用于機器健康的可穿戴設備：基于狀態(tài)的監(jiān)控

基于狀態(tài)的監(jiān)測 （CbM） 相當于可穿戴健身設備的工業(yè) 4.0。隨著連接的爆炸式增長，人們有機會以前所未有的方式觀察物理世界，并實時、細致地觀察物理過程。在工業(yè)系統(tǒng)中，對我們來說重要的過程之一是設備和機器的老化過程。這在石油和天然氣、風力發(fā)電和工業(yè)過程控制等不同市場中非常重要，在這些市場中，資本設備成本高，停機時間成本高昂。

計劃外停機每小時可能造成數(shù)千美元的損失。2017年的一項研究發(fā)現(xiàn)，公司報告僅由于停機就花費了200萬美元，而計劃外停機的成本明顯高于計劃內維護，因為機器在診斷、訂購零件和維修時必須處于離線狀態(tài)。

機器在規(guī)格范圍內的持續(xù)運行以及機器的預期剩余使用壽命受到運行時間、負載和操作環(huán)境變化以及損壞事件等變量的影響。基于狀態(tài)的監(jiān)測旨在量化這些影響，在需要立即關注時提供警報，并準確預測何時需要干預。

每臺機器都是不同的，每臺機器都會以不同的方式老化，盡管老化過程通常是緩慢且難以察覺的。除非我們積極尋找隨時間推移發(fā)生細微變化的跡象，否則衰老可能會在一段時間內被忽視。然后突然出現(xiàn)故障，可能是災難性的，這意味著機器離線需要維修。最終用戶要求提前通知即將發(fā)生的故障，以便提前計劃停機。他們還在尋找機器中可能影響最終產(chǎn)品質量的更細微變化的指標，例如紙張和鈑金。

對機器磨損的早期和早期指示以及有關機器輸出質量的信息的共同需求推動了對更靈敏和更普遍的傳感的需求。測量類型也在不斷拓寬，溫度和振動等傳感模式得到了聲學、電機電流和電壓測量的補充。這些測量系統(tǒng)正在組合在一起，以提供更全面的設備狀態(tài)視圖。這導致每臺機器的測量通道數(shù)量增加。各個測量通常需要很好地同步以顯示關系，例如振動的 x、y 和 z 軸測量之間的關系。這種同步需求進一步增加了系統(tǒng)的復雜性。

測量節(jié)點和模式的日益普及意味著基于手動資源的手動檢查和測量例程不再能夠跟上。系統(tǒng)必須可跨工廠車間或遠程站點部署，使用現(xiàn)有的有線基礎設施進行連接，或使用強大而安全的無線系統(tǒng)進行無線連接。笨重且昂貴的傳感器和聚合器單元必須更小、更便宜、更節(jié)能，以適應這些環(huán)境。

在組件和子系統(tǒng)級別有新的精確解決方案，具有更高的集成度，使系統(tǒng)構建商能夠使這種增加的傳感未來現(xiàn)在成為現(xiàn)實。

數(shù)據(jù)采集

為了盡早實現(xiàn)機器磨損的指示，您幾乎需要預見未來。在狀態(tài)監(jiān)測分析領域，這是通過查找系統(tǒng)中最微小的變化來實現(xiàn)的，無論是系統(tǒng)溫度、振動還是聲學特征。為了感知這些微小的變化，需要傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在最低檢測水平下清楚地看到微小的變化，即使在高水平的振動或溫度下也是如此。這就要求信號鏈具有極高的動態(tài)范圍，這意味著系統(tǒng)具有極低的噪聲性能，同時仍然能夠處理信號電平的較大變化。例如，要檢測往復泵中的磨損開始，可能需要檢測小于1/10的變化千活塞末端沖程位置的一毫米，活塞整體向上移動 300 毫米。為了確保我們可以看到這種變化，系統(tǒng)噪聲必須至少低于此變化 10 倍。這將檢測電平推高到1：300，000或109 dB，并且需要18位或更精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

另一個考慮因素是需要推出感興趣的帶寬。電機軸和許多齒輪系統(tǒng)在相對較低的頻率下具有特征振動，頻率接近軸的轉速或低倍數(shù)。但是，系統(tǒng)中還有其他組件具有更高的頻率特性。為了檢測具有更高頻率特性的部件（如滾珠軸承和油軸承）的磨損變化，傳感必須能夠在超過 10 kHz 和高達 80 kHz 的頻率下實現(xiàn)高分辨率和高動態(tài)范圍。

圖2.典型的振動頻率特征。

檢測系統(tǒng)規(guī)格必須包括高動態(tài)范圍（DR）以及極低的總諧波失真（THD），以便解析系統(tǒng)振動曲線中的這些頻域特征。在這些系統(tǒng)中，最新的精密寬帶寬Σ-Δ（Σ-Δ）轉換器用于執(zhí)行模數(shù)轉換步驟。有極其精確的模數(shù)轉換器可以滿足這些系統(tǒng)的關鍵要求。此類轉換器具有出色的動態(tài)范圍和THD（典型值為+108 dB DR和?120 dB THD），可在直流至至少80 kHz的帶寬范圍內實現(xiàn)，并結合易于使用的功能，如模擬輸入預充電緩沖器、集成數(shù)字濾波器和用于多通道相位匹配的跨器件同步，使這些關鍵組件成為構建最高性能CbM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵組件。功耗調節(jié)功能允許調整相同的物理硬件以滿足特定的功率上限，其中動態(tài)范圍或帶寬可以與總功率進行權衡。提供直流精度和更寬帶寬，使輸入通道能夠滿足同一平臺中的溫度、應變和其他直流或低帶寬檢測的需求，從而簡化了整體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構和復雜性——適用于所有CbM傳感器類型的單一平臺。

同步采樣

在CbM系統(tǒng)中，使用同步采樣來確保保留時域數(shù)據(jù)集之間的相位關系。例如，在使用兩個正交排列的振動傳感器的情況下，可以檢測振動相量的方向和幅度。理想情況下，通過每個傳感器輸入路徑的相位延遲應很好地匹配并跟蹤整個溫度。

對于需要更大靈活性設計以滿足更大范圍采樣速率、帶寬或功率縮放需求的CbM系統(tǒng)，SAR ADC產(chǎn)品也適用。這些器件還提供高動態(tài)范圍和THD，吞吐量高達2 MSPS，并且還集成了易于使用的特性，可降低信號鏈功耗，降低信號鏈復雜性，并實現(xiàn)更高的通道密度。具有更高輸入阻抗模式的轉換器拓寬了低功耗精密放大器的范圍，可以直接驅動這些ADC，同時仍能實現(xiàn)最佳性能。

為了使系統(tǒng)構建商能夠在更緊湊或分布式的采集節(jié)點中實現(xiàn)盡可能高的通道密度，并實現(xiàn)更快的上市時間，正在開發(fā)集成度比以往更高的信號鏈μModule產(chǎn)品。?

這些μModule器件將數(shù)據(jù)采集信號鏈設計中常用的關鍵元件集成在一個緊湊的集成電路（IC）外形中。

圖3.μModule 組件的 3D 渲染。

μModule方法將模擬和混合信號組件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔從設計人員轉移到器件，從而縮短整體設計時間和系統(tǒng)故障排除，并最終縮短上市時間。μModule器件采用微型封裝，非常適合分布式低通道數(shù)、緊湊型CbM系統(tǒng)或基于更高通道數(shù)的機架系統(tǒng)。

傳感器

僅在信號鏈的數(shù)據(jù)采集部分提供高動態(tài)范圍、更寬的帶寬、更高的功率效率和更高的通道密度，只能解決CbM系統(tǒng)的部分系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的集成電子壓電（IEPE）振動傳感器體積大、體積大且價格昂貴，并且通常使用比數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高得多的電壓軌。普通壓電傳感器采用?24 V單電源供電，功耗高達2 mA，封裝在重金屬外殼中。由于傳感器電源通常由數(shù)據(jù)采集模塊提供，因此增加盒子中的通道密度成為功率密度問題和元件密度問題。再加上對無線電池供電采集節(jié)點的需求，傳統(tǒng)的壓電振動傳感器已無法滿足這些信號鏈的需求。

MEMS振動和慣性傳感器現(xiàn)在能夠滿足這些系統(tǒng)的要求。最新的寬帶寬MEMS器件具有非常適合CbM應用的噪聲和帶寬性能，它們在功率水平比同類IEPE傳感器低20倍的微型標準表面貼裝封裝中實現(xiàn)了這種性能。這些MEMS傳感器的小尺寸和功率曲線允許開發(fā)非常小的多軸電池供電系統(tǒng)，用于永久和恒定的狀態(tài)監(jiān)測。

電源和連接

檢測機器的溫度、振動或噪音并將其轉換為數(shù)字信息是監(jiān)控任務的關鍵部分，但這些細節(jié)并不能提供完整的畫面。構建狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要密切關注設計中的所有模擬、數(shù)字和混合信號組件。要在數(shù)據(jù)采集鏈中實現(xiàn)低噪聲，不僅需要低噪聲傳感器和模數(shù)轉換元件，還需要低噪聲電源設計。在系統(tǒng)中實現(xiàn)低功耗還需要電源組件有效地從電池或現(xiàn)場布線中獲取電源，而不會增加設計的復雜性。

圖4.典型精密數(shù)據(jù)采集信號鏈的子模塊框圖。

連接需求將取決于特定的應用程序環(huán)境。許多工業(yè)設施已經(jīng)為過程控制或現(xiàn)有的環(huán)境傳感（如溫度）鋪設了大量布線。但是，許多現(xiàn)有基礎設施可能無法處理廣泛的基于狀態(tài)的監(jiān)控所需的大量原始數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)速率。

一種方法是通過以不影響現(xiàn)有功能的方式添加更多數(shù)據(jù)來增強現(xiàn)有布線的功能。例如，HART技術用于在無處不在的4 mA至20 mA模擬接口之上添加數(shù)字形式的診斷信息。同樣，工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)有以太網(wǎng)布線存在的情況下增加了確定性和實時控制，這允許控制應用中的已知延遲以及需要振動或FFT數(shù)據(jù)的更高帶寬，以及允許每個鏈路上有多個節(jié)點。?

另一種方法是無線傳輸信息。在工業(yè)環(huán)境中，需要強大而安全的無線網(wǎng)絡。最新的智能網(wǎng)狀無線電產(chǎn)品是無線芯片和預認證的PCB模塊，即使在惡劣、動態(tài)變化的射頻環(huán)境中也能實現(xiàn)低功耗通信和>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性。對于基于狀態(tài)的監(jiān)控，這意味著故障或瞬態(tài)事件可以保證傳達給主機，并且可以在盡可能短的時間內采取行動。

煤層管理的未來

基于狀態(tài)的監(jiān)測是能源、石油和天然氣等大型資本成本設備的絕對需求，在這些設備中，計劃外停機會直接影響生產(chǎn)成本。它在工廠車間也變得越來越重要，它既可以用作機器維護的主動方法，也可以用作確保機器在正常運行中以一致的方式生產(chǎn)產(chǎn)品的一種方式。隨著這些監(jiān)控功能的價值變得越來越明顯，這項技術將開始應用于我們每天使用的越來越多的機器——不再是風力渦輪機或造紙廠的專利，我們將在火車、飛機和汽車中看到 CbM，最終應用于洗衣機甚至更小的電器。

系統(tǒng)組件制造商會將傳感器甚至整個通道集成到組件中。電機將包括振動和電流感應，軸承和齒輪箱也可能如此。將有獨立的傳感器節(jié)點向您的移動設備報告——在您的車庫門上部署一個，以便在您的汽車卡在里面之前警告您！

為了滿足這些不同場景中日益增長的傳感需求，設備制造商需要采用平臺方法，其中較小的平臺集可以滿足更多樣化的需求。測量通道需要處理不同的傳感器類型，以便基于機架的設備可以針對不同的傳感器組合進行重新填充。在較小的設備中，系統(tǒng)需要適應不同的功率配置文件，以便可以在洗衣機或電池供電的工具中使用相同的監(jiān)控節(jié)點。

結論

基于狀態(tài)的監(jiān)控旨在通過感知機器內的各種可測量參數(shù)來量化機器的健康狀態(tài)。提高這些測量的準確性和靈敏度，以及減小監(jiān)控設備的尺寸、重量和功率，使工廠經(jīng)理能夠在整個工廠車間部署這種傳感。

工廠現(xiàn)在有一個健康監(jiān)測器——一個健身追蹤器——可以更深入地了解工廠的運營情況。工廠經(jīng)理可以被告知機器操作的微小變化，以便利用這些信息及早做出明智的決策。

提前安排維護，并且只為那些真正需要它的機器進行規(guī)劃，可以顯著降低維護成本。下班后呼叫和隨叫隨到的技術人員成本可以降低到零。

由于工廠的受控性更強，因此可以降低資本設備成本。及早發(fā)現(xiàn)和更換磨損部件可保護機器的整體健康。更密切的監(jiān)控可減少災難性故障的發(fā)生。隨著機器的精心管理直至使用壽命結束，可以延長設備的使用壽命。

可以降低工廠最終產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。通過深入了解機器的健康狀況，可以保持對機器公差的控制。最終產(chǎn)品的輸出質量在批次之間更加一致。減少了機器出界或突然停機的發(fā)生。因此，減少了產(chǎn)品返工和浪費。

ADI公司如何幫助解決這個問題

ADI公司（ADI）了解希望最大限度地提高已安裝設備的效率和使用壽命或為最終用戶提供這些測量和分析解決方案的最終客戶的檢測和測量需求。

CbM所需的檢測和測量任務可以通過ADI公司提供的組合技術來解決，在大多數(shù)客戶都熟悉的組件級別，但現(xiàn)在也可以與信號鏈μModule器件和功率μModule產(chǎn)品集成度更高，從而更快地為客戶的產(chǎn)品進行原型設計或設計可行的產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷