【導(dǎo)讀】工業(yè)4.0的到來，正在改變制造業(yè)的游戲規(guī)則。基于大數(shù)據(jù)的洞察，將使得整個(gè)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(shí)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(hù)。
制造業(yè)中傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)通常包括糾正性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)兩種方式，前者是指在設(shè)備發(fā)生故障之后進(jìn)行被動(dòng)地干預(yù)，后者一般則是按照預(yù)定好的周期或條件進(jìn)行主動(dòng)的維護(hù)。這兩種方式顯然都不是設(shè)備維護(hù)的最優(yōu)解——前者往往要承擔(dān)計(jì)劃外停機(jī)的巨大損失（計(jì)劃外停機(jī)的成本會(huì)占到總制造成本的近四分之一），而后者則不可避免地會(huì)在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好地情況下實(shí)施不必要的干預(yù)，進(jìn)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(shí)時(shí)地了解設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，有的放矢地進(jìn)行“恰到好處”的維護(hù)，這當(dāng)然是更理想的解決方案。這種針對(duì)機(jī)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(hù)方法就是“預(yù)測(cè)性維護(hù)”。
顯而易見，在預(yù)測(cè)性維護(hù)的框架內(nèi)，只有在機(jī)器設(shè)備出現(xiàn)某些早期預(yù)警癥狀時(shí)，才需要操作者進(jìn)行干預(yù)。與傳統(tǒng)的維護(hù)方式相比，其在減少設(shè)備停機(jī)、降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)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(yù)測(cè)性維護(hù)與傳統(tǒng)維護(hù)方式的成本分析
（圖源：ADI）
針對(duì)電機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)
由于電機(jī)等具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)器設(shè)備是制造業(yè)中的主力，因此針對(duì)電機(jī)的CbM或者預(yù)測(cè)性維護(hù)自然也就成了一個(gè)重點(diǎn)課題。這也是當(dāng)今不少頭部技術(shù)供應(yīng)商（如Analog Devices，ADI）追逐的熱點(diǎn)。
在判斷電機(jī)的工作狀態(tài)是否“健康”時(shí)，需要很多數(shù)據(jù)的支持，比如壓力、振動(dòng)、噪聲、溫度等等，其中在可測(cè)量的物理量中，振動(dòng)是一個(gè)尤為關(guān)鍵的參數(shù)，這是因?yàn)楹芏喙收显缙诘陌Y狀——如滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度松動(dòng)等——都會(huì)表現(xiàn)為異常的振動(dòng)，并且在測(cè)量頻譜時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出各自不同的特征，由此就可以基于振動(dòng)數(shù)據(jù)做出“診斷”，決定是否需要進(jìn)行維護(hù)，以及進(jìn)行哪種類型的維護(hù)。
比如在滾珠軸承發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)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(huì)發(fā)生撞擊，引起振動(dòng)，甚至導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸輕微移位，這種撞擊有時(shí)會(huì)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(huì)不斷增加，當(dāng)我們通過加速度傳感器捕捉到這些振動(dòng)信號(hào)之后，就可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)。
圖2：不同電機(jī)的故障類型對(duì)應(yīng)著不同的振動(dòng)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(jī)異常振動(dòng)，建立起一個(gè)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(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案，并讓其承擔(dān)起電機(jī)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(jī)CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案架構(gòu)
（圖源：ADI）
選擇合適的加速度計(jì)
從圖3中我們可以看到，一個(gè)完整電機(jī)CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)方案的設(shè)計(jì)，需要在多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)決策，而其中作為整個(gè)方案的“起點(diǎn)”，就是要選擇能夠準(zhǔn)確捕捉到振動(dòng)信號(hào)的加速度傳感器。這種測(cè)量振動(dòng)的加速度傳感器，需要裝配在被監(jiān)測(cè)對(duì)象的附近，而且?guī)?、可靠性、尺寸、功耗、成本等都是在選型時(shí)需要綜合考量的要素。
以往CbM中振動(dòng)測(cè)量比較常用的是壓電加速度計(jì)，因?yàn)檫@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(dá)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(dòng)的信號(hào)。同時(shí)，壓電加速度計(jì)具有良好的線性度、SNR，以及高溫工作性能，這都是工業(yè)應(yīng)用中十分看重的特性。不過，壓電加速度計(jì)在DC范圍下的性能欠佳，因此對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)這種低轉(zhuǎn)速的低頻應(yīng)用不太適合，而且其成本也偏高，會(huì)影響應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。
相較而言，MEMS電容式加速度計(jì)近年來在電機(jī)CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)中則表現(xiàn)出更強(qiáng)的發(fā)展勢(shì)頭。MEMS電容式加速度計(jì)具有DC響應(yīng)特性，以及很強(qiáng)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(shì)。
更重要的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計(jì)的問題，也得到了極大的改善?？梢韵胍?，MEMS電容式加速度計(jì)的發(fā)展正在拉低CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)的“門檻”，使得這一技術(shù)能夠滲透到電機(jī)應(yīng)用的更多場(chǎng)景。
圖4：兩種用于電機(jī)振動(dòng)測(cè)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(jì)中綜合表現(xiàn)非常搶眼的產(chǎn)品。這個(gè)系列的單軸加速度計(jì)，測(cè)量帶寬高達(dá)50kHz，其頻率響應(yīng)可以覆蓋旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常見的主要故障，包括套筒軸承損壞、對(duì)準(zhǔn)誤差、不平衡、摩擦、松動(dòng)、傳動(dòng)裝置故障、軸承磨損和空化等等。
圖5：ADXL100x系列MEMS加速度計(jì)
（圖源：ADI）
ADXL100x MEMS加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)高分辨率振動(dòng)測(cè)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(fù)的靈敏度，并可承受高達(dá)10,000g的外部沖擊。
圖6：ADXL1001/ADXL1002可支持>5kHz的高頻振動(dòng)響應(yīng)（圖源：ADI）
值得一提的是，ADXL100x系列MEMS加速度計(jì)還提供了一個(gè)通常壓電加速度計(jì)不具備的特性，即集成了諸多智能特性，如超量程檢測(cè)電路——當(dāng)發(fā)生超過指定g值范圍約2倍的嚴(yán)重超量程事件時(shí)，該電路會(huì)報(bào)警；同時(shí)ADXL100x可基于某種內(nèi)部時(shí)鐘智能禁用機(jī)制在持續(xù)發(fā)生超量程事件時(shí)保護(hù)傳感器元件，這種方式可以減輕主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)，并能增加傳感器節(jié)點(diǎn)的智能化程度。
此外，ADXL100x系列MEMS加速度計(jì)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(yīng)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(jì)產(chǎn)品
（圖源：ADI）
打造高性能的信號(hào)鏈
當(dāng)然，MEMS加速度計(jì)性能再突出，其在整個(gè)電機(jī)CbM的信號(hào)和數(shù)據(jù)鏈處理中，也只是邁出了第一步。想要打造一個(gè)高性能的電機(jī)CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)方案，需要一個(gè)完整的系統(tǒng)做支撐。其中主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：
檢測(cè)模塊
主要是基于MEMS加速度計(jì)的振動(dòng)和沖擊檢測(cè)單元，提供高精度的測(cè)量。有時(shí)還需要集成溫度傳感等其他感測(cè)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(dòng)、沖擊、溫度、聲學(xué)、壓力、電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而轉(zhuǎn)化為有價(jià)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(yīng)用中可靠運(yùn)行。
數(shù)據(jù)處理
超低功耗MCU或其他主控器件可以對(duì)工業(yè)邊緣節(jié)點(diǎn)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(jī)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(qiáng)大計(jì)算資源基礎(chǔ)上的人工智能（AI），可以檢測(cè)和解譯聲音、振動(dòng)、壓力、電流或溫度等數(shù)據(jù)，以實(shí)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(xué)習(xí)和升級(jí)。
圖8：電機(jī)CbM和預(yù)測(cè)性維護(hù)方案系統(tǒng)架構(gòu)
（圖源：ADI）
在這樣一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)鏈中，想要確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，就需要為各個(gè)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(hào)調(diào)理，就要在放大器、ADC、基準(zhǔn)電壓源等模擬器件的選型上花一番心思（如圖8）。
在運(yùn)算放大器的選型上，ADI的LT6015 Over-The-Top? 精密運(yùn)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(yùn)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(gè)放大器僅吸收315μA電流。它們具有反向電池保護(hù)功能，在高達(dá)50V的反向電源電壓下。其吸收電流非常小。
LT6015能驅(qū)動(dòng)高達(dá)25mA的負(fù)載，并可在使用200pF的容性負(fù)載時(shí)保持穩(wěn)定的單位增益。該放大器的Over-The-Top? 輸入級(jí)可在嚴(yán)酷環(huán)境中提供額外的保護(hù)。其輸入共模范圍從V-擴(kuò)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(fù)責(zé)保護(hù)輸入免遭低于負(fù)電源25V的瞬變故障的損壞。
圖9：LT6015 Over-The-Top精密運(yùn)算放大器
（圖源：ADI）
在高精度、低功耗基準(zhǔn)電壓源的選型上，ADR45xx基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)不錯(cuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高精度，ADR45xx基準(zhǔn)電壓源同時(shí)提供出色的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。該款基準(zhǔn)電壓源具有低熱致輸出電壓遲滯和低長(zhǎng)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(shí)，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(yīng)用。
圖10：ADR45xx基準(zhǔn)電壓源
（圖源：ADI）
當(dāng)然，ADI為實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集所提供的產(chǎn)品遠(yuǎn)不止上述兩款，而是包括一整套CbM信號(hào)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(fù)的開發(fā)工作。
本文小結(jié)
隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，以基于CbM的預(yù)測(cè)性維護(hù)替代傳統(tǒng)的電機(jī)維護(hù)方式，已經(jīng)成為大家普遍的共識(shí)。而想要打造這樣一套能夠?qū)崟r(shí)感知電機(jī)健康狀態(tài)，按需進(jìn)行維護(hù)工作的系統(tǒng)，需要圍繞整個(gè)信號(hào)鏈和數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建一個(gè)整體的解決方案。其中不僅需要高性價(jià)比的傳感器，也需要高精度的信號(hào)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(shí)，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(jià)值就凸顯出來了。由此帶來的便利性和可擴(kuò)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(xì)血管”，讓制造業(yè)的“肌體”更為健壯和有力。
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