傳統(tǒng)維護(hù)一般是預(yù)防性或糾正性維護(hù)，通常會(huì)占用很大一部分生產(chǎn)成本?，F(xiàn)在，使用 IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）監(jiān)測(cè)機(jī)器的健康狀態(tài)有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，讓行業(yè)人員能夠預(yù)測(cè)故障，從而大幅節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

由于工業(yè)設(shè)備普遍實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和互聯(lián)互通，工業(yè) 4.0得以實(shí)現(xiàn)，且正在助力生產(chǎn)工具變革。它就像一個(gè)游戲規(guī)則的改變者，讓生產(chǎn)鏈變得更加靈活，支持制造定制化產(chǎn)品，同時(shí)保持盈利。此外，數(shù)字化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接對(duì)維護(hù)也大有裨益。使用傳感器，尤其是加速度計(jì)之后，可以分析機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，而不是每隔一段時(shí)間更換磨損的部件。在預(yù)測(cè)性維護(hù)框架內(nèi)，只有在出現(xiàn)某些早期預(yù)警癥狀時(shí)，操作者才需要進(jìn)行干預(yù)。這種針對(duì)機(jī)器健康狀況的分析被稱為基于狀態(tài)的監(jiān)控 (CbM)，與基于通常非常保守的固定時(shí)間表的系統(tǒng)型維護(hù)系統(tǒng)相比，能夠控制維護(hù)成本。除了維護(hù)操作計(jì)劃更為靈活之外，還能在早期階段檢測(cè)出問(wèn)題，讓 操作人員能夠據(jù)此安排機(jī)器的停機(jī)時(shí)間，比起生產(chǎn)線以外停機(jī)，這顯然要好得多。

振動(dòng)分析：傳感器的重要性

制造商使用多種參數(shù)來(lái)確定啟動(dòng)維護(hù)操作的時(shí)間，這些參數(shù)包括振動(dòng)、噪聲、溫度測(cè)量等。在可測(cè)量的物理量中，振動(dòng)頻譜測(cè)量能夠針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)器（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)生器等）中的問(wèn)題的根源提供最多信息。異常振動(dòng)可能是滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過(guò)度松散等問(wèn)題。每個(gè)問(wèn)題都有自己特有的癥狀，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)器的振動(dòng)源。

采用加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)

振動(dòng)測(cè)量可以使用放置在被監(jiān)測(cè)元件附近的加速度計(jì)進(jìn)行。這種傳感器可以是壓電式，也可以是 MEMS 類型，后者更具優(yōu)勢(shì)，不僅可以在低頻率下提供更好的響應(yīng)，而且體積小巧。

滾珠軸承發(fā)生故障時(shí)，每次滾珠碰觸到開裂處，或者觸碰到內(nèi)環(huán)或外環(huán)的缺陷位置，就會(huì)發(fā)生撞擊，引起振動(dòng)，甚至導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位。撞擊發(fā)生的頻率由轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以及滾珠的數(shù)量和直徑?jīng)Q定。

但這不是全部！一旦故障出現(xiàn)，前面提到的撞擊有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生可以聽見的聲音，即沖擊波，表現(xiàn)為低能量譜分量和相對(duì)較高的頻率，通常大于 5 kHz，而且總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基本的旋轉(zhuǎn)頻率。只有低噪聲、高帶寬加速度計(jì)（例如 ADI 公司的 ADXL100x）才能測(cè)量與首個(gè)故障信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻譜線。對(duì)于頻率響應(yīng)較低或噪聲較高的產(chǎn)品無(wú)法感測(cè)到的問(wèn)題，這些加速度計(jì)可以提供一些寶貴信息。隨著問(wèn)題惡化，低能量譜分量不斷增加。到了后期，入門級(jí)加速度計(jì)就可以檢測(cè)出振動(dòng)，但到了此時(shí)，解決故障會(huì)變得迫在眉睫，維護(hù)團(tuán)隊(duì)需要在很短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)。為了避免猝不及防，使用低噪聲、高帶寬加速度計(jì)在最初出現(xiàn)異常的時(shí)候就進(jìn)行檢測(cè)可謂至關(guān)重要。

圖 1. 基于問(wèn)題類型的頻譜特征。滾珠軸承故障的首個(gè)跡象發(fā)生在高頻頻譜。

除了 ADXL100x 系列加速度計(jì) (ADXL1001/ADXL1002/ADXL1003/ADXL1004/ADXL1005)之外，ADI 公司還提供許多其他加速度計(jì)，對(duì)于分析機(jī)器狀態(tài)非常有用。在更嚴(yán)格的帶寬范圍內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，ADXL35x 系列產(chǎn)品 (ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357) 具備低噪聲等級(jí)特性（噪聲低至 20 μg/√Hz，帶寬為 1500 Hz）。與提供模擬輸出的 ADXL100x 系列產(chǎn)品不同，ADXL35x 系列產(chǎn)品可以提供數(shù)字輸出，用于簡(jiǎn)化與微控制器的接口。

供消費(fèi)電子使用的入門級(jí)產(chǎn)品，例如 ADXL34x (ADXL343/ADXL344/ADXL345/ADXL346) 或超低功耗 ADXL36x (ADXL362/ADXL363) 加速度計(jì)并不具備足以滿足高品質(zhì)預(yù)測(cè)性維護(hù)要求的帶寬或噪聲性能。這些入門級(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用于開發(fā)未來(lái)診斷解決方案的數(shù)據(jù)的可用性。

但是，它們卻是測(cè)量機(jī)器活動(dòng)的極佳選擇，例如，用于計(jì)算操作小時(shí)數(shù)，并在必要時(shí)啟動(dòng)維護(hù)—不是預(yù)測(cè)性維護(hù)，而是預(yù)防性維護(hù)。這些加速度計(jì)的功耗極低，因此可以通過(guò)能量采集器或通過(guò)電池供電。

如果只是需要監(jiān)測(cè)和測(cè)量機(jī)器突然發(fā)生的撞擊，ADXL37x 系列產(chǎn) 品 (ADXL372/ADXL375/ADXL377) 就是理想的選擇。由于撞擊可能只會(huì)改變機(jī)器的精度或運(yùn)行狀態(tài)，所以它可能會(huì)啟動(dòng)（例如）糾正性維護(hù)，以糾正可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

從組件到完整模塊

如前所述，ADXL100x 系列具有寬帶寬和低噪聲特點(diǎn)。但是，它們采 用單軸，需要配備相關(guān)的處理電子設(shè)備。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，ADI 公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021 型號(hào)實(shí)施三軸 測(cè)量。這款 3.3 V 電源電壓產(chǎn)品包括三個(gè)基于 ADXL1002 的測(cè)量鏈、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 × 12mm) 內(nèi)，可以即時(shí)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)器上。該產(chǎn)品的全尺寸為±50 g，具有僅 25 μg/√Hz 的極 低噪聲水平和 10 kHz 帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應(yīng)用中捕捉振動(dòng)特征。

圖 2. ADcmXL3021 模塊，非常適合用于實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)。

表 1. ADcmXL3021 和 ADXL100x 系列非常適合 CbM 應(yīng)用。

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)節(jié)點(diǎn)的 FFT 函數(shù)，用于對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析。再將用這種方法計(jì)算得出的頻譜的每個(gè)頻率級(jí)別與可配置的報(bào)警閾值（每軸 6 個(gè)）進(jìn)行對(duì)比。如果頻譜組件過(guò)于密集，就會(huì)生成警報(bào)。本產(chǎn)品可以通過(guò) SPI 端口與主機(jī)處理器進(jìn)行交互，提供訪問(wèn)內(nèi)部寄存器以及一組用戶可配置的函數(shù)的權(quán)限，包括先進(jìn)的數(shù)學(xué)函數(shù)，例如計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值、波峰因素和峰度（四階動(dòng)力矩，支持測(cè)量振動(dòng)的銳度）。

SmartMesh：適用于 IIoT 的網(wǎng)絡(luò)，非常適合用于實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特別適合用于從振動(dòng)傳感器收集維護(hù)數(shù)據(jù)。它的速度不需要多快，但必須足夠健壯，能夠在通常非常嘈雜、且采用金屬結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)性很差的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。它還必須能夠從大量傳感器收集數(shù)據(jù)，而這些傳感器不一定非?？拷鼣?shù)據(jù)記錄器。為了滿足這一需求，ADI 公司推出 SmartMesh? IP 工業(yè) Mesh 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)功耗低，且具有相當(dāng)高的抗擾性。最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于維護(hù)模塊非常重要，為其供電的能量采集器或鋰電池必須運(yùn)行 5 到 10 年，中間不能進(jìn)行更換。SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)基于 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn) (IEEE 802.15.4e)，非常適合 IIoT，且基于圍繞 2.4 GHz 傳輸?shù)膶Ｓ袇f(xié) 議構(gòu)建。該解決方案包含 LTC5800 收發(fā)器或預(yù)認(rèn)證的 LTP590x 模塊，非常易于實(shí)施。

圖 3. SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)非常適合用于實(shí)施 IIoT 和預(yù)測(cè)性維護(hù)操作。

表 2. 糾正性、預(yù)防性和預(yù)測(cè)性維護(hù)的成本對(duì)比

使用各種技術(shù)來(lái)保證傳輸可靠性大于 99.999%，包括同步、通道跳變和時(shí)間戳，以及針對(duì) Mesh 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重新配置，在信號(hào)最強(qiáng)勁的地方僅使用 RF 路徑。

為什么不求助于人工智能呢？

T 目前存在多種振動(dòng)分析技術(shù)。除了數(shù)字濾波被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)之外，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，但頻率分析才是提供最多關(guān)于異常及異常原因的信息的分析。頻率分析甚至可用于計(jì)算被同化為信號(hào)頻譜中頻譜的倒譜（反向傅里葉變換被用于計(jì)算信號(hào)傅里葉變換的對(duì)數(shù)）。但是，無(wú)論使用哪種分析方法，困難之處在于確定最佳警報(bào)閾值，以使維護(hù)操作既不會(huì)太早也不會(huì)太遲。

可以采用一種方法替代傳統(tǒng)的警報(bào)閾值配置，即在故障識(shí)別流程中引入人工智能。在機(jī)器學(xué)習(xí)階段，云資源被用于基于來(lái)自振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)創(chuàng)建代表性的機(jī)器模型。模型創(chuàng)建完成之后，可以下載至本地處理器。使用嵌入式軟件不僅可以實(shí)時(shí)識(shí)別正在發(fā)生的事件，還可以識(shí)別瞬態(tài)事件，從而能夠檢測(cè)異常。

旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的振動(dòng)源

旋轉(zhuǎn)機(jī)器經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題就是滾珠軸承出現(xiàn)故障。對(duì)從放置在軸承附近的加速度計(jì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，可以得出許多特征線、振幅和頻率，它們都由旋轉(zhuǎn)的速度和問(wèn)題原因決定。

所述系統(tǒng)的特征頻率包括：

軸承套的旋轉(zhuǎn)頻率：

與外環(huán)（固定）上的缺陷有關(guān)的頻率：

與內(nèi)環(huán)（軸）上的缺陷有關(guān)的頻率：

除了這些頻率特征外，滾珠越過(guò)缺陷位置（開裂、剝落等）所產(chǎn)生的沖擊波還會(huì)引起高頻振動(dòng) (>5 kHz)，有時(shí)甚至可以聽到。

N: 滾珠數(shù)量

Φ:接觸角度

faxle:軸的旋轉(zhuǎn)頻率

d: 滾珠直徑

D: 滾珠的平均直徑

圖 4. 滾珠軸承。