古語云“上醫(yī)治未病，下醫(yī)治已病”，近年來隨著智能可穿戴設(shè)備的普及以及健康保健意識的增強，預防性健康管理越來越被公眾所重視，“治未病”理念已深入人心。設(shè)備如人，傳統(tǒng)運維是“反應(yīng)式”的發(fā)現(xiàn)故障再進行處理，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，減少停機時間。
根據(jù)IOT Analytics數(shù)據(jù)顯示，2021年全球預測性維護市場規(guī)模為69億美元，2026年則有望達到282億美元。“蓬勃發(fā)展之下，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署落地的應(yīng)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(yīng)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(shè)計。” ADI SMS產(chǎn)品線應(yīng)用工程師霍斌博士近日在接受采訪時表示。
為“治未病”開良方，如何精準“把脈”電機健康？
工業(yè)制造設(shè)備正變得更高效與智能，但設(shè)備本身的維護工作卻仍存巨大挑戰(zhàn)，國際自動化學會ISA曾有數(shù)據(jù)顯示，全球制造商每年因設(shè)備故障停機遭受的損失高達6470億美元。電機被譽為“工業(yè)之母”，是現(xiàn)代工業(yè)動力來源主要的核心之一，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(nèi)的諸多頭部技術(shù)供應(yīng)商聚焦的熱點技術(shù)。要實現(xiàn)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題，而高精度實時數(shù)據(jù)采集硬件方案、先進的設(shè)備數(shù)字化模型與診斷算法都是剛需，傳感技術(shù)的進步以及人工智能技術(shù)的引入加快發(fā)展進程。
“基于狀態(tài)的設(shè)備監(jiān)測，特別是實現(xiàn)數(shù)據(jù)診斷或可預測算法，跟設(shè)備本身有很大關(guān)系，不同電機的失效模式，與模型的數(shù)據(jù)匹配方法完全不一樣。”霍斌舉例說，“在工業(yè)電機中，軸承損壞是使用過程中的常見故障，在檢測此類故障時多采用振動和聲音傳感器，而轉(zhuǎn)子、繞組等方面的故障則多通過電流變壓器在電機供電時進行檢測。”
因此，在“把脈”電機工作狀態(tài)是否健康時，需要大量有效數(shù)據(jù)的支持，如壓力、振動、噪聲、溫度等。根據(jù)現(xiàn)有的研究與產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，振動+溫度檢測的模式是能有效檢測電機設(shè)備異常的高性價比方案，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為三相鼠籠異步式電機設(shè)計，基于AI的高性能預測性維護平臺。
據(jù)霍斌介紹，僅需4顆可更換的1.5V AA鋰電池供電，SMS器件內(nèi)部集成了ADI高性能傳感器、精密轉(zhuǎn)換器和信號鏈，能捕獲電機的振動、溫度、速度和磁通量等各種參數(shù)，在早期就能檢測出電機異常狀況，并通過Wi-Fi連接將這些數(shù)據(jù)安全地發(fā)送到后端云進行處理。云上運行并集成到Web應(yīng)用中的人工智能引擎分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控電機的運行狀況，使客戶可以在手機移動應(yīng)用程序或PC端網(wǎng)絡(luò)儀表板上實現(xiàn)7x24小時電機狀況監(jiān)控。霍斌強調(diào)說：“SMS結(jié)合了ADI軟件、硬件和電機領(lǐng)域的專業(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(shè)置安裝簡便、隨時隨地無需聯(lián)線和停機，適用于室內(nèi)外各種嚴酷的工業(yè)環(huán)境。”
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(shù)據(jù)采集及通訊硬件、基于云端的軟件與算法以及客戶端的應(yīng)用程序構(gòu)成，通過與Android或iOS移動應(yīng)用一起使用，可輕松設(shè)置傳感器，提供對部署數(shù)據(jù)的可見性，其突出優(yōu)勢除了能對電機的開關(guān)機次數(shù)、運行時間、轉(zhuǎn)速、電流、輸出力矩/功率等運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測外，還能診斷出行業(yè)最多的9種電機異常，讓設(shè)備運維變得更智能更方便。
ADI SMS解決方案能夠檢測以下9個常見問題如下：
（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(nèi)部短路，線圈之間出現(xiàn)絕緣問題，增加電流并產(chǎn)生三相不平衡。
（3）轉(zhuǎn)子異常：轉(zhuǎn)子損壞，轉(zhuǎn)子材料結(jié)構(gòu)上缺陷。
（4）機軸不平衡：質(zhì)量分布不均，導致負載偏離旋轉(zhuǎn)中心；轉(zhuǎn)子彎曲。
（5）定轉(zhuǎn)子對稱：動態(tài)時可能是由于軸彎曲引起轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙變化；不正確的安裝軸承，導致電機內(nèi)部出現(xiàn)對中問題，引起轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙變化。
（6）軸承異常：機械應(yīng)力或者污染會導致軸承中出現(xiàn)細小裂紋或者缺陷，從而產(chǎn)生振動問題。
（7）軸心偏移：當兩個旋轉(zhuǎn)軸（電機和負載）未對齊、外部未對中時，導致電機軸心偏移。
（8）散熱異常：適用于使用外部風扇冷卻的電機，可以確定風扇連接到軸或外部連接到電機的問題。
（9）固定異常：當電機底座或與電機底座的連接不牢固時，就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動，這種不良連接會導致過度振動。
“我們對故障的嚴重程度也進行了定義，即設(shè)備健康指數(shù)是從0到10的區(qū)間參數(shù)，包含正常工作、故障警告、嚴重故障狀態(tài)三類范圍，針對不同的嚴重程度給客戶提示準確的改善措施。”霍斌舉例說明，“針對軸承異常，SMS系統(tǒng)會根據(jù)電機不同的震動特性，判斷是由機械磨損還是缺少潤滑油等引起的，再反饋客戶需要更換軸承或添加潤滑油等相應(yīng)的改善措施，使客戶對設(shè)備的維護和備件需求有更準確的預見性。”
解決方案的高性能表現(xiàn)離不開軟硬件產(chǎn)品的賦能，SMS的硬件部分嵌入了5個傳感器，包括兩個振動傳感器ADXL1002、兩個溫度傳感器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(yīng)、耐沖擊性和恢復性上具有卓越性能；兩個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檢測電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的磁場場強，能間接計算出電機的部分電流信號。“電機的振動與溫度檢測可能相對而言比較常規(guī)，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，實現(xiàn)了多傳感器的數(shù)據(jù)融合。”霍斌表示這是SMS方案頗具特色的一點，而傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至云端是SMS的另一大優(yōu)勢，有效避免了布局有線網(wǎng)絡(luò)的局限性，能在工業(yè)現(xiàn)場快速靈活的安裝部署。
另一方面，SMS作為可預測設(shè)備維護系統(tǒng)，能為客戶提供的最大好處是可靠的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測并反饋基于診斷結(jié)果的維護建議，而這主要得益于監(jiān)測電機運行狀況與SMS云端AI引擎數(shù)據(jù)分析的準確性。提及此霍斌自信說到：“我們的算法工程師本身便是電機專家，因此他們對電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動原理及電機故障的外在表現(xiàn)都有深刻的理解，此外在算法開發(fā)時，ADI實驗室也針對不同型號不同功率的電機進行了大量測試，豐富的數(shù)據(jù)積累也是支撐云端AI平臺故障診斷有效性的重要保障。”
事實上，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似方案在部署時，通常需要根據(jù)現(xiàn)場工程師的經(jīng)驗與測試，手動設(shè)置電機相關(guān)閥值，運行過程中如果負荷發(fā)生變化等，閥值還要進行人工修改，造成諸多不便的同時對相關(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，安裝時無需手動設(shè)置閥值而是由系統(tǒng)自動計算并能根據(jù)設(shè)備工作條件的變化動態(tài)調(diào)整，降低操作人員門檻。
洞悉行業(yè)精準“病理”，加速多模式場景應(yīng)用生態(tài)圈落地
眾所周知，由于結(jié)構(gòu)簡單、易于維修、使用壽命長，三相鼠籠式異步式電機是應(yīng)用最為廣泛的電機之一，而針對該類電機預測性維護開發(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(nèi)的工業(yè)連續(xù)性生產(chǎn)以及與民生相關(guān)的公共基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域批量部署，如生產(chǎn)線傳送帶驅(qū)動、水站水泵驅(qū)動、車間通風扇驅(qū)動、壓縮機驅(qū)動、液壓油控制泵或閉路制冷泵驅(qū)動等。
據(jù)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(yīng)用場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會為所連接的電機創(chuàng)建獨特的數(shù)字孿生，將該電機的實際數(shù)據(jù)與完全相同工況下運行的數(shù)字孿生進行比較，如果存在顯著差異，SMS系統(tǒng)還會分析這種差異以確定造成不一致的可能原因。霍斌表示這同樣是ADI SMS方案的獨特優(yōu)勢，無論應(yīng)用于何種行業(yè)，SMS系統(tǒng)在安裝部署后通過一周左右的時間自主學習，都可以適應(yīng)設(shè)備的運行環(huán)境，進而進行準確的狀態(tài)監(jiān)測。
在實際部署時，霍斌也提到不同行業(yè)、不同類型的客戶亦有不同訴求。例如部分客戶會設(shè)計自己的預測性維護產(chǎn)品，ADI可提供門類齊全的芯片級別產(chǎn)品支持，除了MEMS加速度計之外還包括了ADC/DAC、放大器、數(shù)字隔離器、電源管理器件等高性能器件，能為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計帶去價值。
而針對另一些客戶，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測可能只是其系統(tǒng)方案的功能之一，例如會與資產(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發(fā)者模式供客戶自由選擇，開發(fā)者模式下允許通過調(diào)用API接口的方式獲取各類數(shù)據(jù)，包括電機的原始采樣值，以支持客戶做二次開發(fā)與系統(tǒng)集成等。霍斌舉例道：“聯(lián)橋網(wǎng)云是一家為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供實時監(jiān)測的系統(tǒng)集成商，在其旋轉(zhuǎn)無憂?分布式應(yīng)用云平臺中便集成了ADI SMS解決方案，結(jié)合聯(lián)橋網(wǎng)云專家系統(tǒng)形成互補，在設(shè)備監(jiān)測、機構(gòu)人員管理、故障遠程診斷等場景下，為水務(wù)行業(yè)客戶提供平臺和專家服務(wù)。”
工業(yè)領(lǐng)域電機存量市場數(shù)量巨大，未來隨著產(chǎn)線智能化升級持續(xù)推進，預測性維護的價值將進一步得到重視和發(fā)揮。“ADI長期深耕設(shè)備狀態(tài)監(jiān)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(yīng)用為一體的智能電機傳感器SMS解決方案，能有效助力客戶實現(xiàn)運維的降本增效。”霍斌總結(jié)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工業(yè)自動化的可持續(xù)性發(fā)展，讓傳統(tǒng)制造業(yè)迸發(fā)數(shù)字化新動能。”。