【導讀】工業(yè)4.0的到來,正在改變制造業(yè)的游戲規(guī)則?;诖髷?shù)據(jù)的洞察,將使得整個生產(chǎn)鏈變得更加透明、靈活而富有彈性,在滿足定制化生產(chǎn)的同時仍能夠?qū)崿F(xiàn)盈利,而這一切在傳統(tǒng)制造業(yè)的模式下是無法想象的。而且,由此引發(fā)的變革是全方位的,其影響力滲透到了生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的方方面面,也包括生產(chǎn)設(shè)備的維護。
制造業(yè)中傳統(tǒng)的設(shè)備維護通常包括糾正性維護和預防性維護兩種方式,前者是指在設(shè)備發(fā)生故障之后進行被動地干預,后者一般則是按照預定好的周期或條件進行主動的維護。這兩種方式顯然都不是設(shè)備維護的最優(yōu)解——前者往往要承擔計劃外停機的巨大損失(計劃外停機的成本會占到總制造成本的近四分之一),而后者則不可避免地會在設(shè)備運轉(zhuǎn)良好地情況下實施不必要的干預,進而產(chǎn)生較大的成本。
如果有一種建立在大數(shù)據(jù)分析和洞察基礎(chǔ)上的方法,可以實時地了解設(shè)備的實時工作狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)故障隱患,有的放矢地進行“恰到好處”的維護,這當然是更理想的解決方案。這種針對機器設(shè)備健康狀況的分析被稱為基于狀態(tài)的監(jiān)控(CbM),而基于CbM的維護方法就是“預測性維護”。
顯而易見,在預測性維護的框架內(nèi),只有在機器設(shè)備出現(xiàn)某些早期預警癥狀時,才需要操作者進行干預。與傳統(tǒng)的維護方式相比,其在減少設(shè)備停機、降低維護成本、延長設(shè)備壽命、提高產(chǎn)能等方面帶來的效益是巨大的。
圖1:預測性維護與傳統(tǒng)維護方式的成本分析
(圖源:ADI)
針對電機的預測性維護
由于電機等具有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機器設(shè)備是制造業(yè)中的主力,因此針對電機的CbM或者預測性維護自然也就成了一個重點課題。這也是當今不少頭部技術(shù)供應商(如Analog Devices,ADI)追逐的熱點。
在判斷電機的工作狀態(tài)是否“健康”時,需要很多數(shù)據(jù)的支持,比如壓力、振動、噪聲、溫度等等,其中在可測量的物理量中,振動是一個尤為關(guān)鍵的參數(shù),這是因為很多故障早期的癥狀——如滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度松動等——都會表現(xiàn)為異常的振動,并且在測量頻譜時會呈現(xiàn)出各自不同的特征,由此就可以基于振動數(shù)據(jù)做出“診斷”,決定是否需要進行維護,以及進行哪種類型的維護。
比如在滾珠軸承發(fā)生故障時,當滾珠碰觸到軸承的開裂處,或者內(nèi)環(huán)或外環(huán)的缺陷位置,就會發(fā)生撞擊,引起振動,甚至導致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位,這種撞擊有時會產(chǎn)生可以聽見的聲音(即沖擊波),其在頻譜中通常表現(xiàn)為大于5kHz的低能量譜分量。而隨著問題惡化,低能量譜分量會不斷增加,當我們通過加速度傳感器捕捉到這些振動信號之后,就可以在盡可能短的時間內(nèi)做出反應。
圖2:不同電機的故障類型對應著不同的振動頻譜特征(圖源:ADI)
因此不難得出結(jié)論,只要我們圍繞著電機異常振動,建立起一個從狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)采集,到數(shù)據(jù)傳輸、分析處理的系統(tǒng),就可以構(gòu)建起一套完整的CbM和預測性維護解決方案,并讓其承擔起電機健康問題“吹哨人”的角色,將故障消除在萌芽狀態(tài)。
圖3:電機CbM和預測性維護解決方案架構(gòu)
(圖源:ADI)
選擇合適的加速度計
從圖3中我們可以看到,一個完整電機CbM和預測性維護方案的設(shè)計,需要在多個技術(shù)環(huán)節(jié)進行技術(shù)決策,而其中作為整個方案的“起點”,就是要選擇能夠準確捕捉到振動信號的加速度傳感器。這種測量振動的加速度傳感器,需要裝配在被監(jiān)測對象的附近,而且?guī)?、可靠性、尺寸、功耗、成本等都是在選型時需要綜合考量的要素。
以往CbM中振動測量比較常用的是壓電加速度計,因為這類傳感器具有較寬的帶寬(典型范圍為3Hz至30kHz,甚至可以高達數(shù)百kHz),這就意味著其可以“觀察”到更寬頻譜范圍內(nèi)異常振動的信號。同時,壓電加速度計具有良好的線性度、SNR,以及高溫工作性能,這都是工業(yè)應用中十分看重的特性。不過,壓電加速度計在DC范圍下的性能欠佳,因此對于風力渦輪機這種低轉(zhuǎn)速的低頻應用不太適合,而且其成本也偏高,會影響應用范圍的進一步拓展。
相較而言,MEMS電容式加速度計近年來在電機CbM和預測性維護中則表現(xiàn)出更強的發(fā)展勢頭。MEMS電容式加速度計具有DC響應特性,以及很強的抗沖擊能力,而且其尺寸更小,重量更輕,更適合批量生產(chǎn),因而成本也更具優(yōu)勢。
更重要的是,隨著技術(shù)的進步,以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計的問題,也得到了極大的改善??梢韵胍?,MEMS電容式加速度計的發(fā)展正在拉低CbM和預測性維護的“門檻”,使得這一技術(shù)能夠滲透到電機應用的更多場景。
圖4:兩種用于電機振動測量的加速度傳感器比較
(圖源:ADI)
ADI的ADXL100x系列就是MEMS電容式加速度計中綜合表現(xiàn)非常搶眼的產(chǎn)品。這個系列的單軸加速度計,測量帶寬高達50kHz,其頻率響應可以覆蓋旋轉(zhuǎn)機械中常見的主要故障,包括套筒軸承損壞、對準誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化等等。
圖5:ADXL100x系列MEMS加速度計
(圖源:ADI)
ADXL100x MEMS加速度計可實現(xiàn)高分辨率振動測量,可提供從±50g到±500g不同量程范圍的產(chǎn)品,且在較寬的頻率范圍內(nèi)具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度,提供穩(wěn)定和可重復的靈敏度,并可承受高達10,000g的外部沖擊。
圖6:ADXL1001/ADXL1002可支持>5kHz的高頻振動響應(圖源:ADI)
值得一提的是,ADXL100x系列MEMS加速度計還提供了一個通常壓電加速度計不具備的特性,即集成了諸多智能特性,如超量程檢測電路——當發(fā)生超過指定g值范圍約2倍的嚴重超量程事件時,該電路會報警;同時ADXL100x可基于某種內(nèi)部時鐘智能禁用機制在持續(xù)發(fā)生超量程事件時保護傳感器元件,這種方式可以減輕主機處理器的負擔,并能增加傳感器節(jié)點的智能化程度。
此外,ADXL100x系列MEMS加速度計緊湊的LFCSP封裝、-40°C至+125°C的寬工作溫度范圍、低功耗的特性,都有助于將其更便利地融合到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用中,成為工業(yè)4.0中不可或缺的一部分。
圖7:ADI為CbM提供豐富的MEMS加速度計產(chǎn)品
(圖源:ADI)
打造高性能的信號鏈
當然,MEMS加速度計性能再突出,其在整個電機CbM的信號和數(shù)據(jù)鏈處理中,也只是邁出了第一步。想要打造一個高性能的電機CbM和預測性維護方案,需要一個完整的系統(tǒng)做支撐。其中主要包括以下幾個關(guān)鍵部分:
檢測模塊
主要是基于MEMS加速度計的振動和沖擊檢測單元,提供高精度的測量。有時還需要集成溫度傳感等其他感測功能。
數(shù)據(jù)采集
高保真的數(shù)據(jù)采集可以將傳感器捕獲的振動、沖擊、溫度、聲學、壓力、電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,從而轉(zhuǎn)化為有價值的數(shù)據(jù),成為洞察和決策的基礎(chǔ)。
電源管理
小尺寸、高效率的解決方案,確保小型化的智能傳感器能夠在惡劣的工業(yè)應用中可靠運行。
數(shù)據(jù)處理
超低功耗MCU或其他主控器件可以對工業(yè)邊緣節(jié)點上發(fā)生的事件做出本地決策,并經(jīng)過篩選將更重要的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端,以建立更全面的洞察。
有線/無線連接
通信模塊可以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中,確保相關(guān)電機健康狀況數(shù)據(jù)可靠地傳送到PLC和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES),加速CbM部署。
基于AI的云洞察力
建立在云端更強大計算資源基礎(chǔ)上的人工智能(AI),可以檢測和解譯聲音、振動、壓力、電流或溫度等數(shù)據(jù),以實現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控和按需診斷,并通過與CbM領(lǐng)域?qū)<医换ゲ粩鄬W習和升級。
圖8:電機CbM和預測性維護方案系統(tǒng)架構(gòu)
(圖源:ADI)
在這樣一個長長的信號和數(shù)據(jù)鏈中,想要確保數(shù)據(jù)的可靠性和準確性,就需要為各個功能模塊選擇合適的高性能器件。
比如,為了保證數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的信號調(diào)理,就要在放大器、ADC、基準電壓源等模擬器件的選型上花一番心思(如圖8)。
在運算放大器的選型上,ADI的LT6015 Over-The-Top? 精密運算放大器是一款值得推薦的器件。這是一款單通道軌到軌輸入運算放大器,具有低于50μV的輸入失調(diào)電壓。這些放大器可采用單電源和分離電源工作(總電壓為3V至50V),每個放大器僅吸收315μA電流。它們具有反向電池保護功能,在高達50V的反向電源電壓下。其吸收電流非常小。
LT6015能驅(qū)動高達25mA的負載,并可在使用200pF的容性負載時保持穩(wěn)定的單位增益。該放大器的Over-The-Top? 輸入級可在嚴酷環(huán)境中提供額外的保護。其輸入共模范圍從V-擴展至V+及以上,具體來講這些放大器可在輸入為V-至76V的條件下工作,內(nèi)部電阻器負責保護輸入免遭低于負電源25V的瞬變故障的損壞。
圖9:LT6015 Over-The-Top精密運算放大器
(圖源:ADI)
在高精度、低功耗基準電壓源的選型上,ADR45xx基準電壓源是一個不錯的選擇。該系列產(chǎn)品的最大初始誤差為±0.02%,具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。由于使用了新的內(nèi)核拓撲結(jié)構(gòu)來提高精度,ADR45xx基準電壓源同時提供出色的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。該款基準電壓源具有低熱致輸出電壓遲滯和低長期輸出電壓漂移,因此提高了壽命和溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度。
同時,ADR45xx系列的最大工作電流為950μA,提供了出色的低功耗特性;而-40°C至+125°C的寬溫度范圍使其適合于廣泛的工業(yè)應用。
圖10:ADR45xx基準電壓源
(圖源:ADI)
當然,ADI為實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集所提供的產(chǎn)品遠不止上述兩款,而是包括一整套CbM信號鏈和數(shù)據(jù)鏈解決方案,這就省去了大家選料、調(diào)試等繁復的開發(fā)工作。
本文小結(jié)
隨著工業(yè)4.0的推進,以基于CbM的預測性維護替代傳統(tǒng)的電機維護方式,已經(jīng)成為大家普遍的共識。而想要打造這樣一套能夠?qū)崟r感知電機健康狀態(tài),按需進行維護工作的系統(tǒng),需要圍繞整個信號鏈和數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建一個整體的解決方案。其中不僅需要高性價比的傳感器,也需要高精度的信號調(diào)理器件、可靠的電源管理器件,以及高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理解決方案。
這時,與ADI這樣具有豐富產(chǎn)品組合、能夠提供一站式解決方案的技術(shù)廠商合作,其價值就凸顯出來了。由此帶來的便利性和可擴展性,能夠讓工業(yè)4.0的理念深入到未來制造業(yè)的每一根“毛細血管”,讓制造業(yè)的“肌體”更為健壯和有力。
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