用于機(jī)器健康的可穿戴設(shè)備：基于狀態(tài)的監(jiān)控

基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè) （CbM） 相當(dāng)于可穿戴健身設(shè)備的工業(yè) 4.0。隨著連接的爆炸式增長(zhǎng)，人們有機(jī)會(huì)以前所未有的方式觀察物理世界，并實(shí)時(shí)、細(xì)致地觀察物理過(guò)程。在工業(yè)系統(tǒng)中，對(duì)我們來(lái)說(shuō)重要的過(guò)程之一是設(shè)備和機(jī)器的老化過(guò)程。這在石油和天然氣、風(fēng)力發(fā)電和工業(yè)過(guò)程控制等不同市場(chǎng)中非常重要，在這些市場(chǎng)中，資本設(shè)備成本高，停機(jī)時(shí)間成本高昂。

計(jì)劃外停機(jī)每小時(shí)可能造成數(shù)千美元的損失。2017年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，公司報(bào)告僅由于停機(jī)就花費(fèi)了200萬(wàn)美元，而計(jì)劃外停機(jī)的成本明顯高于計(jì)劃內(nèi)維護(hù)，因?yàn)闄C(jī)器在診斷、訂購(gòu)零件和維修時(shí)必須處于離線狀態(tài)。

機(jī)器在規(guī)格范圍內(nèi)的持續(xù)運(yùn)行以及機(jī)器的預(yù)期剩余使用壽命受到運(yùn)行時(shí)間、負(fù)載和操作環(huán)境變化以及損壞事件等變量的影響?；跔顟B(tài)的監(jiān)測(cè)旨在量化這些影響，在需要立即關(guān)注時(shí)提供警報(bào)，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)何時(shí)需要干預(yù)。

每臺(tái)機(jī)器都是不同的，每臺(tái)機(jī)器都會(huì)以不同的方式老化，盡管老化過(guò)程通常是緩慢且難以察覺的。除非我們積極尋找隨時(shí)間推移發(fā)生細(xì)微變化的跡象，否則衰老可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)被忽視。然后突然出現(xiàn)故障，可能是災(zāi)難性的，這意味著機(jī)器離線需要維修。最終用戶要求提前通知即將發(fā)生的故障，以便提前計(jì)劃停機(jī)。他們還在尋找機(jī)器中可能影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的更細(xì)微變化的指標(biāo)，例如紙張和鈑金。

對(duì)機(jī)器磨損的早期和早期指示以及有關(guān)機(jī)器輸出質(zhì)量的信息的共同需求推動(dòng)了對(duì)更靈敏和更普遍的傳感的需求。測(cè)量類型也在不斷拓寬，溫度和振動(dòng)等傳感模式得到了聲學(xué)、電機(jī)電流和電壓測(cè)量的補(bǔ)充。這些測(cè)量系統(tǒng)正在組合在一起，以提供更全面的設(shè)備狀態(tài)視圖。這導(dǎo)致每臺(tái)機(jī)器的測(cè)量通道數(shù)量增加。各個(gè)測(cè)量通常需要很好地同步以顯示關(guān)系，例如振動(dòng)的 x、y 和 z 軸測(cè)量之間的關(guān)系。這種同步需求進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

測(cè)量節(jié)點(diǎn)和模式的日益普及意味著基于手動(dòng)資源的手動(dòng)檢查和測(cè)量例程不再能夠跟上。系統(tǒng)必須可跨工廠車間或遠(yuǎn)程站點(diǎn)部署，使用現(xiàn)有的有線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行連接，或使用強(qiáng)大而安全的無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線連接。笨重且昂貴的傳感器和聚合器單元必須更小、更便宜、更節(jié)能，以適應(yīng)這些環(huán)境。

在組件和子系統(tǒng)級(jí)別有新的精確解決方案，具有更高的集成度，使系統(tǒng)構(gòu)建商能夠使這種增加的傳感未來(lái)現(xiàn)在成為現(xiàn)實(shí)。

數(shù)據(jù)采集

為了盡早實(shí)現(xiàn)機(jī)器磨損的指示，您幾乎需要預(yù)見未來(lái)。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析領(lǐng)域，這是通過(guò)查找系統(tǒng)中最微小的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論是系統(tǒng)溫度、振動(dòng)還是聲學(xué)特征。為了感知這些微小的變化，需要傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在最低檢測(cè)水平下清楚地看到微小的變化，即使在高水平的振動(dòng)或溫度下也是如此。這就要求信號(hào)鏈具有極高的動(dòng)態(tài)范圍，這意味著系統(tǒng)具有極低的噪聲性能，同時(shí)仍然能夠處理信號(hào)電平的較大變化。例如，要檢測(cè)往復(fù)泵中的磨損開始，可能需要檢測(cè)小于1/10的變化千活塞末端沖程位置的一毫米，活塞整體向上移動(dòng) 300 毫米。為了確保我們可以看到這種變化，系統(tǒng)噪聲必須至少低于此變化 10 倍。這將檢測(cè)電平推高到1：300，000或109 dB，并且需要18位或更精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

另一個(gè)考慮因素是需要推出感興趣的帶寬。電機(jī)軸和許多齒輪系統(tǒng)在相對(duì)較低的頻率下具有特征振動(dòng)，頻率接近軸的轉(zhuǎn)速或低倍數(shù)。但是，系統(tǒng)中還有其他組件具有更高的頻率特性。為了檢測(cè)具有更高頻率特性的部件（如滾珠軸承和油軸承）的磨損變化，傳感必須能夠在超過(guò) 10 kHz 和高達(dá) 80 kHz 的頻率下實(shí)現(xiàn)高分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍。

圖2.典型的振動(dòng)頻率特征。

檢測(cè)系統(tǒng)規(guī)格必須包括高動(dòng)態(tài)范圍（DR）以及極低的總諧波失真（THD），以便解析系統(tǒng)振動(dòng)曲線中的這些頻域特征。在這些系統(tǒng)中，最新的精密寬帶寬Σ-Δ（Σ-Δ）轉(zhuǎn)換器用于執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟。有極其精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以滿足這些系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。此類轉(zhuǎn)換器具有出色的動(dòng)態(tài)范圍和THD（典型值為+108 dB DR和?120 dB THD），可在直流至至少80 kHz的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合易于使用的功能，如模擬輸入預(yù)充電緩沖器、集成數(shù)字濾波器和用于多通道相位匹配的跨器件同步，使這些關(guān)鍵組件成為構(gòu)建最高性能CbM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。功耗調(diào)節(jié)功能允許調(diào)整相同的物理硬件以滿足特定的功率上限，其中動(dòng)態(tài)范圍或帶寬可以與總功率進(jìn)行權(quán)衡。提供直流精度和更寬帶寬，使輸入通道能夠滿足同一平臺(tái)中的溫度、應(yīng)變和其他直流或低帶寬檢測(cè)的需求，從而簡(jiǎn)化了整體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)和復(fù)雜性——適用于所有CbM傳感器類型的單一平臺(tái)。

同步采樣

在CbM系統(tǒng)中，使用同步采樣來(lái)確保保留時(shí)域數(shù)據(jù)集之間的相位關(guān)系。例如，在使用兩個(gè)正交排列的振動(dòng)傳感器的情況下，可以檢測(cè)振動(dòng)相量的方向和幅度。理想情況下，通過(guò)每個(gè)傳感器輸入路徑的相位延遲應(yīng)很好地匹配并跟蹤整個(gè)溫度。

對(duì)于需要更大靈活性設(shè)計(jì)以滿足更大范圍采樣速率、帶寬或功率縮放需求的CbM系統(tǒng)，SAR ADC產(chǎn)品也適用。這些器件還提供高動(dòng)態(tài)范圍和THD，吞吐量高達(dá)2 MSPS，并且還集成了易于使用的特性，可降低信號(hào)鏈功耗，降低信號(hào)鏈復(fù)雜性，并實(shí)現(xiàn)更高的通道密度。具有更高輸入阻抗模式的轉(zhuǎn)換器拓寬了低功耗精密放大器的范圍，可以直接驅(qū)動(dòng)這些ADC，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)最佳性能。

為了使系統(tǒng)構(gòu)建商能夠在更緊湊或分布式的采集節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)盡可能高的通道密度，并實(shí)現(xiàn)更快的上市時(shí)間，正在開發(fā)集成度比以往更高的信號(hào)鏈μModule產(chǎn)品。?

這些μModule器件將數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中常用的關(guān)鍵元件集成在一個(gè)緊湊的集成電路（IC）外形中。

圖3.μModule 組件的 3D 渲染。

μModule方法將模擬和混合信號(hào)組件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件，從而縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間和系統(tǒng)故障排除，并最終縮短上市時(shí)間。μModule器件采用微型封裝，非常適合分布式低通道數(shù)、緊湊型CbM系統(tǒng)或基于更高通道數(shù)的機(jī)架系統(tǒng)。

傳感器

僅在信號(hào)鏈的數(shù)據(jù)采集部分提供高動(dòng)態(tài)范圍、更寬的帶寬、更高的功率效率和更高的通道密度，只能解決CbM系統(tǒng)的部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的集成電子壓電（IEPE）振動(dòng)傳感器體積大、體積大且價(jià)格昂貴，并且通常使用比數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高得多的電壓軌。普通壓電傳感器采用?24 V單電源供電，功耗高達(dá)2 mA，封裝在重金屬外殼中。由于傳感器電源通常由數(shù)據(jù)采集模塊提供，因此增加盒子中的通道密度成為功率密度問題和元件密度問題。再加上對(duì)無(wú)線電池供電采集節(jié)點(diǎn)的需求，傳統(tǒng)的壓電振動(dòng)傳感器已無(wú)法滿足這些信號(hào)鏈的需求。

MEMS振動(dòng)和慣性傳感器現(xiàn)在能夠滿足這些系統(tǒng)的要求。最新的寬帶寬MEMS器件具有非常適合CbM應(yīng)用的噪聲和帶寬性能，它們?cè)诠β仕奖韧怚EPE傳感器低20倍的微型標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝封裝中實(shí)現(xiàn)了這種性能。這些MEMS傳感器的小尺寸和功率曲線允許開發(fā)非常小的多軸電池供電系統(tǒng)，用于永久和恒定的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

電源和連接

檢測(cè)機(jī)器的溫度、振動(dòng)或噪音并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息是監(jiān)控任務(wù)的關(guān)鍵部分，但這些細(xì)節(jié)并不能提供完整的畫面。構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要密切關(guān)注設(shè)計(jì)中的所有模擬、數(shù)字和混合信號(hào)組件。要在數(shù)據(jù)采集鏈中實(shí)現(xiàn)低噪聲，不僅需要低噪聲傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換元件，還需要低噪聲電源設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低功耗還需要電源組件有效地從電池或現(xiàn)場(chǎng)布線中獲取電源，而不會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖4.典型精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的子模塊框圖。

連接需求將取決于特定的應(yīng)用程序環(huán)境。許多工業(yè)設(shè)施已經(jīng)為過(guò)程控制或現(xiàn)有的環(huán)境傳感（如溫度）鋪設(shè)了大量布線。但是，許多現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施可能無(wú)法處理廣泛的基于狀態(tài)的監(jiān)控所需的大量原始數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)速率。

一種方法是通過(guò)以不影響現(xiàn)有功能的方式添加更多數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有布線的功能。例如，HART技術(shù)用于在無(wú)處不在的4 mA至20 mA模擬接口之上添加數(shù)字形式的診斷信息。同樣，工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)有以太網(wǎng)布線存在的情況下增加了確定性和實(shí)時(shí)控制，這允許控制應(yīng)用中的已知延遲以及需要振動(dòng)或FFT數(shù)據(jù)的更高帶寬，以及允許每個(gè)鏈路上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)。?

另一種方法是無(wú)線傳輸信息。在工業(yè)環(huán)境中，需要強(qiáng)大而安全的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。最新的智能網(wǎng)狀無(wú)線電產(chǎn)品是無(wú)線芯片和預(yù)認(rèn)證的PCB模塊，即使在惡劣、動(dòng)態(tài)變化的射頻環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)低功耗通信和>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性。對(duì)于基于狀態(tài)的監(jiān)控，這意味著故障或瞬態(tài)事件可以保證傳達(dá)給主機(jī)，并且可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)采取行動(dòng)。

煤層管理的未來(lái)

基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是能源、石油和天然氣等大型資本成本設(shè)備的絕對(duì)需求，在這些設(shè)備中，計(jì)劃外停機(jī)會(huì)直接影響生產(chǎn)成本。它在工廠車間也變得越來(lái)越重要，它既可以用作機(jī)器維護(hù)的主動(dòng)方法，也可以用作確保機(jī)器在正常運(yùn)行中以一致的方式生產(chǎn)產(chǎn)品的一種方式。隨著這些監(jiān)控功能的價(jià)值變得越來(lái)越明顯，這項(xiàng)技術(shù)將開始應(yīng)用于我們每天使用的越來(lái)越多的機(jī)器——不再是風(fēng)力渦輪機(jī)或造紙廠的專利，我們將在火車、飛機(jī)和汽車中看到 CbM，最終應(yīng)用于洗衣機(jī)甚至更小的電器。

系統(tǒng)組件制造商會(huì)將傳感器甚至整個(gè)通道集成到組件中。電機(jī)將包括振動(dòng)和電流感應(yīng)，軸承和齒輪箱也可能如此。將有獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)向您的移動(dòng)設(shè)備報(bào)告——在您的車庫(kù)門上部署一個(gè)，以便在您的汽車卡在里面之前警告您！

為了滿足這些不同場(chǎng)景中日益增長(zhǎng)的傳感需求，設(shè)備制造商需要采用平臺(tái)方法，其中較小的平臺(tái)集可以滿足更多樣化的需求。測(cè)量通道需要處理不同的傳感器類型，以便基于機(jī)架的設(shè)備可以針對(duì)不同的傳感器組合進(jìn)行重新填充。在較小的設(shè)備中，系統(tǒng)需要適應(yīng)不同的功率配置文件，以便可以在洗衣機(jī)或電池供電的工具中使用相同的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。

結(jié)論

基于狀態(tài)的監(jiān)控旨在通過(guò)感知機(jī)器內(nèi)的各種可測(cè)量參數(shù)來(lái)量化機(jī)器的健康狀態(tài)。提高這些測(cè)量的準(zhǔn)確性和靈敏度，以及減小監(jiān)控設(shè)備的尺寸、重量和功率，使工廠經(jīng)理能夠在整個(gè)工廠車間部署這種傳感。

工廠現(xiàn)在有一個(gè)健康監(jiān)測(cè)器——一個(gè)健身追蹤器——可以更深入地了解工廠的運(yùn)營(yíng)情況。工廠經(jīng)理可以被告知機(jī)器操作的微小變化，以便利用這些信息及早做出明智的決策。

提前安排維護(hù)，并且只為那些真正需要它的機(jī)器進(jìn)行規(guī)劃，可以顯著降低維護(hù)成本。下班后呼叫和隨叫隨到的技術(shù)人員成本可以降低到零。

由于工廠的受控性更強(qiáng)，因此可以降低資本設(shè)備成本。及早發(fā)現(xiàn)和更換磨損部件可保護(hù)機(jī)器的整體健康。更密切的監(jiān)控可減少災(zāi)難性故障的發(fā)生。隨著機(jī)器的精心管理直至使用壽命結(jié)束，可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

可以降低工廠最終產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。通過(guò)深入了解機(jī)器的健康狀況，可以保持對(duì)機(jī)器公差的控制。最終產(chǎn)品的輸出質(zhì)量在批次之間更加一致。減少了機(jī)器出界或突然停機(jī)的發(fā)生。因此，減少了產(chǎn)品返工和浪費(fèi)。

ADI公司如何幫助解決這個(gè)問題

ADI公司（ADI）了解希望最大限度地提高已安裝設(shè)備的效率和使用壽命或?yàn)樽罱K用戶提供這些測(cè)量和分析解決方案的最終客戶的檢測(cè)和測(cè)量需求。

CbM所需的檢測(cè)和測(cè)量任務(wù)可以通過(guò)ADI公司提供的組合技術(shù)來(lái)解決，在大多數(shù)客戶都熟悉的組件級(jí)別，但現(xiàn)在也可以與信號(hào)鏈μModule器件和功率μModule產(chǎn)品集成度更高，從而更快地為客戶的產(chǎn)品進(jìn)行原型設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)可行的產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷