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維護(hù)，傳統(tǒng)上是預(yù)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(jī)器的健康狀態(tài)有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，從而使行業(yè)能夠預(yù)測(cè)故障并實(shí)現(xiàn)可觀的運(yùn)營(yíng)節(jié)省。
工業(yè)設(shè)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(shí)保持盈利。
維護(hù)也可以受益于 IIoT 的數(shù)字化和連接性優(yōu)勢(shì)。無(wú)需定期更換磨損部件，而是使用傳感器（尤其是加速度計(jì)）來分析機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。在預(yù)測(cè)性維護(hù)框架內(nèi)，操作員僅在出現(xiàn)某些預(yù)警癥狀時(shí)才需要進(jìn)行干預(yù)。
與基于固定且通常非常保守的時(shí)間表的系統(tǒng)維護(hù)系統(tǒng)相比，這種對(duì)機(jī)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(hù)成本。除了從不那么嚴(yán)格的維護(hù)操作中獲得收益外，及早發(fā)現(xiàn)問題還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的機(jī)器停機(jī)時(shí)間，這總是比生產(chǎn)線的意外停機(jī)要好。
振動(dòng)分析：傳感器的重要性
為了確定何時(shí)是觸發(fā)維護(hù)操作的正確時(shí)間，制造商使用振動(dòng)、噪音和溫度測(cè)量等參數(shù)。在可測(cè)量的物理量中，振動(dòng)譜的測(cè)量是提供關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)器（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等）問題根源的最多信息的量。異常振動(dòng)可能是球軸承故障、軸未對(duì)準(zhǔn)、不平衡、過度松動(dòng)等的跡象。
這些問題中的每一個(gè)都會(huì)以特定的癥狀表現(xiàn)出來，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的振動(dòng)源。
使用加速度計(jì)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量
可以使用放置在要監(jiān)控的元件附近的加速度計(jì)來執(zhí)行振動(dòng)測(cè)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(yīng)，而且尺寸也很小。
在出現(xiàn)故障的球軸承的情況下，每當(dāng)球接觸到內(nèi)圈或外圈的裂紋或缺陷時(shí)，就會(huì)發(fā)生沖擊，引起振動(dòng)，甚至轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生一種有時(shí)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(duì)較高的頻率，通常大于 5 kHz，并且總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基本旋轉(zhuǎn)頻率。
只有低噪聲、高帶寬的加速度計(jì)（例如Analog Devices ADXL100x）才能測(cè)量對(duì)應(yīng)于最初故障跡象的譜線。這些加速度計(jì)將提供有價(jià)值的信息，而較慢或嘈雜的產(chǎn)品將無(wú)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(jí)階段，可以通過入門級(jí)加速度計(jì)檢測(cè)振動(dòng)水平，但此時(shí)故障將迫在眉睫，維修團(tuán)隊(duì)幾乎沒有時(shí)間做出反應(yīng)。為避免措手不及，使用低噪聲、高帶寬加速度計(jì)檢測(cè)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(jì)外，還有許多其他加速度計(jì)可用于分析機(jī)器狀態(tài)。
為了在更有限的帶寬上進(jìn)行觀察，ADXL35x 系列產(chǎn)品 （ ADXL354 / ADXL355 / ADXL356 / ADXL357 ） 的特點(diǎn)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(jiǎn)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(jì)等面向消費(fèi)者的入門級(jí)產(chǎn)品實(shí)際上并沒有足夠的帶寬或噪聲性能來滿足質(zhì)量預(yù)測(cè)性維護(hù)的要求。
入門級(jí)產(chǎn)品不僅限制了現(xiàn)有設(shè)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(cè)量機(jī)器活動(dòng)，例如，計(jì)算運(yùn)行小時(shí)數(shù)，并在必要時(shí)觸發(fā)維護(hù)——不是預(yù)測(cè)性的，而只是預(yù)防性維護(hù)。由于功耗極低，這些加速度計(jì)可以使用能量收集器或電池供電。
如果所需的機(jī)器監(jiān)控僅包括測(cè)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(rèn)為沖擊改變了設(shè)備的精度或操作，例如，可以觸發(fā)具有糾正性質(zhì)的維護(hù)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(diǎn)。然而，它們是單軸的并且需要相關(guān)的處理電子設(shè)備。
為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)階段，可以在ADcmXL3021型號(hào)中找到用于三軸測(cè)量的交鑰匙解決方案。這款 3.3 V 供電產(chǎn)品包含三個(gè)基于 ADXL1002 的測(cè)量鏈，以及一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)處理器和一個(gè) FIFO。整個(gè)裝置封裝在一個(gè)鋁殼 （23.7 mm × 26.7 mm × 12 mm） 中，可以安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上。該產(chǎn)品的特點(diǎn)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(yīng)用中捕獲振動(dòng)特征。
信號(hào)處理模塊不僅包括一個(gè)具有 32 個(gè)系數(shù)的可配置 FIR 濾波器，還包括一個(gè)每軸 2048 個(gè)點(diǎn)的 FFT 函數(shù)，用于執(zhí)行振動(dòng)的頻譜分析。以這種方式計(jì)算的頻譜的每個(gè)頻率級(jí)別都將與可配置的警報(bào)閾值（每軸六個(gè)）進(jìn)行比較。如果光譜分量太強(qiáng)，則會(huì)產(chǎn)生警報(bào)。該產(chǎn)品可以通過 SPI 端口與主機(jī)處理器交互，該端口提供對(duì)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(jí)數(shù)學(xué)功能，例如計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值、波峰因數(shù)和峰度（能夠測(cè)量振動(dòng)銳度的四階動(dòng)矩）。
表 1. ADcmXL3021 和 ADXL100x 系列非常適合 CbM 應(yīng)用。
圖 2. ADcmXL3021 模塊非常適合預(yù)測(cè)性維護(hù)操作。
為什么不從人工智能那里獲得幫助？
有許多振動(dòng)分析技術(shù)。
除了數(shù)字濾波來克服由過程本身或機(jī)器的其他組件引起的寄生振動(dòng)之外，通常還需要借助數(shù)學(xué)工具，例如 ADcmXL3021 中包含的工具（計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、波峰因子、峰度等）。
分析可以在時(shí)域中進(jìn)行，但頻率分析將帶來關(guān)于異常及其起源的最多信息。人們甚至可以求助于計(jì)算有時(shí)同化為信號(hào)頻譜的倒譜（傅里葉逆變換應(yīng)用于信號(hào)的傅里葉變換的對(duì)數(shù)）。然而，無(wú)論使用哪種分析方法，困難在于建立最佳警報(bào)閾值，以便維護(hù)操作既不會(huì)太早也不會(huì)太晚。
傳統(tǒng)警報(bào)閾值配置的替代方法是將人工智能引入故障識(shí)別過程。在機(jī)器學(xué)習(xí)階段，云資源用于根據(jù)來自振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)創(chuàng)建機(jī)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(shí)時(shí)識(shí)別正在進(jìn)行的事件，還可以實(shí)時(shí)識(shí)別瞬態(tài)事件，從而能夠檢測(cè)異常情況。
表 2.糾正性、預(yù)防性和預(yù)測(cè)性維護(hù)成本的比較
旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的振動(dòng)源
旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jì)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(dòng)產(chǎn)生的沖擊波將導(dǎo)致有時(shí)可以聽到的高頻振動(dòng)（》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(wù)
除了構(gòu)建預(yù)測(cè)性維護(hù)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(dòng)測(cè)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(guān)聯(lián)，可以推斷出許多與維護(hù)需求相關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)信息?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的合并將使設(shè)備模型的改進(jìn)不僅可以檢測(cè)機(jī)械故障，還可以檢測(cè)過程問題（例如，空輸送機(jī)、沒有流體的泵、沒有漿料的混合器等）。
因此，我們可以考慮設(shè)備制造商可以通過將設(shè)備供應(yīng)與生產(chǎn)線的性能和問題的維護(hù)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合來為其最終客戶提供的多種服務(wù)。
配備傳感器模塊的基本電動(dòng)機(jī)成為大數(shù)據(jù)概念的主要參與者。
審核編輯：郭婷
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論