維護，傳統(tǒng)上是預防性或糾正性的，通常占生產(chǎn)成本的很大一部分?，F(xiàn)在，讓 IIoT 監(jiān)控機器的健康狀態(tài)有助于實現(xiàn)預測性維護，從而使行業(yè)能夠預測故障并實現(xiàn)可觀的運營節(jié)省。

工業(yè)設備的數(shù)字化和連接性的普遍化使工業(yè) 4.0 成為可能，它有望徹底改變生產(chǎn)工具。這種改變游戲規(guī)則的方式使生產(chǎn)鏈更加靈活，并允許制造定制產(chǎn)品，同時保持盈利。

維護也可以受益于 IIoT 的數(shù)字化和連接性優(yōu)勢。無需定期更換磨損部件，而是使用傳感器（尤其是加速度計）來分析機器的運行狀態(tài)。在預測性維護框架內(nèi)，操作員僅在出現(xiàn)某些預警癥狀時才需要進行干預。

與基于固定且通常非常保守的時間表的系統(tǒng)維護系統(tǒng)相比，這種對機器健康狀態(tài)的分析稱為基于狀態(tài)的監(jiān)控 （CbM），將限制維護成本。除了從不那么嚴格的維護操作中獲得收益外，及早發(fā)現(xiàn)問題還可以實現(xiàn)計劃的機器停機時間，這總是比生產(chǎn)線的意外停機要好。

振動分析：傳感器的重要性

為了確定何時是觸發(fā)維護操作的正確時間，制造商使用振動、噪音和溫度測量等參數(shù)。在可測量的物理量中，振動譜的測量是提供關于旋轉(zhuǎn)機器（發(fā)動機、發(fā)電機等）問題根源的最多信息的量。異常振動可能是球軸承故障、軸未對準、不平衡、過度松動等的跡象。

這些問題中的每一個都會以特定的癥狀表現(xiàn)出來，例如旋轉(zhuǎn)機器中的振動源。

使用加速度計進行振動測量

可以使用放置在要監(jiān)控的元件附近的加速度計來執(zhí)行振動測量。該傳感器可以是壓電型的，或者更有利的是MEMS型，它不僅在低頻下提供更好的響應，而且尺寸也很小。

在出現(xiàn)故障的球軸承的情況下，每當球接觸到內(nèi)圈或外圈的裂紋或缺陷時，就會發(fā)生沖擊，引起振動，甚至轉(zhuǎn)動軸線有輕微的位移。這些沖擊的頻率將取決于旋轉(zhuǎn)速度以及球的數(shù)量和直徑。

但這還不是全部！一旦故障出現(xiàn)，前面提到的沖擊就會產(chǎn)生一種有時可以聽到的噪音——沖擊波——表現(xiàn)為低水平的頻譜分量和相對較高的頻率，通常大于 5 kHz，并且總是遠遠超過基本旋轉(zhuǎn)頻率。

只有低噪聲、高帶寬的加速度計（例如Analog Devices ADXL100x）才能測量對應于最初故障跡象的譜線。這些加速度計將提供有價值的信息，而較慢或嘈雜的產(chǎn)品將無法感知任何東西。

隨著缺陷的惡化，低頻分量的電平將增加。在高級階段，可以通過入門級加速度計檢測振動水平，但此時故障將迫在眉睫，維修團隊幾乎沒有時間做出反應。為避免措手不及，使用低噪聲、高帶寬加速度計檢測異常的最初跡象非常重要。

圖 1.頻譜特征取決于問題的類型。滾珠軸承失效的最初跡象出現(xiàn)在高頻下。

除了 ADXL100x 系列加速度計外，還有許多其他加速度計可用于分析機器狀態(tài)。

為了在更有限的帶寬上進行觀察，ADXL35x 系列產(chǎn)品 （ ADXL354 / ADXL355 / ADXL356 / ADXL357 ） 的特點是噪聲水平低（低至 20 μ g /√Hz，帶寬為 1500 Hz）。與提供模擬輸出的 ADXL100x 系列不同，ADXL35x 系列中的產(chǎn)品具有數(shù)字輸出以簡化與微控制器的接口。

ADXL34x （ ADXL343 / ADXL34 4/ ADXL345 / ADXL346 ） 或超低功耗 ADXL36x （ ADXL362 / ADXL363 ） 加速度計等面向消費者的入門級產(chǎn)品實際上并沒有足夠的帶寬或噪聲性能來滿足質(zhì)量預測性維護的要求。

入門級產(chǎn)品不僅限制了現(xiàn)有設備的診斷能力，而且還極大地限制了數(shù)據(jù)在未來診斷解決方案開發(fā)中的可用性。

但是，它們可以很好地測量機器活動，例如，計算運行小時數(shù)，并在必要時觸發(fā)維護——不是預測性的，而只是預防性維護。由于功耗極低，這些加速度計可以使用能量收集器或電池供電。

如果所需的機器監(jiān)控僅包括測量突然沖擊，那么 ADXL37x 系列產(chǎn)品 （ ADXL372 / ADXL375 / ADXL377 ） 是完美的選擇。由于可以認為沖擊改變了設備的精度或操作，例如，可以觸發(fā)具有糾正性質(zhì)的維護操作以糾正可能出現(xiàn)的任何缺陷。

從組件到完整模塊

如前所述，ADXL100x 系列具有寬帶寬和低噪聲水平的特點。然而，它們是單軸的并且需要相關的處理電子設備。

為了簡化設計階段，可以在ADcmXL3021型號中找到用于三軸測量的交鑰匙解決方案。這款 3.3 V 供電產(chǎn)品包含三個基于 ADXL1002 的測量鏈，以及一個溫度傳感器、一個處理器和一個 FIFO。整個裝置封裝在一個鋁殼 （23.7 mm × 26.7 mm × 12 mm） 中，可以安裝在旋轉(zhuǎn)機器上。該產(chǎn)品的特點是滿量程為±50 g ，噪聲水平僅為25 μ g /√Hz的極低，帶寬為10 kHz，可在大量應用中捕獲振動特征。

信號處理模塊不僅包括一個具有 32 個系數(shù)的可配置 FIR 濾波器，還包括一個每軸 2048 個點的 FFT 函數(shù)，用于執(zhí)行振動的頻譜分析。以這種方式計算的頻譜的每個頻率級別都將與可配置的警報閾值（每軸六個）進行比較。如果光譜分量太強，則會產(chǎn)生警報。該產(chǎn)品可以通過 SPI 端口與主機處理器交互，該端口提供對內(nèi)部寄存器的訪問以及一組用戶可配置的功能，包括高級數(shù)學功能，例如計算平均值、標準偏差、最大值、波峰因數(shù)和峰度（能夠測量振動銳度的四階動矩）。

表 1. ADcmXL3021 和 ADXL100x 系列非常適合 CbM 應用。

圖 2. ADcmXL3021 模塊非常適合預測性維護操作。

為什么不從人工智能那里獲得幫助？

有許多振動分析技術。

除了數(shù)字濾波來克服由過程本身或機器的其他組件引起的寄生振動之外，通常還需要借助數(shù)學工具，例如 ADcmXL3021 中包含的工具（計算平均值、標準偏差、波峰因子、峰度等）。

分析可以在時域中進行，但頻率分析將帶來關于異常及其起源的最多信息。人們甚至可以求助于計算有時同化為信號頻譜的倒譜（傅里葉逆變換應用于信號的傅里葉變換的對數(shù)）。然而，無論使用哪種分析方法，困難在于建立最佳警報閾值，以便維護操作既不會太早也不會太晚。

傳統(tǒng)警報閾值配置的替代方法是將人工智能引入故障識別過程。在機器學習階段，云資源用于根據(jù)來自振動傳感器的數(shù)據(jù)創(chuàng)建機器的代表性模型。創(chuàng)建模型后，可以將它們下載到本地處理器。

嵌入式軟件的使用不僅可以實時識別正在進行的事件，還可以實時識別瞬態(tài)事件，從而能夠檢測異常情況。

表 2.糾正性、預防性和預測性維護成本的比較

旋轉(zhuǎn)機器中的振動源

旋轉(zhuǎn)機器中經(jīng)常遇到的問題之一是滾珠軸承的故障。來自靠近軸承的加速度計數(shù)據(jù)的光譜分析揭示了許多特征線、幅度和頻率，這些特征線取決于旋轉(zhuǎn)速度和缺陷的來源。

可以提及的系統(tǒng)特征頻率包括：

軸承保持架的旋轉(zhuǎn)頻率：

除了這些頻率特性之外，球在缺陷（裂紋、剝落等）上滾動產(chǎn)生的沖擊波將導致有時可以聽到的高頻振動（》5 kHz）。

圖 3. 滾珠軸承。

N：球數(shù)

Φ：接觸角

f軸：軸的旋轉(zhuǎn)頻率

d：球直徑

D：軸承的平均直徑

邁向新服務

除了構建預測性維護模型外，人工智能和云訪問還為許多新的可能性打開了大門。

將振動測量值與來自其他傳感器（壓力、溫度、旋轉(zhuǎn)、功率等）的數(shù)據(jù)相關聯(lián)，可以推斷出許多與維護需求相關的系統(tǒng)狀態(tài)信息?；A數(shù)據(jù)的合并將使設備模型的改進不僅可以檢測機械故障，還可以檢測過程問題（例如，空輸送機、沒有流體的泵、沒有漿料的混合器等）。

因此，我們可以考慮設備制造商可以通過將設備供應與生產(chǎn)線的性能和問題的維護和統(tǒng)計分析相結(jié)合來為其最終客戶提供的多種服務。

配備傳感器模塊的基本電動機成為大數(shù)據(jù)概念的主要參與者。

審核編輯：郭婷