V），每個放大器僅吸收315μA電流。它們具有反向電池保護(hù)功能，在高達(dá)50V的反向電源電壓下。其吸收電流非常小。

LT6015能驅(qū)動高達(dá)25mA的負(fù)載，并可在使用200pF的容性負(fù)載時保持穩(wěn)定的單位增益。該放大器的Over-The-Top? 輸入級可在嚴(yán)酷環(huán)境中提供額外的保護(hù)。其輸入共模范圍從V-擴(kuò)展至V+及以上，具體來講這些放大器可在輸入為V-至76V的條件下工作，內(nèi)部電阻器負(fù)責(zé)保護(hù)輸入免遭低于負(fù)電源25V的瞬變故障的損壞。

圖9：LT6015 Over-The-Top精密運算放大器

（圖源：ADI）

在高精度、低功耗基準(zhǔn)電壓源的選型上，ADR45xx基準(zhǔn)電壓源是一個不錯的選擇。該系列產(chǎn)品的最大初始誤差為±0.02%，具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。由于使用了新的內(nèi)核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高精度，ADR45xx基準(zhǔn)電壓源同時提供出色的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。該款基準(zhǔn)電壓源具有低熱致輸出電壓遲滯和低長期輸出電壓漂移，因此提高了壽命和溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度。

同時，ADR45xx系列的最大工作電流為950μA，提供了出色的低功耗特性；而-40°C至+125°C的寬溫度范圍使其適合于廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

圖10：ADR45xx基準(zhǔn)電壓源

（圖源：ADI）

當(dāng)然，ADI為實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集所提供的產(chǎn)品遠(yuǎn)不止上述兩款，而是包括一整套CbM信號鏈和數(shù)據(jù)鏈解決方案，這就省去了大家選料、調(diào)試等繁復(fù)的開發(fā)工作。

本文小結(jié)

隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，以基于CbM的預(yù)測性維護(hù)替代傳統(tǒng)的電機(jī)維護(hù)方式，已經(jīng)成為大家普遍的共識。而想要打造這樣一套能夠?qū)崟r感知電機(jī)健康狀態(tài)，按需進(jìn)行維護(hù)工作的系統(tǒng)，需要圍繞整個信號鏈和數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建一個整體的解決方案。其中不僅需要高性價比的傳感器，也需要高精度的信號調(diào)理器件、可靠的電源管理器件，以及高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理解決方案。

這時，與ADI這樣具有豐富產(chǎn)品組合、能夠提供一站式解決方案的技術(shù)廠商合作，其價值就凸顯出來了。由此帶來的便利性和可擴(kuò)展性，能夠讓工業(yè)4.0的理念深入到未來制造業(yè)的每一根“毛細(xì)血管”，讓制造業(yè)的“肌體”更為健壯和有力。