【導讀】古語(yǔ)云“上醫治未病，下醫治已病”，近年來(lái)隨著(zhù)智能可穿戴設備的普及以及健康保健意識的增強，預防性健康管理越來(lái)越被公眾所重視，“治未病”理念已深入人心。設備如人，傳統運維是“反應式”的發(fā)現故障再進(jìn)行處理，如今同樣需要“治未病”的預測性維護（PdM），在故障發(fā)生前做出預警和判斷，避免安全隱患，減少停機時(shí)間。
根據IOT Analytics數據顯示，2021年全球預測性維護市場(chǎng)規模為69億美元，2026年則有望達到282億美元?！芭畈l(fā)展之下，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署落地的應用樣板工程，預測性維護有望成為IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）殺手級應用之一，特別是傳感器技術(shù)與人工智能算法的賦能，使其實(shí)用性大大增強，預測準確度也大幅提升，ADI智能電機傳感器解決方案（Smart Motor Senor, SMS）便是典型的預測性維護產(chǎn)品設計?！?nbsp;
ADI SMS產(chǎn)品線(xiàn)應用工程師霍斌博士近日在接受采訪(fǎng)時(shí)表示。
為“治未病”開(kāi)良方，如何精準“把脈”電機健康？
工業(yè)制造設備正變得更高效與智能，但設備本身的維護工作卻仍存巨大挑戰，國際自動(dòng)化學(xué)會(huì )ISA曾有數據顯示，全球制造商每年因設備故障停機遭受的損失高達6470億美元。電機被譽(yù)為“工業(yè)之母”，是現代工業(yè)動(dòng)力來(lái)源主要的核心之一，因此針對電機的預測性維護是行業(yè)的重要課題，也是包括ADI在內的諸多頭部技術(shù)供應商聚焦的熱點(diǎn)技術(shù)。要實(shí)現預測性維護的廣泛落地，這需要解決準確預測與有效診斷兩大核心問(wèn)題，而高精度實(shí)時(shí)數據采集硬件方案、先進(jìn)的設備數字化模型與診斷算法都是剛需，傳感技術(shù)的進(jìn)步以及人工智能技術(shù)的引入加快發(fā)展進(jìn)程。
“基于狀態(tài)的設備監測，特別是實(shí)現數據診斷或可預測算法，跟設備本身有很大關(guān)系，不同電機的失效模式，與模型的數據匹配方法完全不一樣?！被舯笈e例說(shuō)，“在工業(yè)電機中，軸承損壞是使用過(guò)程中的常見(jiàn)故障，在檢測此類(lèi)故障時(shí)多采用振動(dòng)和聲音傳感器，而轉子、繞組等方面的故障則多通過(guò)電流變壓器在電機供電時(shí)進(jìn)行檢測?！?/p>
因此，在“把脈”電機工作狀態(tài)是否健康時(shí)，需要大量有效數據的支持，如壓力、振動(dòng)、噪聲、溫度等。根據現有的研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，振動(dòng)+溫度檢測的模式是能有效檢測電機設備異常的高性?xún)r(jià)比方案，故障檢測準確率也非常高，ADI推出的智能電機傳感器解決方案便是專(zhuān)為三相鼠籠異步式電機設計，基于A(yíng)I的高性能預測性維護平臺。
據霍斌介紹，僅需4顆可更換的1.5V AA鋰電池供電，SMS器件內部集成了ADI高性能傳感器、精密轉換器和信號鏈，能捕獲電機的振動(dòng)、溫度、速度和磁通量等各種參數，在早期就能檢測出電機異常狀況，并通過(guò)Wi-Fi連接將這些數據安全地發(fā)送到后端云進(jìn)行處理。云上運行并集成到Web應用中的人工智能引擎分析數據并監控電機的運行狀況，使客戶(hù)可以在手機移動(dòng)應用程序或PC端網(wǎng)絡(luò )儀表板上實(shí)現7x24小時(shí)電機狀況監控?；舯髲娬{說(shuō)：“SMS結合了ADI軟件、硬件和電機領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識，為電機的預測性維護創(chuàng )建一種安全的可擴展產(chǎn)品，其設置安裝簡(jiǎn)便、隨時(shí)隨地無(wú)需聯(lián)線(xiàn)和停機，適用于室內外各種嚴酷的工業(yè)環(huán)境?！?/p>
電機的端到端預測性維護解決方案示意圖
從傳感器到云端AI，ADI打造高性能預測性維護方案標桿
ADI智能電機傳感器解決方案主要由固定于電機散熱片上的數據采集及通訊硬件、基于云端的軟件與算法以及客戶(hù)端的應用程序構成，通過(guò)與Android或iOS移動(dòng)應用一起使用，可輕松設置傳感器，提供對部署數據的可見(jiàn)性，其突出優(yōu)勢除了能對電機的開(kāi)關(guān)機次數、運行時(shí)間、轉速、電流、輸出力矩/功率等運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測外，還能診斷出行業(yè)最多的9種電機異常，讓設備運維變得更智能更方便。
ADI SMS解決方案能夠檢測以下9個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題如下：
（1）供電異常：三相電源故障（三相電流不平衡），或者三相電缺相。
（2）定子異常：電機單相內部短路，線(xiàn)圈之間出現絕緣問(wèn)題，增加電流并產(chǎn)生三相不平衡。
（3）轉子異常：轉子損壞，轉子材料結構上缺陷。
（4）機軸不平衡：質(zhì)量分布不均，導致負載偏離旋轉中心；轉子彎曲。
（5）定轉子對稱(chēng)：動(dòng)態(tài)時(shí)可能是由于軸彎曲引起轉子與定子之間的間隙變化；不正確的安裝軸承，導致電機內部出現對中問(wèn)題，引起轉子與定子之間的間隙變化。
（6）軸承異常：機械應力或者污染會(huì )導致軸承中出現細小裂紋或者缺陷，從而產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。
（7）軸心偏移：當兩個(gè)旋轉軸（電機和負載）未對齊、外部未對中時(shí)，導致電機軸心偏移。
（8）散熱異常：適用于使用外部風(fēng)扇冷卻的電機，可以確定風(fēng)扇連接到軸或外部連接到電機的問(wèn)題。
（9）固定異常：當電機底座或與電機底座的連接不牢固時(shí)，就會(huì )出現結構松動(dòng)，這種不良連接會(huì )導致過(guò)度振動(dòng)。
“我們對故障的嚴重程度也進(jìn)行了定義，即設備健康指數是從0到10的區間參數，包含正常工作、故障警告、嚴重故障狀態(tài)三類(lèi)范圍，針對不同的嚴重程度給客戶(hù)提示準確的改善措施?！被舯笈e例說(shuō)明，“針對軸承異常，SMS系統會(huì )根據電機不同的震動(dòng)特性，判斷是由機械磨損還是缺少潤滑油等引起的，再反饋客戶(hù)需要更換軸承或添加潤滑油等相應的改善措施，使客戶(hù)對設備的維護和備件需求有更準確的預見(jiàn)性?！?/p>
解決方案的高性能表現離不開(kāi)軟硬件產(chǎn)品的賦能，SMS的硬件部分嵌入了5個(gè)傳感器，包括兩個(gè)振動(dòng)傳感器ADXL1002、兩個(gè)溫度傳感器ADT7420以及ADI定制的磁傳感器——ADXL1002具有超低噪聲，支持高寬帶運行，在相位響應、耐沖擊性和恢復性上具有卓越性能；兩個(gè)溫度傳感器分別用于檢測環(huán)境與電機表面的溫度差異；ADI定制的磁傳感器則通過(guò)檢測電機轉子轉動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)場(chǎng)強，能間接計算出電機的部分電流信號?！半姍C的振動(dòng)與溫度檢測可能相對而言比較常規，但加上ADI特色的磁傳感器后，便把機械信號、溫度信號與電信號等合為一體，實(shí)現了多傳感器的數據融合?！被舯蟊硎具@是SMS方案頗具特色的一點(diǎn)，而傳感器采集的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸至云端是SMS的另一大優(yōu)勢，有效避免了布局有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的局限性，能在工業(yè)現場(chǎng)快速靈活的安裝部署。
另一方面，SMS作為可預測設備維護系統，能為客戶(hù)提供的最大好處是可靠的狀態(tài)數據監測并反饋基于診斷結果的維護建議，而這主要得益于監測電機運行狀況與SMS云端AI引擎數據分析的準確性。提及此霍斌自信說(shuō)到：“我們的算法工程師本身便是電機專(zhuān)家，因此他們對電機的系統結構、驅動(dòng)原理及電機故障的外在表現都有深刻的理解，此外在算法開(kāi)發(fā)時(shí)，ADI實(shí)驗室也針對不同型號不同功率的電機進(jìn)行了大量測試，豐富的數據積累也是支撐云端AI平臺故障診斷有效性的重要保障?！?/p>
事實(shí)上，強大的AI算法優(yōu)勢遠不止于此，例如霍斌還談到競爭對手類(lèi)似方案在部署時(shí)，通常需要根據現場(chǎng)工程師的經(jīng)驗與測試，手動(dòng)設置電機相關(guān)閥值，運行過(guò)程中如果負荷發(fā)生變化等，閥值還要進(jìn)行人工修改，造成諸多不便的同時(shí)對相關(guān)人員的水平要求也非常高，而ADI SMS解決方案則能充分利用AI算法，安裝時(shí)無(wú)需手動(dòng)設置閥值而是由系統自動(dòng)計算并能根據設備工作條件的變化動(dòng)態(tài)調整，降低操作人員門(mén)檻。
洞悉行業(yè)精準“病理”，加速多模式場(chǎng)景應用生態(tài)圈落地
眾所周知，由于結構簡(jiǎn)單、易于維修、使用壽命長(cháng)，三相鼠籠式異步式電機是應用最為廣泛的電機之一，而針對該類(lèi)電機預測性維護開(kāi)發(fā)的ADI SMS解決方案同樣因安裝便捷、診斷準確等優(yōu)勢，在全球范圍內的工業(yè)連續性生產(chǎn)以及與民生相關(guān)的公共基礎設施領(lǐng)域批量部署，如生產(chǎn)線(xiàn)傳送帶驅動(dòng)、水站水泵驅動(dòng)、車(chē)間通風(fēng)扇驅動(dòng)、壓縮機驅動(dòng)、液壓油控制泵或閉路制冷泵驅動(dòng)等。
據此霍斌指出盡管ADI利用在電機方面的深厚知識已創(chuàng )建最優(yōu)的電機初始模型，但不同應用場(chǎng)景下每臺電機的運行環(huán)境與維護操作都是不可一概而論的。在電機上安裝傳感器模塊后，SMS會(huì )為所連接的電機創(chuàng )建獨特的數字孿生，將該電機的實(shí)際數據與完全相同工況下運行的數字孿生進(jìn)行比較，如果存在顯著(zhù)差異，SMS系統還會(huì )分析這種差異以確定造成不一致的可能原因?；舯蟊硎具@同樣是ADI SMS方案的獨特優(yōu)勢，無(wú)論應用于何種行業(yè)，SMS系統在安裝部署后通過(guò)一周左右的時(shí)間自主學(xué)習，都可以適應設備的運行環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)行準確的狀態(tài)監測。
在實(shí)際部署時(shí)，霍斌也提到不同行業(yè)、不同類(lèi)型的客戶(hù)亦有不同訴求。例如部分客戶(hù)會(huì )設計自己的預測性維護產(chǎn)品，ADI可提供門(mén)類(lèi)齊全的芯片級別產(chǎn)品支持，除了MEMS加速度計之外還包括了ADC/DAC、放大器、數字隔離器、電源管理器件等高性能器件，能為客戶(hù)實(shí)現系統的差異化設計帶去價(jià)值。
而針對另一些客戶(hù)，設備狀態(tài)監測可能只是其系統方案的功能之一，例如會(huì )與資產(chǎn)管理、生產(chǎn)運維、效率分析等模塊整合于更大的軟硬件框架之下。ADI SMS可充當獨立的功能模塊，因為其有標準的瀏覽模式與開(kāi)發(fā)者模式供客戶(hù)自由選擇，開(kāi)發(fā)者模式下允許通過(guò)調用API接口的方式獲取各類(lèi)數據，包括電機的原始采樣值，以支持客戶(hù)做二次開(kāi)發(fā)與系統集成等?；舯笈e例道：“聯(lián)橋網(wǎng)云是一家為傳統產(chǎn)業(yè)鏈旋轉設備提供實(shí)時(shí)監測的系統集成商，在其旋轉無(wú)憂(yōu)?分布式應用云平臺中便集成了ADI SMS解決方案，結合聯(lián)橋網(wǎng)云專(zhuān)家系統形成互補，在設備監測、機構人員管理、故障遠程診斷等場(chǎng)景下，為水務(wù)行業(yè)客戶(hù)提供平臺和專(zhuān)家服務(wù)?！?/p>
工業(yè)領(lǐng)域電機存量市場(chǎng)數量巨大，未來(lái)隨著(zhù)產(chǎn)線(xiàn)智能化升級持續推進(jìn)，預測性維護的價(jià)值將進(jìn)一步得到重視和發(fā)揮?！癆DI長(cháng)期深耕設備狀態(tài)監測與智能運維，如今推出高性能硬件、人工智能算法與軟件以及模塊化應用為一體的智能電機傳感器SMS解決方案，能有效助力客戶(hù)實(shí)現運維的降本增效?！被舯罂偨Y并展望道，“ADI致力成為合作伙伴的可靠盟友，也希望與更多合作伙伴攜手促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化的可持續性發(fā)展，讓傳統制造業(yè)迸發(fā)數字化新動(dòng)能?！?。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
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