為什么預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器對(duì)于提早檢測(cè)PdM應(yīng)用中的故障至關(guān)重要

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“新基建”中所涉及的每個(gè)模塊都離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中工業(yè)一直被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)最大的應(yīng)用場(chǎng)景之一。目前最為典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要集中在高價(jià)值工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)控及預(yù)測(cè)性維護(hù)等環(huán)節(jié)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)，對(duì)工業(yè)裝備進(jìn)行健康管理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障的診斷、預(yù)測(cè)性報(bào)警及分析，達(dá)到降低設(shè)備維護(hù)成本和提升用戶體驗(yàn)的目的。那么如何為你的設(shè)備選擇最合適的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器呢？ADI提出了有效的解決方案！

預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)涉及使用基于狀態(tài)的監(jiān)控(CbM)、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析等的技術(shù)組合來(lái)預(yù)測(cè)即將發(fā)生的機(jī)器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)測(cè)機(jī)器的健康狀況時(shí)，需選擇最合適的傳感器，以確保能夠檢測(cè)、診斷甚至預(yù)測(cè)故障，這點(diǎn)至關(guān)重要。目前有許多傳感器被用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器及其負(fù)載中的故障，從而避免意外停機(jī)。由于許多旋轉(zhuǎn)機(jī)器（電機(jī)、齒輪、泵和渦輪機(jī)）以及非旋轉(zhuǎn)機(jī)器（閥門、斷路器和電纜）監(jiān)控都用到了PdM技術(shù)，所以很難對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行排序。

許多工業(yè)電機(jī)被設(shè)計(jì)為可以在連續(xù)生產(chǎn)應(yīng)用中運(yùn)行20年，例如化學(xué)/食品加工廠和發(fā)電設(shè)施，但有些電機(jī)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的使用壽命。1這可能是由于電機(jī)運(yùn)行量不足、維護(hù)程序的數(shù)量不足、缺乏對(duì)PdM系統(tǒng)的投資，或者根本沒(méi)有PdM系統(tǒng)。PdM使維護(hù)團(tuán)隊(duì)能夠安排維修時(shí)間，避免造成意外停機(jī)。通過(guò)PdM提早預(yù)測(cè)機(jī)器故障也可以幫助維護(hù)工程師確認(rèn)和修復(fù)運(yùn)行效率低下的電機(jī)，從而提高性能、生產(chǎn)力、資產(chǎn)可用性和使用壽命。

最佳的PdM策略是：有效利用盡可能多的技術(shù)和傳感器來(lái)提早檢測(cè)故障，且檢測(cè)結(jié)果高度可信，如此則無(wú)需使用一刀切式的傳感器解決方案。本文嘗試闡明為什么預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器對(duì)于提早檢測(cè)PdM應(yīng)用中的故障至關(guān)重要，以及它們有哪些優(yōu)缺點(diǎn)。

系統(tǒng)故障時(shí)間線

圖1顯示了從安裝新電機(jī)到電機(jī)發(fā)生故障期間發(fā)生的事件的時(shí)間表，以及推薦使用的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器類型。安裝新電機(jī)時(shí)，電機(jī)提供保修。幾年后，保修期將滿，此時(shí)會(huì)更加頻繁地執(zhí)行手動(dòng)檢查。

圖1. 機(jī)器健康狀況與時(shí)間。

如果故障發(fā)生在兩次定期維護(hù)檢查之間，則很可能導(dǎo)致意外停機(jī)。在這種情況下，至關(guān)重要的是使用合適的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器來(lái)盡可能提早檢測(cè)潛在故障，所以，本文將著重介紹振動(dòng)和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)分析通常被認(rèn)為是使用PdM的最佳起點(diǎn)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器

有些傳感器能夠比其他傳感器更早地檢測(cè)某些故障，例如軸承損壞，如圖1所示。在這一節(jié)中，我們將討論常用于盡可能提早檢測(cè)故障的傳感器，一般是加速度計(jì)和麥克風(fēng)。表1顯示傳感器規(guī)格列表，以及它們可以檢測(cè)到的一些故障。大多數(shù)PdM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(lái)檢測(cè)這些潛在的關(guān)鍵故障之外，還要深入了解這些故障。

表1. 常用于實(shí)施CbM的傳感器

傳感器和系統(tǒng)故障注意事項(xiàng)

工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中超過(guò)90%的旋轉(zhuǎn)機(jī)器都使用滾動(dòng)軸承。電機(jī)的故障部件分布如圖2所示，從中可以清楚看到，在選擇PdM傳感器時(shí)，需要特別關(guān)注軸承監(jiān)測(cè)。為了檢測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)潛在故障，振動(dòng)傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬。

圖2. 電機(jī)部件出現(xiàn)故障的百分率。

表2顯示與旋轉(zhuǎn)機(jī)器相關(guān)的部分常見(jiàn)故障，以及一些用于PdM應(yīng)用的相應(yīng)振動(dòng)傳感器要求。為了盡早發(fā)現(xiàn)故障，PdM系統(tǒng)通常需要使用高性能傳感器。資產(chǎn)中使用的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器的性能水平與在整個(gè)流程中持續(xù)可靠運(yùn)行的資產(chǎn)的重要性相關(guān)，而不是與資產(chǎn)本身的成本相關(guān)。

表2. 機(jī)器故障和振動(dòng)傳感器注意事項(xiàng)概述

根據(jù)電機(jī)振動(dòng)或移動(dòng)（峰值、峰峰值和rms）期間的能量，我們可以確定機(jī)器是否不平衡或未對(duì)準(zhǔn)等。有些故障（例如軸承或齒輪缺陷）不是很明顯，特別是在早期，不能單單通過(guò)增加振動(dòng)頻率來(lái)識(shí)別或預(yù)測(cè)。解決這些故障通常需要將具備低噪聲(<100 μg/√Hz)和寬帶寬(>5kHz)的高性能預(yù)測(cè)性維護(hù)振動(dòng)傳感器與高性能信號(hào)鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對(duì)。 用于PdM的振動(dòng)、聲波和超聲波傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)的PCB上包含一個(gè)MEMS元件，通常采用金屬外殼，頂部或底部端口中可以包含聲壓波。MEMS麥克風(fēng)提供低成本、小尺寸且有效的方法來(lái)檢測(cè)機(jī)器故障，例如軸承狀 況、齒輪嚙合、泵氣蝕、未對(duì)準(zhǔn)和不平衡。這使得MEMS麥克風(fēng)成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。它們可以放置在距離噪聲源較遠(yuǎn)的位置，且不會(huì)侵入。當(dāng)多個(gè)資產(chǎn)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，麥克風(fēng)的性能可能會(huì)受到來(lái)自其他機(jī)器的噪聲或環(huán)境因素（例如灰塵或濕度進(jìn)入麥克風(fēng)的端口孔）的影響。大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊(cè)仍然列出相對(duì)良性的應(yīng)用，例如移動(dòng)終端、筆記本電腦、游戲設(shè)備和機(jī)等。有些MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊(cè)將振動(dòng)檢測(cè)或PdM列為潛在應(yīng)用，但它們也提到，易受機(jī)器沖擊和搬運(yùn)不當(dāng)影響的傳感器可能對(duì)產(chǎn)品造成永久損壞。其他MEMS麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊(cè)表明，機(jī)械沖擊耐受力高達(dá)10,000 g。目前還不清楚這些傳感器是否適合在可能存在沖擊的嚴(yán)苛操作環(huán)境中運(yùn)行。

MEMS超聲波麥克風(fēng)分析讓我們能夠在噪聲增大的情況下監(jiān)測(cè)復(fù)雜資產(chǎn)中的電機(jī)的健康狀況，這是因?yàn)樗苈?tīng)到非音頻頻譜（20 kHz至100 kHz）內(nèi)的聲音，在這個(gè)頻譜下，噪聲要少得多。低頻聲音信號(hào)的波長(zhǎng)一般約在1.7厘米到17米之間。高頻信號(hào)的波長(zhǎng)約在0.3厘米到1.6厘米之間。當(dāng)波長(zhǎng)的頻率增加時(shí)，能量相應(yīng)增加，使得超聲波更具方向性。在試圖找出軸承或外殼中的故障時(shí)，這非常有用。

加速度計(jì)是最常用的振動(dòng)傳感器，振動(dòng)分析是最常用的PdM技術(shù)，主要用于渦輪機(jī)、泵、電機(jī)和齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中。表3和表4顯示在選擇高性能MEMS振動(dòng)和聲學(xué)傳感器，以及典型壓電振動(dòng)傳感器時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵規(guī)格。每一列中的數(shù)據(jù)代表該類別的最小/最大差異值，與相鄰列無(wú)關(guān)。

表3. 預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器的性能規(guī)格

?MEMS加速度計(jì)模塊的價(jià)格可能超過(guò)30美元，但它們是完整的系統(tǒng)解決方案，而提到的所有其他器件都只是傳感器。
? 重點(diǎn)：最差，中等，最好

表4. 預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器的機(jī)械規(guī)格

? MEMS模塊通常包含ADC、處理器和根據(jù)傳感器調(diào)諧的濾波，以優(yōu)化性能，并節(jié)省信號(hào)鏈對(duì)空間的需求
? 重點(diǎn)：最差，中等，最好

CbM行業(yè)有望在未來(lái)五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，其中很大部分增長(zhǎng)是受無(wú)線安裝推動(dòng)。由于尺寸、缺乏集成功能和功耗等原因，壓電式加速度計(jì)不太適合無(wú)線CbM系統(tǒng)，但是存在典型功耗在0.2mA至0.5 mA的解決方案。MEMS加速度計(jì)和麥克風(fēng)非常適合電池供電的PdM系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈凅w積小、功耗低、性能高。

所有傳感器都具有合適的帶寬和低噪聲，但MEMS加速度計(jì)是唯一能夠提供直流響應(yīng)的傳感器，可以在非常低的轉(zhuǎn)速下檢測(cè)不平衡和傾斜。MEMS加速度計(jì)還具備自測(cè)功能，可以驗(yàn)證傳感器 100%可用。這在安全關(guān)鍵型安裝中可能會(huì)很有用，因?yàn)樵谶@些安裝中，可以通過(guò)驗(yàn)證傳感器是否仍在工作來(lái)更簡(jiǎn)單地達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

可以完全密封采用陶瓷封裝的MEMS加速度計(jì)和采用機(jī)械封裝的壓電式加速度計(jì)，以在嚴(yán)苛、臟污的環(huán)境中使用。表4主要列出傳感器的物理、機(jī)械和環(huán)境性能。從中可以看出每個(gè)傳感器之間的關(guān)鍵差異，例如集成、惡劣環(huán)境耐受能力、機(jī)械性能，以及連接到旋轉(zhuǎn)機(jī)器或裝置的能力。

在三個(gè)軸上檢測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)可以提供更多診斷見(jiàn)解，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的故障檢測(cè)。雖然并非所有PdM安裝都需要如此，但這是壓電和MEMS加速度計(jì)在數(shù)據(jù)質(zhì)量、布線和空間節(jié)省方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間暴露在濕度增加的環(huán)境下時(shí)，MEMS麥克風(fēng)顯示出高達(dá)8dB的失真。雖然這不是一個(gè)明顯缺點(diǎn)，但如果您是在高濕度嚴(yán)苛環(huán)境下使用PdM應(yīng)用，則值得考慮。在這種情況下，駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)比MEMS麥克風(fēng)更具優(yōu)勢(shì)。其他影響麥克風(fēng)性能的環(huán)境因素還有：風(fēng)、氣壓、電磁場(chǎng)和機(jī)械震動(dòng)。

在良好的環(huán)境中，MEMS麥克風(fēng)在PdM應(yīng)用中提供出色性能。目前，還缺乏將MEMS麥克風(fēng)安裝到存在高振動(dòng)、臟污或高濕度的嚴(yán)苛操作環(huán)境中的相關(guān)信息。振動(dòng)會(huì)影響MEMS麥克風(fēng)的性能，這是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題；但是，它們的振動(dòng)靈敏度低于ECM。如果無(wú)線PdM解決方案將使用MEMS麥克風(fēng)，安裝盒上需要有一個(gè)孔或端口，以便聲音信號(hào)到達(dá)傳感器，這進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且讓其他電子元件更易臟污或受潮。

電容式MEMS加速度計(jì)技術(shù)的最新進(jìn)展使得小型、低成本、低功耗無(wú)線CbM解決方案可以用在不太重要的資產(chǎn)中，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更深入地診斷洞察，以便實(shí)施管理和保持關(guān)鍵系統(tǒng)正常運(yùn)行。這些進(jìn)展也使得MEMS加速度計(jì)在用于更加傳統(tǒng)的有線CbM系統(tǒng)中時(shí)，性能更接近壓電式加速度計(jì)。壓電式加速度計(jì)具有如此低的噪聲和寬帶寬，加上與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接（ICP和IEPE）耦合，幾十年來(lái)一直是實(shí)施振動(dòng)測(cè)量的典型傳感器。MEMS加速度計(jì)已經(jīng)調(diào)整為可以和IEPE標(biāo)準(zhǔn)模塊連接，如圖3所示。該電路是基于一種特殊的PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種PCB可以在寬頻帶上工作，以在后期設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)械模塊。

圖3. MEMS加速度計(jì)、IEPE參考、PCB設(shè)計(jì)允許在IEPE機(jī)械模塊中改進(jìn)ADXL100x系列CbM加速度計(jì)。注：ADI不生產(chǎn)IEPE機(jī)械模塊。

圖4所示的設(shè)備包含三個(gè)單軸MEMS加速度計(jì)、三個(gè)ADC、一個(gè)處理器、內(nèi)存和算法，這些都集成在一個(gè)機(jī)械模塊中，共振超過(guò)50 kHz。這突出顯示了MEMS加速度計(jì)在傳感器節(jié)點(diǎn)上集成智能的能力，確保傳感器與相應(yīng)的信號(hào)鏈和處理功能配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)出色性能。此模塊可以執(zhí)行FFT，觸發(fā)各種時(shí)域或頻域報(bào)警，并生成域靜力，這對(duì)算法或機(jī)器學(xué)習(xí)工具能否預(yù)測(cè)故障至關(guān)重要。

圖4. 三軸MEMS CbM模塊，集成了ADC、處理器、FFT、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及機(jī)械封裝，諧振頻率超過(guò)50 kHz。

在為PdM解決方案選擇合適的振動(dòng)傳感器時(shí)，真正的挑戰(zhàn)在于配對(duì)傳感器，以匹配資產(chǎn)最可能出現(xiàn)的故障模式。目前還未能證實(shí)MEMS麥克風(fēng)足夠堅(jiān)固，能夠在惡劣環(huán)境中可靠地檢測(cè)所有基于振動(dòng)的故障模式，而振動(dòng)檢測(cè)和加速計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功實(shí)施并可靠地執(zhí)行了幾十年。已經(jīng)證明MEMS超聲波麥克風(fēng)能夠比加速度計(jì)更早地檢測(cè)軸承故障，這種潛在的共生關(guān)系可以為您提供理想的PdM解決方案，以滿足您未來(lái)對(duì)資產(chǎn)實(shí)施振動(dòng)分析的需求。

雖然難以推薦在PdM系統(tǒng)中使用哪種振動(dòng)傳感器比較好，但是可以使用已經(jīng)成功應(yīng)用并不斷改進(jìn)的加速度計(jì)。ADI提供一系列MEMS加速度計(jì)，從通用、低功耗、低噪聲、高穩(wěn)定性和高g，一直到智能終端節(jié)點(diǎn)模塊，如圖4所示。ADcmXL3021是一個(gè)專用PdM模塊解決方案示例。ADI率先推出了支持PdM的MEMS加速度計(jì)系列（20 kHz+帶寬、 25 μg/√Hz噪聲密度），且仍是少數(shù)能夠提供如此高性能的MEMS加速度計(jì)的提供商之一。ADI繼續(xù)在傳感器、信號(hào)鏈解決方案、機(jī)械模塊、平臺(tái)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、人工智能軟件平臺(tái)和整體系統(tǒng)解決方案等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，支持在挑戰(zhàn)性環(huán)境中對(duì)工業(yè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)。