【導讀】預測性維護是一種使用數據分析技術(shù)來(lái)預測機器或設備何時(shí)可能發(fā)生故障的維護策略。這種方法有助于減少計劃外停機時(shí)間，盡可能降低維護成本，并提高設備的整體效率。
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預測性維護下的物聯(lián)網(wǎng)
預測性維護是一種使用數據分析技術(shù)來(lái)預測機器或設備何時(shí)可能發(fā)生故障的維護策略。這種方法有助于減少計劃外停機時(shí)間，盡可能降低維護成本，并提高設備的整體效率。
物聯(lián)網(wǎng)是指能夠相互收集和交換數據的互聯(lián)設備網(wǎng)絡(luò )。物聯(lián)網(wǎng)設備包括傳感器、可穿戴設備和其他嵌入技術(shù)的智能設備，這些設備可以連接到互聯(lián)網(wǎng)并傳輸數據。在預測性維護的背景下，物聯(lián)網(wǎng)設備可用于從機器和設備收集實(shí)時(shí)數據，然后預測何時(shí)需要維護。通過(guò)將預測性維護與物聯(lián)網(wǎng)相結合，企業(yè)能夠顯著(zhù)提高維護效率，降低停機風(fēng)險。
01 為何要做預測性維護？
維護是一個(gè)保存或延長(cháng)設備壽命的過(guò)程。顧名思義，預測性維護主要用來(lái)預測未來(lái)的維護事件，它是一種積極主動(dòng)的維護方法，包括使用數據分析技術(shù)來(lái)預測設備何時(shí)可能發(fā)生故障，并相應地安排維護活動(dòng)。這種方法可以大幅提高設備的可靠性，通過(guò)延長(cháng)資產(chǎn)壽命來(lái)幫助企業(yè)節約運營(yíng)成本。
預測性維護在現代工業(yè)中具有極其重要的作用。無(wú)論是在工業(yè)建筑、智能家居還是汽車(chē)中，這些系統都融合了大量用來(lái)收集數據的傳感器。在工業(yè)系統發(fā)生故障或錯誤運行之前，從不同傳感器收集的信息有助于預先識別這些錯誤并采取必要的措施來(lái)糾正潛在的異常。預測性維護在現代工業(yè)中的重要性主要體現在以下幾個(gè)方面：
減少停機時(shí)間
通過(guò)預測設備可能發(fā)生故障的時(shí)間，企業(yè)可以在計劃的停機時(shí)間安排維護活動(dòng)，極大限度地減少設備故障對生產(chǎn)的影響。
提高設備可靠性
預測性維護可以幫助企業(yè)在問(wèn)題成為重大問(wèn)題之前被識別并加以解決，避免造成更大的損失。
提高安全性
定期維護有助于確保設備安全有效的運行，降低因事故帶來(lái)?yè)p傷的風(fēng)險。
有助于降低成本
預測性維護可以通過(guò)減少緊急維修需求、降低維護成本和延長(cháng)資產(chǎn)壽命來(lái)幫助企業(yè)節省資金。
提高運營(yíng)效率
通過(guò)優(yōu)化維護計劃，企業(yè)減少了維護活動(dòng)所需的時(shí)間和資源，使其更加專(zhuān)注于業(yè)務(wù)的其他領(lǐng)域。
綜上，我們可以得出這樣的結論：預測性維護通過(guò)提高設備的正常運行時(shí)間，大幅提升了企業(yè)的盈利能力。
根據普華永道的一份報告，就平均數據而言，工廠(chǎng)的預測性維護可能將成本降低12%，將正常運行時(shí)間提高9%，將安全、健康、環(huán)境和質(zhì)量風(fēng)險降低14%，將老化資產(chǎn)的使用壽命延長(cháng)20%。
02 物聯(lián)網(wǎng)與預測性維護協(xié)同作用
在過(guò)去的幾年里，企業(yè)擁有的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備數量越來(lái)越多，這些設備可以幫助他們建立更加高效的工作流程，車(chē)間的智能化和自動(dòng)化程序隨之增強。物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現預測性維護方面同樣發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
首先，嵌入機器和設備中的物聯(lián)網(wǎng)設備可以用來(lái)收集溫度、振動(dòng)、壓力等實(shí)時(shí)數據。
其次，有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)連接解決方案提供了足夠的帶寬來(lái)處理大量數據，允許在邊緣或云中構建完整的模型。
再有，預測性維護系統通過(guò)使用機器學(xué)習算法和預測模型對這些數據進(jìn)行分析，識別并指示即將發(fā)生的設備故障或異常運營(yíng)模式。
物聯(lián)網(wǎng)和預測性維護之間的協(xié)同有可能徹底改變各個(gè)行業(yè)的維護實(shí)踐。除了上述列舉的五大預測性維護帶來(lái)的好處，物聯(lián)網(wǎng)預防性維護還將讓企業(yè)在運營(yíng)中獲得以下優(yōu)勢：
實(shí)時(shí)監控
物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以持續監測設備，并收集各種參數的數據，如溫度、振動(dòng)、壓力等。這種實(shí)時(shí)監測允許早期檢測異?；蚱x正常操作情況的出現。
數據驅動(dòng)的決策
改進(jìn)的安全和風(fēng)險管理是物聯(lián)網(wǎng)預測性維護的一大優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)設備收集的大量數據可以使用先進(jìn)的分析技術(shù)進(jìn)行處理和分析。通過(guò)將機器學(xué)習算法應用于這些數據，可以識別模式、趨勢和潛在的故障特征，使得維護團隊能夠做出數據驅動(dòng)的決策，并有效地確定維護活動(dòng)的優(yōu)先級。
遠程監控和診斷
物聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)了設備的遠程監控，使維護團隊能夠從中心位置監控和診斷問(wèn)題。這種能力對于地理位置分散的資產(chǎn)或無(wú)法進(jìn)入的地點(diǎn)特別有價(jià)值，因為它減少了實(shí)物檢查的需要，提高了響應速度。
更好的安全性
通過(guò)分析長(cháng)時(shí)間內的數據，企業(yè)可以創(chuàng )建一個(gè)潛在的危險條件列表，并估計其對日常操作的影響。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護有助于企業(yè)在可能的安全風(fēng)險開(kāi)始影響生產(chǎn)之前就能預測并解決它們，將安全風(fēng)險始終置于可控范圍之內。
根據管理咨詢(xún)公司麥肯錫的數據，基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護可以將工廠(chǎng)設備的成本降低40%，同時(shí)將停機時(shí)間減少50%。此外，還有機會(huì )通過(guò)延長(cháng)現有工業(yè)資產(chǎn)的使用壽命，將資本投資減少5%。
到2025年，預計這些節約下來(lái)的這些資金每年可能達到驚人的6,300億美元。這也是為什么有大量的制造商越來(lái)越接受工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)支持的預測性維護，并將其作為提升業(yè)務(wù)能力的一種手段。
03 物聯(lián)網(wǎng)預測維護中的關(guān)鍵技術(shù)
那么，基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護又是如何工作的呢？在頂層，它是通過(guò)大數據、云計算、邊緣計算、機器學(xué)習和連接性等先進(jìn)技術(shù)的結合而實(shí)現的。在基礎層，我們需要構建一個(gè)面向特定任務(wù)的支持平臺，涉及的產(chǎn)品包括傳感器、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)解決方案以及連接器和無(wú)源組件等。
以下是基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護平臺的五個(gè)重要組成部分：
傳感器
傳感器作為基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護系統的關(guān)鍵組件發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。在基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護系統中，這些傳感器戰略性地被放置在設備的關(guān)鍵部件或區域，以捕獲相關(guān)數據，例如發(fā)動(dòng)機、電機、齒輪、壓縮機、渦輪機等，被感測的信息有溫度、振動(dòng)、濕度、聲音和噪聲水平、旋轉或線(xiàn)速度等，這些數據可以用來(lái)檢測或預測設備的磨損和異常狀況。
在實(shí)際應用中，傳感器還可以集成到現有的基礎設施中，或者作為改裝部件添加。通常，這些傳感器大多是低能耗產(chǎn)品或具有能量收集能力，確保在不干擾設備運行的情況下連續收集數據。傳感器的選擇取決于具體的維護要求和被監控的資產(chǎn)，振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、加速度計、濕度傳感器、接近傳感器和霍爾效應傳感器等都是常用的產(chǎn)品。
Mouser是全球諸多知名傳感器制造商的授權經(jīng)銷(xiāo)商，在其網(wǎng)站上可以找到適用于物聯(lián)網(wǎng)預測維護多種傳感器。
Amphenol Wilcoxon PC420傳感器
圖1：Amphenol Wilcoxon PC420振動(dòng)傳感器（圖源：Mouser）
Amphenol Wilcoxon PC420傳感器就是一款環(huán)路電流為4mA至20mA，可對趨勢振動(dòng)數據進(jìn)行經(jīng)濟高效監測的振動(dòng)傳感器，其中4mA為無(wú)振動(dòng)，20mA為傳感器滿(mǎn)量程振動(dòng)水平。其振動(dòng)數據可與常見(jiàn)的監測參數例如壓力、溫度或流量等結合在一起使用。
PC420傳感器為頂部或側面出口傳感器，溫度探頭集成在傳感器外殼中，可提供安裝位置的溫度數據。這類(lèi)傳感器將其用于空腔檢測或往復式發(fā)動(dòng)機監控，可有效預知電機、冷卻塔、壓縮機以及變速箱的健康狀況。
連接和通信
基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護系統的基本要求之一是可靠和無(wú)縫的連接。除了傳感器，網(wǎng)關(guān)或邊緣設備等物聯(lián)網(wǎng)設備也是預測性維護系統的重要組成部分。這些設備充當傳感器和中央數據處理系統之間的媒介，它們聚合來(lái)自多個(gè)傳感器的數據，在本地執行基本分析或預處理任務(wù)，并將相關(guān)信息傳輸到云或集中式服務(wù)器。
現在的物聯(lián)網(wǎng)設備通常包含邊緣計算功能，可以在網(wǎng)絡(luò )邊緣進(jìn)行數據的實(shí)時(shí)分析和決策，這有助于減少延遲、帶寬使用和對云連接的依賴(lài)，是時(shí)間敏感的預測性維護場(chǎng)景的理想選擇。
根據具體的使用情況和環(huán)境，基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護系統可提供多種連接選項，常用的協(xié)議包括Wi-Fi、藍牙、Zigbee、蜂窩網(wǎng)絡(luò )（如4G、5G）等。
Renesas物聯(lián)網(wǎng)傳感器
圖2：面向工業(yè)預測性維護等多種應用的瑞薩物聯(lián)網(wǎng)傳感器板方框圖
（圖源：Renesas）
Renesas公司的物聯(lián)網(wǎng)傳感器板是用于多功能物聯(lián)網(wǎng)傳感器板解決方案的參考設計，具有機器學(xué)習和藍牙低功耗（BLE）功能，主要面向工業(yè)預測性維護、帶手勢識別功能的智能家居/物聯(lián)網(wǎng)設備、可穿戴設備（活動(dòng)跟蹤）以及人機界面（HMI）或指紋傳感等應用。其中的MCU為32位RA6M3產(chǎn)品，采用120MHz Arm Cortex-M4F內核，并集成TFT控制器、2D加速器和JPEG解碼器。
此外，RA6M3 MCU還包括帶有單獨DMA和USB高速接口的以太網(wǎng)MAC，以確保較高的數據吞吐量。方案中采用的IDT HS300x高性能相對濕度和溫度傳感器，通過(guò)專(zhuān)有的傳感器級別保護提供高可靠性和長(cháng)期穩定性，具有極低功耗和電流消耗。
中央數據存儲系統
數據存儲系統是基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護系統能夠安全運行的關(guān)鍵組成部分，所有設備數據包括傳感器生成數據和其他IT設備的業(yè)務(wù)信息都存儲在該系統中。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備不斷生成大量數據，擁有能夠處理信息涌入的強大且可擴展的存儲解決方案非常重要?；谠频拇鎯ζ脚_是目前使用較多的方案，它能提供靈活且幾乎無(wú)限的存儲容量，且無(wú)需大量的內部基礎設施投資。
預測分析工具和機器學(xué)習算法
實(shí)現基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護有效性的兩個(gè)關(guān)鍵組成部分是預測分析和機器學(xué)習算法。其中，預測分析工具主要用于處理從物聯(lián)網(wǎng)設備收集的大量傳感器數據，包括分析歷史數據、檢測模式以及識別可能表明設備故障或維護需求的潛在異常狀況。
機器學(xué)習算法是物聯(lián)網(wǎng)預測維護系統中預測分析的組成部分，這些算法可以使用歷史數據進(jìn)行訓練以識別模式、相關(guān)性和異常，這些參數將指示未來(lái)故障或維護要求的可能性。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和設備不斷收集新數據，機器學(xué)習算法會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移調整和提高其預測能力，使其能夠做出更準確的預測。
可視化和報告工具
通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器和設備對設備進(jìn)行持續監控，預測性維護系統將生成大量數據，為各種資產(chǎn)的性能和健康狀況提供有價(jià)值的見(jiàn)解?？梢暬蛨蟾婀ぞ呖墒惯@些數據具有可操作性，更直觀(guān)易懂。
在物聯(lián)網(wǎng)預測維護系統中，除了常用的電機控制、電源管理和無(wú)線(xiàn)連接產(chǎn)品，技術(shù)廠(chǎng)商還提供了一系列專(zhuān)門(mén)針對預測性維護應用的解決方案。
STMicroelectronics
STEVAL-BFA001V1B
圖3：STMicroelectronics STEVAL-BFA001V1B
預測性維護工業(yè)參考設計套件
（圖源：Mouser）
STMicroelectronics的STEVAL-BFA001V1B就是一款工業(yè)參考設計套件，其專(zhuān)為狀態(tài)監測（CM）和預測性維護而設計，是具有傳感器和IO鏈路功能的預測性維護套件，該方案基于3D數字加速度計、環(huán)境和聲學(xué)MEMS傳感器，非常適用于監測電機、泵和風(fēng)扇的運行狀況。
其中，硬件開(kāi)發(fā)套件包括一個(gè)工業(yè)傳感器板（STEVAL-IDP005V1）、一個(gè)ST-LINK/V2-1編程和調試工具的適配器（STEVAL-UKI001V1）、一根0.050" 10針扁平電纜、一個(gè)帶公頭觸點(diǎn)的四極電纜安裝連接器插頭和一個(gè)帶2米電纜的M12母頭連接器，使用簡(jiǎn)便。
固件包中包含用于高級時(shí)域和頻域信號處理的專(zhuān)用算法，以及具有3kHz平坦帶寬的3D數字加速度計分析，運行在32位高性能STM32F469AI微控制器上，傳感器數據分析結果通過(guò)基于IO Link設備收發(fā)器的有線(xiàn)連接發(fā)送。
04 物聯(lián)網(wǎng)和預測性維護發(fā)展趨勢
預測性維護市場(chǎng)是一個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)，其驅動(dòng)因素包括技術(shù)進(jìn)步、工業(yè)自動(dòng)化的日益普及以及企業(yè)優(yōu)化維護流程的需求。預測性維護使用數據分析、機器學(xué)習和人工智能來(lái)預測機器或設備何時(shí)需要維護，使公司能夠主動(dòng)而非被動(dòng)地進(jìn)行維護。
來(lái)自咨詢(xún)集團Next Move Strategy consulting的數據顯示，預計2020年至2030年間，全球預測性維護市場(chǎng)的規模將大幅增加——2020年該市場(chǎng)規模為45億美元，但預計到2030年將達到643億美元。
圖4：全球預測性維護市場(chǎng)規模增長(cháng)情況（圖源：Statista）
Vantage Market Research的預測數據雖然沒(méi)有上述這樣樂(lè )觀(guān)，但也給出了很高的預期，他們認為，2022年全球預測性維護市場(chǎng)價(jià)值為51.9億美元，在2023-2030年的預測期內復合年增長(cháng)率為29.80%，整個(gè)行業(yè)預計到2030年將達到418.9億美元。
物聯(lián)網(wǎng)預測性維護的未來(lái)將如何發(fā)展呢？綜合行業(yè)內各種信息，我們總結出以下幾點(diǎn)：
AI將更多地集成到先進(jìn)分析方案中
預測性維護是物聯(lián)網(wǎng)中高級分析的一個(gè)關(guān)鍵應用，涉及對設備和系統的主動(dòng)監測，發(fā)現潛在故障或在故障發(fā)生之前檢測到。為了助力企業(yè)做出更高置信度的預測，人工智能（AI）將更多地融入到預測性系統中，任何微小的變化都可以很快被AI分析出來(lái)。
在這里，AI技術(shù)如機器學(xué)習、深度學(xué)習和自然語(yǔ)言處理，主要通過(guò)實(shí)現自動(dòng)化決策和從數據中學(xué)習的能力來(lái)補充高級分析。AI算法可以實(shí)時(shí)分析大量物聯(lián)網(wǎng)數據，識別設備故障的早期預警信號，并做出預測或建議，這種能力在預測性維護場(chǎng)景中尤其有益。AI和物聯(lián)網(wǎng)的結合使預測性維護在預測方面會(huì )有非常高的成功率，這種組合將極大限度地提高生產(chǎn)力和資產(chǎn)壽命。
越來(lái)越多地采用邊緣計算和5G網(wǎng)絡(luò )
當物聯(lián)網(wǎng)解決方案通過(guò)云計算實(shí)現時(shí)，大量數據將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )共享到云端。盡管云計算技術(shù)同樣支持預測分析系統，但企業(yè)可以通過(guò)利用邊緣計算技術(shù)來(lái)提高數據處理和分析的速度和性能，從而獲得至關(guān)重要的優(yōu)勢。在邊緣運行的預測性維護系統減少了云上共享的數據量，加之低延遲和對數據分析的實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，系統成本大幅下降。
5G網(wǎng)絡(luò )與基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護系統的集成是該領(lǐng)域的另一個(gè)變革趨勢。與前代相比，5G提供了更高的數據傳輸速度、更低的延遲和更大的網(wǎng)絡(luò )容量。這些功能使其成為物聯(lián)網(wǎng)設備的理想通信基礎設施，尤其是在需要超可靠和低延遲連接的場(chǎng)景中。
預測分析的使用量不斷增加
預測分析包括分析歷史數據以確定其模式和趨勢，然后將其用于預測未來(lái)的結果。未來(lái)，預測分析在預測性維護中將越來(lái)越受歡迎。
05 本文小結
基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護已成為優(yōu)化各個(gè)行業(yè)維護實(shí)踐的強大解決方案。通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)設備采集的實(shí)時(shí)數據，預測性維護讓企業(yè)有能力隨時(shí)監測設備的狀況，并在潛在故障發(fā)生之前識別故障，主動(dòng)安排維護計劃。通過(guò)傳感器數據、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和軟件分析的組合實(shí)現的協(xié)同效應將為企業(yè)提供前所未有的運營(yíng)優(yōu)勢。
傳感器和數據分析的使用意味著(zhù)企業(yè)可以前瞻性地預知設備的運行狀況，使其在系統崩潰、故障或運行錯誤之前解決問(wèn)題，消除了計劃外停機，帶來(lái)了巨大的生產(chǎn)效益。尤其是，對于所有制造企業(yè)而言，無(wú)論大小，在未來(lái)，他們都將需要制定強有力的預測性維護策略，這種需求只會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移不斷增長(cháng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的預測性維護市場(chǎng)前景可期。
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