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在上個(gè)月結(jié)束的2019 WAIC世界人工智能大會(huì)上，關(guān)于工業(yè)領(lǐng)域的探討成為本次大會(huì)的主旋律，全球工業(yè)智能發(fā)展的最新成果、優(yōu)秀企業(yè)及最佳實(shí)踐等得到了集中亮相。不過，無法預(yù)料的停機(jī)時(shí)間、設(shè)備維護(hù)仍是眾多工廠和企業(yè)所擔(dān)心的關(guān)鍵。當(dāng)傳統(tǒng)的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)跟不上步伐，高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司將無線基于條件的檢測(cè)（CBM）作為工業(yè)4.0落地的重要一環(huán)，幫助行業(yè)人員預(yù)測(cè)設(shè)備故障、節(jié)省企業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的幾種分析方法

無論電機(jī)、泵還是軸承等，產(chǎn)生的振動(dòng)、電流和溫度都是深入了解設(shè)備健康狀態(tài)的關(guān)鍵信號(hào)。尤其是振動(dòng)，這在工業(yè)中是非常普遍的現(xiàn)象。非正常振動(dòng)會(huì)影響工業(yè)設(shè)備的健康狀態(tài)，還會(huì)增加能耗、降低機(jī)器效率，甚至造成災(zāi)難性的事故。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以進(jìn)一步隔離機(jī)械噪音和電器噪聲，從而提供額外的數(shù)據(jù)改善機(jī)器的診斷。關(guān)于振動(dòng)監(jiān)測(cè)，CBM中的機(jī)器狀態(tài)分析可以使用各種方法完成。最常見的方法可能是時(shí)域分析，頻域分析。

基于時(shí)間的分析。在時(shí)域振動(dòng)分析中，考慮有效值（均方根或簡(jiǎn)稱有效值），峰值和振動(dòng)幅度。其中，峰值反映了電機(jī)軸的最大偏轉(zhuǎn)，因此可以得出關(guān)于其最大負(fù)載的結(jié)論。相反，幅度值描述了發(fā)生振動(dòng)的幅度并識(shí)別異常沖擊事件。

因此，有效值通常是最有意義的，因?yàn)樗瑫r(shí)考慮了振動(dòng)時(shí)間歷史和振動(dòng)幅度值。通過所有這些參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的依賴性，可以獲得均方根振動(dòng)的統(tǒng)計(jì)閾值的相關(guān)性。這種類型的分析證明非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗炔恍枰镜南到y(tǒng)知識(shí)，也不需要任何類型的光譜分析。

基于頻率的分析。利用基于頻率的分析，通過快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)間上變化的振動(dòng)信號(hào)分解成其頻率分量，得到的幅度與頻率的頻譜圖可以監(jiān)測(cè)特定的頻率成分及其諧波和邊帶。FFT是一種用于振動(dòng)分析的普遍方法，尤其適用于檢測(cè)軸承損壞，可以為每個(gè)頻率分量分配相應(yīng)的組件。通過FFT，可以濾除由滾動(dòng)元件和缺陷區(qū)域之間的接觸引起的某些故障的重復(fù)脈沖的主頻率。

由于它們的頻率成分不同，可以區(qū)分不同類型的軸承損壞（外圈，內(nèi)圈或滾珠軸承的損壞）。但是為此需要有關(guān)軸承，電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的精確信息。另外，F(xiàn)FT過程要求在微控制器中重復(fù)記錄和處理振動(dòng)的離散時(shí)間塊，雖然這需要比基于時(shí)間的分析更多的計(jì)算能力。

適用于CBM的傳感器有哪些？

在工業(yè)4.0到來之際，機(jī)器的健康監(jiān)測(cè)成為了工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域里需要認(rèn)真研究重要課題。為此，ADI公司推出的基于ADcmXL3021以及ADXL1002等產(chǎn)品的狀態(tài)監(jiān)控解決方案完美解決了相關(guān)問題，利用這些解決方案客戶可以快速抓住機(jī)會(huì)讓現(xiàn)有老舊基礎(chǔ)設(shè)施走上工業(yè)4.0的快車道。

ADcmXL3021模塊是一套完整的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。利用ADI屢獲殊榮的微機(jī)電系統(tǒng)傳感器技術(shù)MEMS技術(shù)，機(jī)器健康數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的、可操作的監(jiān)測(cè)用以防止工作中斷，將高性能振動(dòng)檢測(cè)與多種信號(hào)處理功能結(jié)合在一個(gè)緊湊的外形中，簡(jiǎn)化了基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)過程，提高了安全性和降低成本。

CBM系統(tǒng)是預(yù)防性維護(hù)的一個(gè)重要組成部分，其加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是低噪聲和寬帶寬。ADcmXL3021模塊擁有MEMS加速度計(jì)的超低噪聲密度(25 μg/√Hz)可支持出色的分辨率。寬帶寬(直流至10 kHz，平坦度為5%)可以在多個(gè)機(jī)器平臺(tái)上跟蹤關(guān)鍵振動(dòng)特征，通過監(jiān)控機(jī)械疲勞和故障的早期指標(biāo)來提高生產(chǎn)效率并減少設(shè)備維修，適用于各種工業(yè)設(shè)備和運(yùn)輸車輛。

除此之外， ADI公司開發(fā)的ADXL356 / ADXL357 三軸傳感器系列，同樣適用于CBM應(yīng)用。它具有非常好的噪音性能和出色的溫度穩(wěn)定性。盡管它們的帶寬有限為1.5 kHz（諧振頻率= 5.5 kHz），但這些加速度計(jì)仍可在低速設(shè)備（如風(fēng)力渦輪機(jī)）的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中提供重要讀數(shù)。

與此同時(shí)，ADI旗下ADXL100x系列中的單軸傳感器適用于更高帶寬。它們?cè)跇O低的噪聲水平下提供高達(dá)24 kHz（諧振頻率= 45 kHz）的帶寬和高達(dá)±100 g的g范圍。由于帶寬高，可以使用該傳感器系列檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器中發(fā)生的大多數(shù)故障（滑動(dòng)軸承損壞，不平衡，摩擦，松動(dòng)，齒輪缺陷，軸承磨損和氣蝕）。

基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與未來

需要指出的是，無論條件監(jiān)控的類型如何，即使采用最智能的監(jiān)控概念，都不能100％保證不會(huì)出現(xiàn)意外停機(jī)、故障或安全等風(fēng)險(xiǎn)，但這些努力足以減少風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)。正因?yàn)槿绱耍絹碓蕉嗟幕跔顟B(tài)的監(jiān)測(cè)正在成為工業(yè)界的一個(gè)關(guān)鍵話題，它被視為未來生產(chǎn)設(shè)施可持續(xù)成功的明確先決條件。

許多工業(yè)企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到CBM作為成功因素的重要性，將其視為未來業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)測(cè)性維護(hù)方式必將占據(jù)主導(dǎo)地位，借助專用工具及軟件，發(fā)現(xiàn)問題、準(zhǔn)確地預(yù)判問題，將會(huì)越來越普及?？傊b于機(jī)器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)帶來的高產(chǎn)量和收益，現(xiàn)階段對(duì)CBM硬件和軟件的投資已然值得。

而具體到傳感器方面，為了能夠廣泛使用傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有兩個(gè)因素非常重要：低成本和小尺寸。在以前經(jīng)常使用壓電傳感器的地方，如今越來越多地使用基于MEMS的加速度計(jì)。它們具有更高的分辨率，出色的漂移和靈敏度特性以及更好的信噪比，并且能夠檢測(cè)幾乎低至直流范圍的極低頻振動(dòng)。

無論是工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是中國(guó)制造2025，三者的本質(zhì)都指向一個(gè)核心——智能制造。當(dāng)前，工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)形式是基于條件的監(jiān)控，而精確、實(shí)時(shí)的機(jī)器健康監(jiān)測(cè)可以大大減少停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。作為業(yè)界卓越的半導(dǎo)體公司，ADI MEMS振動(dòng)傳感器與其精密轉(zhuǎn)換器、線性、隔離和電源技術(shù)相結(jié)合，用于為工業(yè)4.0應(yīng)用中的基于條件監(jiān)測(cè)提供高品質(zhì)機(jī)器健康數(shù)據(jù)，從而最大限度地延長(zhǎng)機(jī)器的正常運(yùn)行時(shí)間以及最大限度地提高效率，加速實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。