隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革不斷深入，制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展，正在不斷突破新技術(shù)、催生新業(yè)態(tài)。
發(fā)展智能制造有助于解決生產(chǎn)制造過程中的節(jié)能減排問題，同時(shí)智能制造技術(shù)也會(huì)帶來設(shè)備利用率最大化、高效的生產(chǎn)率以及高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)前，智能制造已成為推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、加快制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。根據(jù)MarketsandMarkets發(fā)布的最新報(bào)告，2021年全球智能制造市場規(guī)模為887億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到2282億美元。
備維護(hù)周期示意圖
全面邁向智能制造，意味著現(xiàn)代設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、自動(dòng)化程度也越來越高，隨之而來的是日常維護(hù)和故障檢修難度的水漲船高。
如何保證設(shè)備系統(tǒng)低故障甚至無故障運(yùn)行，減少因此帶來的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本的損失，是制造業(yè)向著智能化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)中必須跨過的一道關(guān)口。隨著維修理論和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM）被認(rèn)為是解決上述問題最佳途徑。
從設(shè)備維護(hù)發(fā)展看行業(yè)選擇狀態(tài)監(jiān)控的緣由
上世紀(jì)60年代以前，對(duì)于設(shè)備維護(hù)人們往往采用事后維修和定期維修。這種傳統(tǒng)的方式檢查間隔周期較長，且根據(jù)主觀感覺和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷來保證設(shè)備正常的運(yùn)行，導(dǎo)致過度維修和突發(fā)停機(jī)事故時(shí)有發(fā)生。
上世紀(jì)60年代到80年代，狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)開始迅速發(fā)展。近年來，人工智能和網(wǎng)絡(luò)化已成為監(jiān)測和故障診斷的主要發(fā)展方向，陸續(xù)涌現(xiàn)出許多新型的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷方法。
常用于實(shí)施CbM的傳感器
究其原因，一臺(tái)設(shè)備從安裝、調(diào)試投入使用，直至設(shè)備運(yùn)行報(bào)廢，缺陷和潛在故障始終伴隨設(shè)備一生，不可避免。如果從生命周期角度來看，設(shè)備大體可以分為以下幾個(gè)：初期使用階段，定期維護(hù)階段，潛在故障階段，基于狀態(tài)的維護(hù)階段和功能故障階段。
每個(gè)階段的設(shè)備運(yùn)行特征各有不同：
初期使用階段：初期的時(shí)候往往有保修范圍的，在保修范圍內(nèi)設(shè)備故障維修成本均可以得到保證；
定期維護(hù)階段：這個(gè)階段由于維護(hù)頻繁同時(shí)設(shè)備也處于較佳的狀態(tài)，也不容易出問題；
潛在故障階段：潛在故障階段往往會(huì)出現(xiàn)以振動(dòng)為代表的特性信息。在該階段如能夠及時(shí)捕捉設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)，并加以實(shí)時(shí)監(jiān)測，可大大延長設(shè)備使用壽命；
基于狀態(tài)的維護(hù)階段：往往可以把潛在故障階段和CbM階段放在一起。因?yàn)闈撛诠收想A段出現(xiàn)的振動(dòng)信息的頻率比較高（5KHZ以上）、信號(hào)的幅值很低，該階段對(duì)傳感器提出了要求，比如帶寬要寬、噪聲要低等；
功能故障階段：在這個(gè)階段去維修設(shè)備往往是要付出很大的代價(jià)。
基于ADXL1002與AD7768-1的參考設(shè)計(jì)圖
與傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)檢查相比，CbM是一種針對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的設(shè)備整體或者某個(gè)重要零部件的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行檢查以判斷其運(yùn)行狀態(tài)是否正常，同時(shí)對(duì)異常狀況進(jìn)行追蹤并預(yù)測其后期的發(fā)展趨勢、確定其磨損程度的監(jiān)測技術(shù)。
通過加裝布設(shè)各種傳感器，可在設(shè)備不停機(jī)狀態(tài)下對(duì)設(shè)備異常的振動(dòng)信息、溫度信息、電流信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并準(zhǔn)確地掌握監(jiān)測部位的修復(fù)或者更換情況。借此，工廠可最大限度利用關(guān)鍵部位零部件的使用潛力，避免零部件的過剩維修與保養(yǎng)，大大節(jié)約了維護(hù)成本以及減小設(shè)備的停機(jī)損失，尤其對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的工廠有著重要的意義。
選擇合適的高性能傳感器以實(shí)施CbM
在監(jiān)測機(jī)器的健康狀況時(shí)，選擇最合適的傳感器以確保能夠檢測、診斷甚至預(yù)測故障至關(guān)重要。目前，有許多傳感器被用于檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)器及其負(fù)載中的故障，下圖羅列了常用于實(shí)施CbM的傳感器。
以工業(yè)制造領(lǐng)域?yàn)槔?，振?dòng)會(huì)影響精密儀器設(shè)備的功能，降低加工精度和光潔度，加劇構(gòu)件的疲勞和磨損等，而加速度計(jì)可以用來監(jiān)測設(shè)備的振動(dòng)特性。
計(jì)算在振動(dòng)監(jiān)測中振動(dòng)所產(chǎn)生的加速度公式如下：
其中，d表示振動(dòng)部件的間隙值，f表示振動(dòng)的頻率，一般取最大頻率。從公式可以看出，振動(dòng)產(chǎn)生的加速度與頻率的平方成正比。因此對(duì)于CbM的振動(dòng)監(jiān)測而言，首先要考慮加速度計(jì)量程的選擇，其次是噪聲的加速度計(jì)。
解決這些故障，通常需要將具備低噪聲（5kHz）的高性能預(yù)測性維護(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)。ADI在CbM振動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域有著多種的MEMS傳感器，根據(jù)設(shè)備種類特點(diǎn)可以選擇不同的MEMS加速度計(jì)。
ADXL100x系列單軸加速度計(jì)針對(duì)工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用而優(yōu)化，測量帶寬高達(dá)50kHz，g值范圍高達(dá) 100g，并且擁有超低的噪聲性能，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中發(fā)生的主要故障（如套筒軸承損壞、對(duì)準(zhǔn)誤差、不平衡、摩擦、松動(dòng)、傳動(dòng)裝置故障、軸承磨損和空化）都在ADXL100x系列狀態(tài)監(jiān)控加速度計(jì)的測量范圍以內(nèi)。
上圖展示了基于ADXL1002與AD7768-1的參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)整體方案十分簡單，選用了集成度很高的ADC：AD7768-1，因此前端不需要太多調(diào)理方案。前端傳感器不僅僅局限于ADXL1002，該參考設(shè)計(jì)適用于ADXL100X全系列傳感器使用。
ADXL100x系列具有寬帶寬和低噪聲特點(diǎn)，但由于它們采用單軸，需要配備相關(guān)的處理電子設(shè)備。為了簡化設(shè)計(jì)，ADI公司還提供了一套完整的解決方案——采用ADcmXL3021型號(hào)實(shí)施三軸測量。這款3.3V電源電壓產(chǎn)品包括三個(gè)基于ADXL1002的測量鏈、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（23.7mm 26.7mm 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 50g，具有僅25μg/ Hz的極低噪聲水平和10kHz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。該產(chǎn)品可以通過SPI端口與主機(jī)處理器進(jìn)行交互，提供訪問內(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，支持測量振動(dòng)的銳度）。
小結(jié)
基于狀態(tài)的監(jiān)測不僅僅局限于振動(dòng)的監(jiān)測，同時(shí)有聲音、光電、溫度等的監(jiān)測。通過監(jiān)測設(shè)備、運(yùn)營和維護(hù)設(shè)備增加新的輸入模式，對(duì)工廠的資產(chǎn)進(jìn)行機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測和優(yōu)化，了解何時(shí)需要維護(hù)，充分利用設(shè)備，這將極大提高工作效率。未來，隨著智能制造技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于加工制造行業(yè)。
來源 | 榮格
作者 | ADI
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