【導讀】工業4.0的到來

，正在改變製造業的遊戲規則。基於大數據的洞察，將使得整個生產鏈變得更加透明、linghuoerfuyoudanxing
，zaimanzudingzhihuashengchandetongshirengnenggoushixianyingli
，erzheyiqiezaichuantongzhizaoyedemoshixiashiwufaxiangxiangde。erqie
，youciyinfadebiangeshiquanfangweide，qiyingxianglishentoudaoleshengchanzhizaohuanjiedefangfangmianmian，yebaokuoshengchanshebeideweihu。

製(zhi)造(zao)業(ye)中(zhong)傳(chuan)統(tong)的(de)設(she)備(bei)維(wei)護(hu)通(tong)常(chang)包(bao)括(kuo)糾(jiu)正(zheng)性(xing)維(wei)護(hu)和(he)預(yu)防(fang)性(xing)維(wei)護(hu)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)，前(qian)者(zhe)是(shi)指(zhi)在(zai)設(she)備(bei)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)之(zhi)後(hou)進(jin)行(xing)被(bei)動(dong)地(di)幹(gan)預(yu)，後(hou)者(zhe)一(yi)般(ban)則(ze)是(shi)按(an)照(zhao)預(yu)定(ding)好(hao)的(de)周(zhou)期(qi)或(huo)條(tiao)件(jian)進(jin)行(xing)主(zhu)動(dong)的(de)維(wei)護(hu)。這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)顯(xian)然(ran)都(dou)不(bu)是(shi)設(she)備(bei)維(wei)護(hu)的(de)最(zui)優(you)解(jie)——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製造成本的近四分之一）
，而後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幹預
，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於狀態的監控（CbM），而基於CbM的維護方法就是“預測性維護”。

xianeryijian，zaiyucexingweihudekuangjianei
，zhiyouzaijiqishebeichuxianmouxiezaoqiyujingzhengzhuangshi，caixuyaocaozuozhejinxingganyu。yuchuantongdeweihufangshixiangbi，qizaijianshaoshebeitingji
、降低維護成本、延長設備壽命、提高產能等方麵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

由於電機等具有旋轉機構的機器設備是製造業中的主力，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症狀——如滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過度鬆動等——都會表現為異常的振動

，並且在測量頻譜時會呈現出各自不同的特征，由此就可以基於振動數據做出“診斷”，決定是否需要進行維護，以及進行哪種類型的維護。

比bi如ru在zai滾gun珠zhu軸zhou承cheng發fa生sheng故gu障zhang時shi，當dang滾gun珠zhu碰peng觸chu到dao軸zhou承cheng的de開kai裂lie處chu，或huo者zhe內nei環huan或huo外wai環huan的de缺que陷xian位wei置zhi，就jiu會hui發fa生sheng撞zhuang擊ji，引yin起qi振zhen動dong，甚shen至zhi導dao致zhi旋xuan轉zhuan軸zhou輕qing微wei移yi位wei，這zhe種zhong撞zhuang擊ji有you時shi會hui產chan生sheng可ke以yi聽ting見jian的de聲sheng音yin（即衝擊波），其在頻譜中通常表現為大於5kHz的(de)低(di)能(neng)量(liang)譜(pu)分(fen)量(liang)。而(er)隨(sui)著(zhe)問(wen)題(ti)惡(e)化(hua)
，低(di)能(neng)量(liang)譜(pu)分(fen)量(liang)會(hui)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)

，當(dang)我(wo)們(men)通(tong)過(guo)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)捕(bu)捉(zhuo)到(dao)這(zhe)些(xie)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)之(zhi)後(hou)

，就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)盡(jin)可(ke)能(neng)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)做(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)。

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，隻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、分析處理的係統，就可以構建起一套完整的CbM和預測性維護解決方案

，並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（典型範圍為3Hz至30kHz，甚至可以高達數百kHz）

，這就意味著其可以“觀察”到更寬頻譜範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範圍下的性能欠佳，因此對於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，會影響應用範圍的進一步拓展。

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，以及很強的抗衝擊能力

，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4：兩種用於電機振動測量的加速度傳感器比較

（圖源：ADI）

ADI的ADXL100x係列就是MEMS電容式加速度計中綜合表現非常搶眼的產品。這個係列的單軸加速度計，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、鬆動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化等等。

圖5：ADXL100x係列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不同量程範圍的產品
，且在較寬的頻率範圍內具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪聲密度
，提供穩定和可重複的靈敏度，並可承受高達10,000g的外部衝擊。

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係列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值範圍約2倍的嚴重超量程事件時
，該電路會報警；同時ADXL100x可(ke)基(ji)於(yu)某(mou)種(zhong)內(nei)部(bu)時(shi)鍾(zhong)智(zhi)能(neng)禁(jin)用(yong)機(ji)製(zhi)在(zai)持(chi)續(xu)發(fa)生(sheng)超(chao)量(liang)程(cheng)事(shi)件(jian)時(shi)保(bao)護(hu)傳(chuan)感(gan)器(qi)元(yuan)件(jian)，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing)主(zhu)機(ji)處(chu)理(li)器(qi)的(de)負(fu)擔(dan)



，並(bing)能(neng)增(zeng)加(jia)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)程(cheng)度(du)。

此外
，ADXL100x係列MEMS加速度計緊湊的LFCSP封裝、-40°C至+125°C的寬工作溫度範圍、低功耗的特性，都有助於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，也隻是邁出了第一步。想要打造一個高性能的電機CbM和預測性維護方案，需要一個完整的係統做支撐。其中主要包括以下幾個關鍵部分：

檢測模塊

主要是基於MEMS加速度計的振動和衝擊檢測單元，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、衝擊
、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，並經過篩選將更重要的數據發送至雲端，以建立更全麵的洞察。

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和製造執行係統（MES），加速CbM部署。

基於AI的雲洞察力

建立在雲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，並通過與CbM領域專家交互不斷學習和升級。

圖8：電機CbM和預測性維護方案係統架構

（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，具有低於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
，並可在使用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。其輸入共模範圍從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於負電源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。該係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。由於使用了新的內核拓撲結構來提高精度
，ADR45xxjizhundianyayuantongshitigongchusedewenduwendingxinghezaoshengxingneng。gaikuanjizhundianyayuanjuyoudirezhishuchudianyachizhihedichangqishuchudianyapiaoyi，yincitigaoleshouminghewendufanweineidexitongjingdu。

同時，ADR45xx係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的寬溫度範圍使其適合於廣泛的工業應用。

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、調試等繁複的開發工作。

本文小結

隨著工業4.0的推進
，以基於CbM的(de)預(yu)測(ce)性(xing)維(wei)護(hu)替(ti)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)電(dian)機(ji)維(wei)護(hu)方(fang)式(shi)，已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)大(da)家(jia)普(pu)遍(bian)的(de)共(gong)識(shi)。而(er)想(xiang)要(yao)打(da)造(zao)這(zhe)樣(yang)一(yi)套(tao)能(neng)夠(gou)實(shi)時(shi)感(gan)知(zhi)電(dian)機(ji)健(jian)康(kang)狀(zhuang)態(tai)
，按(an)需(xu)進(jin)行(xing)維(wei)護(hu)工(gong)作(zuo)的(de)係(xi)統(tong)，需(xu)要(yao)圍(wei)繞(rao)整(zheng)個(ge)信(xin)號(hao)鏈(lian)和(he)數(shu)據(ju)鏈(lian)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)整(zheng)體(ti)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。其(qi)中(zhong)不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)高(gao)性(xing)價(jia)比(bi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，也(ye)需(xu)要(yao)高(gao)精(jing)度(du)的(de)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)器(qi)件(jian)、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的理念深入到未來製造業的每一根“毛細血管”，讓製造業的“肌體”更為健壯和有力。

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

MEMS麥克風已成消費市場的主流產品選擇

在開關模式電源中，當脈衝被忽略時...

直流快速充電係統：通過LLC 變壓器驅動最大限度提高功率密度

看似簡單的整流二極管電路詳解（一）

數字功放領域電感應用指南