與人體會(huì )生老病死一樣，世間萬(wàn)物都有其運行規律。在工業(yè)領(lǐng)域，設備一樣面臨“生老病死”的命運，其運行規律和健康狀況與工業(yè)效率與安全息息相關(guān)，生產(chǎn)設備的健康必須得到有效的監測和維護，而過(guò)去的設備健康狀態(tài)監測需要依靠工作人員通過(guò)對設備運行振動(dòng)、聲音和產(chǎn)品質(zhì)量的觀(guān)察進(jìn)行判斷。與中醫對脈象的判斷通常需要幾十年的經(jīng)驗積累類(lèi)似，這在以前是只有少數具備數十年機器振動(dòng)、聲音觀(guān)察分析經(jīng)驗的一線(xiàn)專(zhuān)業(yè)人員才能駕馭的檢測工作。

 

 

任何深諳設備維護必要性的人都知道，設備發(fā)出的聲音和振動(dòng)有多重要。通過(guò)聲音和振動(dòng)進(jìn)行適當的設備健康監測，可以將維護成本降低一半，使用壽命大大延長(cháng)。很明顯，這類(lèi)監測方法需要進(jìn)行狀態(tài)信息的傳感拾取、以及微弱傳感信號的變換和數字化采集，以及數字化信息的分析解讀，因此這對于擅長(cháng)模擬信號信號鏈和數字化采集分析的ADI公司來(lái)說(shuō)，是一個(gè)必須抓住也必然可以抓住的商業(yè)應用領(lǐng)域，ADI團隊在過(guò)去20年里一直致力于理解人類(lèi)是如何解讀聲音和振動(dòng)的，其目標是建立一個(gè)系統，能夠學(xué)習來(lái)自設備的聲音和振動(dòng)，破譯它們的含義，以檢測異常行為并進(jìn)行診斷。

 

設備是否健康？“把脈”一下就知道

 

中醫的把脈又稱(chēng)為切脈，是中醫師用手按病人的動(dòng)脈，根據脈象，以了解疾病內在變化的診斷方法。把脈是由動(dòng)脈搏動(dòng)的顯現部位（深、淺）、速率（快、慢）、強度（有力、無(wú)力）、節律（整齊與否、有無(wú)歇止）和形態(tài)等方面組成的。脈象是中醫辨證的一個(gè)重要依據，對分辨疾病的原因、推斷疾病的變化、識別病情的真假，以及判斷疾病的預后等，都具有重要的臨床意義。

 

在早期的機械加工生產(chǎn)中，有經(jīng)驗的操作人員往往憑直觀(guān)感覺(jué)來(lái)判斷刀具是否已經(jīng)磨鈍：當工件加工表面粗糙度開(kāi)始增大，切屑的形狀和顏色發(fā)生變化，工件表面出現擠亮的帶，切削過(guò)程產(chǎn)生振動(dòng)或刺耳噪聲等，都標志著(zhù)刀具已經(jīng)磨鈍。

 

后來(lái)，陸續出現手持式振動(dòng)檢查設備，不需要操作者具備豐富經(jīng)驗即可對設備的振動(dòng)進(jìn)行分析判斷。然而，此類(lèi)設備的一個(gè)主要局限是測量結果不可重復，探頭位置或角度稍有改變，就會(huì )產(chǎn)生不一致的振動(dòng)剖面，從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較。因此，維護技術(shù)人員首先需要弄清所觀(guān)察到的振動(dòng)偏移是由機器內部的實(shí)際變化所致，還是僅僅因為測量技術(shù)的變化所致。

 

理想情況下，這樣的監測傳感器應當結構緊湊并且充分集成，能夠直接永久性地嵌入目標設備內部，從而消除測量位置偏移問(wèn)題，并且可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行監測。例如具有先進(jìn)的系統級功能并可用于嵌入式應用的ADXL100x系列加速度計，以及具備低噪聲等級特性（噪聲低至20 μg/√Hz，帶寬為1500 Hz）、在更嚴格的帶寬范圍內觀(guān)察發(fā)現的ADXL35x系列產(chǎn)品。

 

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)的處理電子設備。為了簡(jiǎn)化設計，ADI公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021型號實(shí)施三軸測量。這款產(chǎn)品包括三個(gè)基于A(yíng)DXL1002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 (23.7 mm × 26.7 mm × 12mm) 內，可以即時(shí)安裝在旋轉機器上，具有僅 25 μg/√Hz的極 低噪聲水平和10 kHz帶寬，這些特點(diǎn)使其能夠在大量應用中捕捉振動(dòng)特征。

 

 

這類(lèi)監測模塊除了為預測性維護構建模型之外，與人工智能和云訪(fǎng)問(wèn)結合還開(kāi)啟了通向諸多可能性的大門(mén)。例如，將振動(dòng)測量數據與來(lái)自其他傳感器的數據（壓力、溫度、旋轉、功率等）相關(guān)聯(lián)，可以推斷出關(guān)于系統狀態(tài)的許多信息，不僅可用于檢測機械故障，還能夠處理諸如空輸送帶、內部沒(méi)有流液的泵、不含膏體的攪拌器等。

 

設備健康監測創(chuàng )新，對設備健康“聽(tīng)診”分析

 

人類(lèi)對聲音具有天然的敏感性，通過(guò)了解設備發(fā)出的正常聲音，當聲音出現變化時(shí)，就可以確認出現異常。傳統上，我們依靠經(jīng)驗豐富的技工人員和工程師帶來(lái)人工成本和獨特人才資源的壓力。聲音拾取和智能分析能力與技術(shù)日漸成熟的今天，通過(guò)電子系統來(lái)實(shí)現已經(jīng)變得可行。ADI的OtoSense的體系結構就是這樣一種設備健康監測系統，通過(guò)對設備運行中的噪聲采集、處理和分析，支持基于計算機聽(tīng)覺(jué)理解設備行為，實(shí)現無(wú)接觸的性能檢測和分析。

 

 

OtoSense的系統設計理念就從人類(lèi)神經(jīng)學(xué)中獲得靈感，它是一名研究失聰兒童和患有精神疾病兒童的語(yǔ)言病理學(xué)家（上圖為OtoSense系統的創(chuàng )建者、ADI公司OtoSense產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團隊負責人Sebastien Christian）的杰作，并在2019年被ADI成功并購。傳感解譯技術(shù)依賴(lài)于傳感數據，而ADI在這方面顯然更勝一籌。傳感模式經(jīng)信號鏈轉換為數字模式以及數字處理能力，與先進(jìn)的ADI模擬信號鏈和數字信號處理技術(shù)整合，這樣一來(lái)OtoSense的優(yōu)勢不僅僅是算法，還在于能夠通過(guò)信號鏈接收高度準確可靠的信號。

 

OtoSense系統是一種致力于傳感解譯的人工智能，它能夠使用數據進(jìn)行學(xué)習，并與人類(lèi)交互，以實(shí)現在邊緣、實(shí)時(shí)、離線(xiàn)檢測異常事件。其可用于機器監控、簡(jiǎn)化專(zhuān)業(yè)維護人員的工作，以及避免人們接近即將出現重大故障的機器，大大降低了工業(yè)環(huán)境運行風(fēng)險。

 

本文總結

 

中醫將人體作為一個(gè)復雜的系統，認為各種疾病能在脈象、舌苔等身體特征中表現出不同的差異，對于工業(yè)設備的安全監測應用來(lái)說(shuō)何嘗不是呢？設備的機械特征變化也會(huì )在振動(dòng)、噪聲特征中必然有反應。有意思的是，ADI的OtoSense技術(shù)就已在醫療保健應用中進(jìn)行了成功測試，實(shí)現對慢性阻塞性肺病患者的咳嗽監測、睡眠呼吸暫停檢測、胸聲監測、老年人身體監測，等等。OtoSense高級預測性維護系統、基于MEMS的振動(dòng)監測系統將越來(lái)越多的應用到工業(yè)設備預測維護中，以及在汽車(chē)、樓宇監測等更多領(lǐng)域獲得廣泛拓展。

 

 

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