【導讀】工業4.0的到來，正在改變制造業的游戲規則。基于大數據的洞察，將使得整個生產鏈變得更加透明、靈活而富有彈性，在滿足定制化生產的同時仍能夠實現盈利，而這一切在傳統制造業的模式下是無法想象的。而且，由此引發的變革是全方位的，其影響力滲透到了生產制造環節的方方面面，也包括生產設備的維護。
制造業中傳統的設備維護通常包括糾正性維護和預防性維護兩種方式，前者是指在設備發生故障之后進行被動地干預，后者一般則是按照預定好的周期或條件進行主動的維護。這兩種方式顯然都不是設備維護的最優解——前者往往要承擔計劃外停機的巨大損失（計劃外停機的成本會占到總制造成本的近四分之一），而后者則不可避免地會在設備運轉良好地情況下實施不必要的干預，進而產生較大的成本。
如果有一種建立在大數據分析和洞察基礎上的方法，可以實時地了解設備的實時工作狀態，及時發現故障隱患，有的放矢地進行“恰到好處”的維護，這當然是更理想的解決方案。這種針對機器設備健康狀況的分析被稱為基于狀態的監控（CbM），而基于CbM的維護方法就是“預測性維護”。
顯而易見，在預測性維護的框架內，只有在機器設備出現某些早期預警癥狀時，才需要操作者進行干預。與傳統的維護方式相比，其在減少設備停機、降低維護成本、延長設備壽命、提高產能等方面帶來的效益是巨大的。
圖1：預測性維護與傳統維護方式的成本分析
（圖源：ADI）
針對電機的預測性維護
由于電機等具有旋轉機構的機器設備是制造業中的主力，因此針對電機的CbM或者預測性維護自然也就成了一個重點課題。這也是當今不少頭部技術供應商（如Analog Devices，ADI）追逐的熱點。
在判斷電機的工作狀態是否“健康”時，需要很多數據的支持，比如壓力、振動、噪聲、溫度等等，其中在可測量的物理量中，振動是一個尤為關鍵的參數，這是因為很多故障早期的癥狀——如滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度松動等——都會表現為異常的振動，并且在測量頻譜時會呈現出各自不同的特征，由此就可以基于振動數據做出“診斷”，決定是否需要進行維護，以及進行哪種類型的維護。
比如在滾珠軸承發生故障時，當滾珠碰觸到軸承的開裂處，或者內環或外環的缺陷位置，就會發生撞擊，引起振動，甚至導致旋轉軸輕微移位，這種撞擊有時會產生可以聽見的聲音（即沖擊波），其在頻譜中通常表現為大于5kHz的低能量譜分量。而隨著問題惡化，低能量譜分量會不斷增加，當我們通過加速度傳感器捕捉到這些振動信號之后，就可以在盡可能短的時間內做出反應。
圖2：不同電機的故障類型對應著不同的振動頻譜特征（圖源：ADI）
因此不難得出結論，只要我們圍繞著電機異常振動，建立起一個從狀態感知、數據采集，到數據傳輸、分析處理的系統，就可以構建起一套完整的CbM和預測性維護解決方案，并讓其承擔起電機健康問題“吹哨人”的角色，將故障消除在萌芽狀態。
圖3：電機CbM和預測性維護解決方案架構
（圖源：ADI）
選擇合適的加速度計
從圖3中我們可以看到，一個完整電機CbM和預測性維護方案的設計，需要在多個技術環節進行技術決策，而其中作為整個方案的“起點”，就是要選擇能夠準確捕捉到振動信號的加速度傳感器。這種測量振動的加速度傳感器，需要裝配在被監測對象的附近，而且帶寬、可靠性、尺寸、功耗、成本等都是在選型時需要綜合考量的要素。
以往CbM中振動測量比較常用的是壓電加速度計，因為這類傳感器具有較寬的帶寬（典型范圍為3Hz至30kHz，甚至可以高達數百kHz），這就意味著其可以“觀察”到更寬頻譜范圍內異常振動的信號。同時，壓電加速度計具有良好的線性度、SNR，以及高溫工作性能，這都是工業應用中十分看重的特性。不過，壓電加速度計在DC范圍下的性能欠佳，因此對于風力渦輪機這種低轉速的低頻應用不太適合，而且其成本也偏高，會影響應用范圍的進一步拓展。
相較而言，MEMS電容式加速度計近年來在電機CbM和預測性維護中則表現出更強的發展勢頭。MEMS電容式加速度計具有DC響應特性，以及很強的抗沖擊能力，而且其尺寸更小，重量更輕，更適合批量生產，因而成本也更具優勢。
更重要的是，隨著技術的進步，以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計的問題，也得到了極大的改善。可以想見，MEMS電容式加速度計的發展正在拉低CbM和預測性維護的“門檻”，使得這一技術能夠滲透到電機應用的更多場景。
圖4：兩種用于電機振動測量的加速度傳感器比較
（圖源：ADI）
ADI的ADXL100x系列就是MEMS電容式加速度計中綜合表現非常搶眼的產品。這個系列的單軸加速度計，測量帶寬高達50kHz，其頻率響應可以覆蓋旋轉機械中常見的主要故障，包括套筒軸承損壞、對準誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化等等。
圖5：ADXL100x系列MEMS加速度計
（圖源：ADI）
ADXL100x MEMS加速度計可實現高分辨率振動測量，可提供從±50g到±500g不同量程范圍的產品，且在較寬的頻率范圍內具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度，提供穩定和可重復的靈敏度，并可承受高達10,000g的外部沖擊。
圖6：ADXL1001/ADXL1002可支持>5kHz的高頻振動響應（圖源：ADI）
值得一提的是，ADXL100x系列MEMS加速度計還提供了一個通常壓電加速度計不具備的特性，即集成了諸多智能特性，如超量程檢測電路——當發生超過指定g值范圍約2倍的嚴重超量程事件時，該電路會報警；同時ADXL100x可基于某種內部時鐘智能禁用機制在持續發生超量程事件時保護傳感器元件，這種方式可以減輕主機處理器的負擔，并能增加傳感器節點的智能化程度。
此外，ADXL100x系列MEMS加速度計緊湊的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物聯網的應用中，成為工業4.0中不可或缺的一部分。
圖7：ADI為CbM提供豐富的MEMS加速度計產品
（圖源：ADI）
打造高性能的信號鏈
當然，MEMS加速度計性能再突出，其在整個電機CbM的信號和數據鏈處理中，也只是邁出了第一步。想要打造一個高性能的電機CbM和預測性維護方案，需要一個完整的系統做支撐。其中主要包括以下幾個關鍵部分：
檢測模塊
主要是基于MEMS加速度計的振動和沖擊檢測單元，提供高精度的測量。有時還需要集成溫度傳感等其他感測功能。
數據采集
高保真的數據采集可以將傳感器捕獲的振動、沖擊、溫度、聲學、壓力、電壓和電流信號轉換為數字信號，從而轉化為有價值的數據，成為洞察和決策的基礎。
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應用中可靠運行。
數據處理
超低功耗MCU或其他主控器件可以對工業邊緣節點上發生的事件做出本地決策，并經過篩選將更重要的數據發送至云端，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環境中，確保相關電機健康狀況數據可靠地傳送到PLC和制造執行系統（MES），加速CbM部署。
基于AI的云洞察力
建立在云端更強大計算資源基礎上的人工智能（AI），可以檢測和解譯聲音、振動、壓力、電流或溫度等數據，以實現連續狀態監控和按需診斷，并通過與CbM領域專家交互不斷學習和升級。
圖8：電機CbM和預測性維護方案系統架構
（圖源：ADI）
在這樣一個長長的信號和數據鏈中，想要確保數據的可靠性和準確性，就需要為各個功能模塊選擇合適的高性能器件。
比如，為了保證數據采集模塊能夠實現高性能的信號調理，就要在放大器、ADC、基準電壓源等模擬器件的選型上花一番心思（如圖8）。
在運算放大器的選型上，ADI的LT6015 Over-The-Top? 精密運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算放大器，具有低于50μV的輸入失調電壓。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），每個放大器僅吸收315μA電流。它們具有反向電池保護功能，在高達50V的反向電源電壓下。其吸收電流非常小。
LT6015能驅動高達25mA的負載，并可在使用200pF的容性負載時保持穩定的單位增益。該放大器的Over-The-Top? 輸入級可在嚴酷環境中提供額外的保護。其輸入共模范圍從V-擴展至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，內部電阻器負責保護輸入免遭低于負電源25V的瞬變故障的損壞。
圖9：LT6015 Over-The-Top精密運算放大器
（圖源：ADI）
在高精度、低功耗基準電壓源的選型上，ADR45xx基準電壓源是一個不錯的選擇。該系列產品的最大初始誤差為±0.02%，具有出色的溫度穩定性和低輸出噪聲。由于使用了新的內核拓撲結構來提高精度，ADR45xx基準電壓源同時提供出色的溫度穩定性和噪聲性能。該款基準電壓源具有低熱致輸出電壓遲滯和低長期輸出電壓漂移，因此提高了壽命和溫度范圍內的系統精度。
同時，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應用。
圖10：ADR45xx基準電壓源
（圖源：ADI）
當然，ADI為實現高精度數據采集所提供的產品遠不止上述兩款，而是包括一整套CbM信號鏈和數據鏈解決方案，這就省去了大家選料、調試等繁復的開發工作。
本文小結
隨著工業4.0的推進，以基于CbM的預測性維護替代傳統的電機維護方式，已經成為大家普遍的共識。而想要打造這樣一套能夠實時感知電機健康狀態，按需進行維護工作的系統，需要圍繞整個信號鏈和數據鏈構建一個整體的解決方案。其中不僅需要高性價比的傳感器，也需要高精度的信號調理器件、可靠的電源管理器件，以及高效的數據傳輸和處理解決方案。
這時，與ADI這樣具有豐富產品組合、能夠提供一站式解決方案的技術廠商合作，其價值就凸顯出來了。由此帶來的便利性和可擴展性，能夠讓工業4.0的理念深入到未來制造業的每一根“毛細血管”，讓制造業的“肌體”更為健壯和有力。
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