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在上個月結(jié)束的2019 WAIC世界人工智能大會上，關于工業(yè)領域的探討成為本次大會的主旋律，全球工業(yè)智能發(fā)展的最新成果、優(yōu)秀企業(yè)及最佳實踐等得到了集中亮相。不過，無法預料的停機時間、設備維護仍是眾多工廠和企業(yè)所擔心的關鍵。當傳統(tǒng)的設備預防性維護跟不上步伐，高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司將無線基于條件的檢測（CBM）作為工業(yè)4.0落地的重要一環(huán)，幫助行業(yè)人員預測設備故障、節(jié)省企業(yè)運營維護成本。

基于狀態(tài)監(jiān)測的幾種分析方法

無論電機、泵還是軸承等，產(chǎn)生的振動、電流和溫度都是深入了解設備健康狀態(tài)的關鍵信號。尤其是振動，這在工業(yè)中是非常普遍的現(xiàn)象。非正常振動會影響工業(yè)設備的健康狀態(tài)，還會增加能耗、降低機器效率，甚至造成災難性的事故。

振動監(jiān)測可以進一步隔離機械噪音和電器噪聲，從而提供額外的數(shù)據(jù)改善機器的診斷。關于振動監(jiān)測，CBM中的機器狀態(tài)分析可以使用各種方法完成。最常見的方法可能是時域分析，頻域分析。

基于時間的分析。在時域振動分析中，考慮有效值（均方根或簡稱有效值），峰值和振動幅度。其中，峰值反映了電機軸的最大偏轉(zhuǎn)，因此可以得出關于其最大負載的結(jié)論。相反，幅度值描述了發(fā)生振動的幅度并識別異常沖擊事件。

因此，有效值通常是最有意義的，因為它同時考慮了振動時間歷史和振動幅度值。通過所有這些參數(shù)對電動機速度的依賴性，可以獲得均方根振動的統(tǒng)計閾值的相關性。這種類型的分析證明非常簡單，因為它既不需要基本的系統(tǒng)知識，也不需要任何類型的光譜分析。

基于頻率的分析。利用基于頻率的分析，通過快速傅里葉變換（FFT）將時間上變化的振動信號分解成其頻率分量，得到的幅度與頻率的頻譜圖可以監(jiān)測特定的頻率成分及其諧波和邊帶。FFT是一種用于振動分析的普遍方法，尤其適用于檢測軸承損壞，可以為每個頻率分量分配相應的組件。通過FFT，可以濾除由滾動元件和缺陷區(qū)域之間的接觸引起的某些故障的重復脈沖的主頻率。

由于它們的頻率成分不同，可以區(qū)分不同類型的軸承損壞（外圈，內(nèi)圈或滾珠軸承的損壞）。但是為此需要有關軸承，電機和整個系統(tǒng)的精確信息。另外，F(xiàn)FT過程要求在微控制器中重復記錄和處理振動的離散時間塊，雖然這需要比基于時間的分析更多的計算能力。

適用于CBM的傳感器有哪些？

在工業(yè)4.0到來之際，機器的健康監(jiān)測成為了工業(yè)技術(shù)領域里需要認真研究重要課題。為此，ADI公司推出的基于ADcmXL3021以及ADXL1002等產(chǎn)品的狀態(tài)監(jiān)控解決方案完美解決了相關問題，利用這些解決方案客戶可以快速抓住機會讓現(xiàn)有老舊基礎設施走上工業(yè)4.0的快車道。

ADcmXL3021模塊是一套完整的振動檢測系統(tǒng)。利用ADI屢獲殊榮的微機電系統(tǒng)傳感器技術(shù)MEMS技術(shù)，機器健康數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)化為實時的、可操作的監(jiān)測用以防止工作中斷，將高性能振動檢測與多種信號處理功能結(jié)合在一個緊湊的外形中，簡化了基于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的智能傳感器節(jié)點的開發(fā)過程，提高了安全性和降低成本。

CBM系統(tǒng)是預防性維護的一個重要組成部分，其加速度計的關鍵指標是低噪聲和寬帶寬。ADcmXL3021模塊擁有MEMS加速度計的超低噪聲密度(25 μg/√Hz)可支持出色的分辨率。寬帶寬(直流至10 kHz，平坦度為5%)可以在多個機器平臺上跟蹤關鍵振動特征，通過監(jiān)控機械疲勞和故障的早期指標來提高生產(chǎn)效率并減少設備維修，適用于各種工業(yè)設備和運輸車輛。

除此之外， ADI公司開發(fā)的ADXL356 / ADXL357 三軸傳感器系列，同樣適用于CBM應用。它具有非常好的噪音性能和出色的溫度穩(wěn)定性。盡管它們的帶寬有限為1.5 kHz（諧振頻率= 5.5 kHz），但這些加速度計仍可在低速設備（如風力渦輪機）的狀態(tài)監(jiān)測中提供重要讀數(shù)。

與此同時，ADI旗下ADXL100x系列中的單軸傳感器適用于更高帶寬。它們在極低的噪聲水平下提供高達24 kHz（諧振頻率= 45 kHz）的帶寬和高達±100 g的g范圍。由于帶寬高，可以使用該傳感器系列檢測旋轉(zhuǎn)機器中發(fā)生的大多數(shù)故障（滑動軸承損壞，不平衡，摩擦，松動，齒輪缺陷，軸承磨損和氣蝕）。

基于狀態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀與未來

需要指出的是，無論條件監(jiān)控的類型如何，即使采用最智能的監(jiān)控概念，都不能100％保證不會出現(xiàn)意外停機、故障或安全等風險，但這些努力足以減少風險的出現(xiàn)。正因為如此，越來越多的基于狀態(tài)的監(jiān)測正在成為工業(yè)界的一個關鍵話題，它被視為未來生產(chǎn)設施可持續(xù)成功的明確先決條件。

許多工業(yè)企業(yè)已經(jīng)認識到CBM作為成功因素的重要性，將其視為未來業(yè)務的關鍵。隨著技術(shù)的進步，預測性維護方式必將占據(jù)主導地位，借助專用工具及軟件，發(fā)現(xiàn)問題、準確地預判問題，將會越來越普及?？傊?，鑒于機器運行時間較長帶來的高產(chǎn)量和收益，現(xiàn)階段對CBM硬件和軟件的投資已然值得。

而具體到傳感器方面，為了能夠廣泛使用傳感器進行狀態(tài)監(jiān)測，有兩個因素非常重要：低成本和小尺寸。在以前經(jīng)常使用壓電傳感器的地方，如今越來越多地使用基于MEMS的加速度計。它們具有更高的分辨率，出色的漂移和靈敏度特性以及更好的信噪比，并且能夠檢測幾乎低至直流范圍的極低頻振動。

無論是工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是中國制造2025，三者的本質(zhì)都指向一個核心——智能制造。當前，工業(yè)4.0的實現(xiàn)形式是基于條件的監(jiān)控，而精確、實時的機器健康監(jiān)測可以大大減少停機時間和維護成本。作為業(yè)界卓越的半導體公司，ADI MEMS振動傳感器與其精密轉(zhuǎn)換器、線性、隔離和電源技術(shù)相結(jié)合，用于為工業(yè)4.0應用中的基于條件監(jiān)測提供高品質(zhì)機器健康數(shù)據(jù)，從而最大限度地延長機器的正常運行時間以及最大限度地提高效率，加速實現(xiàn)工業(yè)4.0。