工業(yè)設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(hù)？

傳統(tǒng)的維護(hù)往往是出現(xiàn)問(wèn)題了才維護(hù)，或者依靠人員定期檢查，因此往往維修成本很高。基于狀態(tài)的維護(hù)(Condition-based Maintenance)，是通過(guò)使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)，使得設(shè)備能夠在出故障前得到及時(shí)的維護(hù)。 常見(jiàn)的應(yīng)用比如工業(yè)設(shè)備中的渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和馬達(dá)等。本文從電機(jī)的失效類型、傳感器的選擇出發(fā)，說(shuō)明基于狀態(tài)維護(hù)（CBM）的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，希望能給大家?guī)?lái)一些關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）的一些啟示。

機(jī)械故障的失效類型

一般來(lái)說(shuō), 機(jī)械故障失效類型主要分為兩大類：

機(jī)械振動(dòng), 頻率在10Hz到1kHz 或2Hz到1kHz （ISO 10816）

機(jī)械磨損, 頻率在2Hz到6kHz

圖1：失效類型 vs 振動(dòng)頻率

（圖片來(lái)源：ADI為你的應(yīng)用選擇最合適的加速度傳感器）

振動(dòng)測(cè)量是目前最常見(jiàn)的方式，因?yàn)樗軌蚩煽康刂甘緳C(jī)械問(wèn)題，如不平衡以及軸承故障等問(wèn)題。

傳感器的選擇

對(duì)于CBM, 常見(jiàn)使用傳感器測(cè)量的信息有：振動(dòng)、溫度、聲音、流量、壓力等。

（圖表信息來(lái)源：ADI選擇最合適的預(yù)測(cè)性維護(hù)傳感器）

傳感器參數(shù)指標(biāo)

在選擇傳感器之前，首先應(yīng)該了解電機(jī)的失效類型。對(duì)于加速度傳感器比較關(guān)鍵的參數(shù)有：噪聲密度、帶寬范圍、線性度等。傳感器的性能越好，分析能力就越強(qiáng)。

比如對(duì)于低轉(zhuǎn)速電機(jī)的不平衡問(wèn)題，可能需要低噪聲密度傳感器，但是其對(duì)于帶寬范圍要求相對(duì)比較低。而對(duì)于齒輪故障檢測(cè)，可能需要低噪聲密度和寬帶寬范圍。

通過(guò)Digi-Key提供的參數(shù)搜索功能，可以篩選出所需的傳感器，比如ADI加速度傳感器。

基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

加速度傳感器輸出主要分為模擬和數(shù)字兩種。模擬輸出的傳感器一般都會(huì)再接一個(gè)獨(dú)立ADC或者連接到有集成ADC功能的MCU，來(lái)轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出。因此如何有效地進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理就變得特別重要。

邊緣節(jié)點(diǎn)（Edge Node）

一般ADC或傳感器的數(shù)字輸出方式主要為SPI。這種方式往往不提供任何數(shù)據(jù)完整性檢查機(jī)制、時(shí)間戳（time stamping）以及混合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)等功能。

因此，把傳感器數(shù)據(jù)打包到更高級(jí)別協(xié)議的邊緣節(jié)點(diǎn)中，然后再傳送，會(huì)變得非常有效。這可以使得傳感器接口更加健壯和靈活。這就要求邊緣節(jié)點(diǎn)使用合適的方式處理打包數(shù)據(jù)流。

總線選擇

一般ADC或傳感器的主要數(shù)字輸出方式為SPI。SPI是一種不平衡的單端串行接口，主要用于短距離傳輸數(shù)據(jù)。

長(zhǎng)距離有線傳輸，可以選擇使用RS-485傳輸。RS-485信號(hào)傳輸是平衡的差分式傳輸，本身便能抗干擾, 適用于較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。RS-485在100米以下的傳輸距離，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到50Mbps。如果降低數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離可以延長(zhǎng)到1000米。（產(chǎn)品示例：ADI RS-485收發(fā)器）

長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸?shù)姆绞接泻芏?，比?a href="http://wenjunhu.com/tags/wi-fi/" target="_blank">Wi-Fi、藍(lán)牙、LoRa、zigbee等等。這里以ADI SmartMesh為例，帶大家初步了解長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸?shù)倪B接方式。

ADI SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)基于6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.15.4e），基于2.4GHz頻段，具有低功耗高可靠性的特點(diǎn)。

圖2：SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)連接

更多的技術(shù)信息，可以參考以下資源：

ADI SmartMesh

更多ADI RF 收發(fā)器模塊

數(shù)據(jù)分析

采集完數(shù)據(jù)之后就是分析數(shù)據(jù)。目前存在多種振動(dòng)分析技術(shù)。比如使用數(shù)字濾波，用于克服流程本身或者由機(jī)器的其他組件導(dǎo)致的寄生振動(dòng)，還可以使用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行輔助，例如ADcmXL3021中包含的工具（計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、波峰因素、峰度等）。

分析可以在時(shí)域中進(jìn)行，也可以對(duì)頻率做分析。特別是頻率分析，可以提供關(guān)于異常及異常原因的信息的分析。

無(wú)論使用哪種分析方法，關(guān)鍵是要確定最佳警報(bào)閾值，以使維護(hù)操作既不會(huì)太早也不會(huì)太遲。

本文小結(jié)

不管是工業(yè)4.0，還是中國(guó)制造2025，都加速了工業(yè)向自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，諸如機(jī)器人技術(shù)、人工智能等，往往需要更先進(jìn)的方式以確保系統(tǒng)的可靠性?；跔顟B(tài)的維護(hù)（CBM）能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)確保系統(tǒng)可靠性，因此這一方法變得越來(lái)越重要。

原文標(biāo)題：工業(yè)設(shè)備有沒(méi)有“病”？讓基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）告訴你！

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