剛閉幕的兩會(huì)政府工作報(bào)告中首次寫入“新基建”這一概念，加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，目標(biāo)是激發(fā)新消費(fèi)需求、助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)。在新基建的風(fēng)口下，作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)核心動(dòng)力的工業(yè)制造如何迎來(lái)自我升級(jí)的機(jī)遇呢？隨著人工智能加速落地，以及有線和無(wú)線技術(shù)解決方案的成熟，基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)（CbM）實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)或許是其中關(guān)鍵一環(huán)。

特別是隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人和渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵、電機(jī)之類的旋轉(zhuǎn)機(jī)器在工廠中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，并伴隨著自動(dòng)化的趨勢(shì)形成了一整套層層嵌合的流水線產(chǎn)線。在最理想的情況下，流水線一旦組成就可以一直運(yùn)作，但是機(jī)器總會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損耗，一旦發(fā)生問(wèn)題，這套精密的產(chǎn)線就會(huì)停工，為企業(yè)造成極大的損失。因此，如果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)測(cè)，在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)測(cè)維護(hù)，可以減少生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產(chǎn)率。

確保“預(yù)言”準(zhǔn)確度，可靠數(shù)據(jù)采集傳感器模塊不可少

要對(duì)工業(yè)機(jī)器實(shí)施基于狀態(tài)的監(jiān)控，可以利用一系列傳感器數(shù)據(jù)，如電氣測(cè)量、振動(dòng)、溫度、油品質(zhì)量、聲學(xué)和流程測(cè)量（如流量和壓力）。但是，振動(dòng)測(cè)量是目前最常見的，因?yàn)樗梢宰羁煽康刂甘境鰴C(jī)械問(wèn)題，例如不平衡和軸承故障。

作為全球半導(dǎo)體領(lǐng)域最擅長(zhǎng)信號(hào)調(diào)理與采集的ADI公司，在此方面早已有完整的技術(shù)布局，他們利用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)、低功耗微控制器和有線 iCoupler® 隔離接口信號(hào)鏈，可提取、調(diào)整來(lái)自遠(yuǎn)程CbM從機(jī)的機(jī)器健康狀況數(shù)據(jù)，并將其可靠回傳至主控制器進(jìn)行分析。隨著時(shí)間的推移，可以使用機(jī)器健康數(shù)據(jù)創(chuàng)建基于軟件的模型來(lái)確定機(jī)器行為的變化，并主動(dòng)維護(hù)機(jī)器健康。

在工業(yè)狀態(tài)檢測(cè)中的第一步就是獲取準(zhǔn)確的機(jī)械數(shù)據(jù)，因此選擇一個(gè)可靠的MEMS振動(dòng)傳感器極為關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，會(huì)從軸數(shù)、故障類型、性能要求等多個(gè)方面考量MEMS振動(dòng)傳感器的選擇。

被監(jiān)測(cè)的軸數(shù)通常與故障類型和傳感器的安裝布置呈函數(shù)關(guān)系。如果能明顯看出故障涉及一個(gè)主導(dǎo)軸，并且在該軸上有一個(gè)清晰的傳輸路徑，那么采用單軸傳感器就足夠了。三軸傳感對(duì) 于多軸中包含能量的故障或故障能量傳輸路徑不明確的故障是有用的。

被監(jiān)測(cè)的故障類型對(duì)傳感器選擇有重要影響。傳感器的噪聲密度和帶寬是這方面的重要指標(biāo)，因?yàn)樗鼈儧Q定了能夠可靠提取的振動(dòng)水平和頻率范圍。例如，對(duì)于低轉(zhuǎn)速機(jī)器的不平衡和失調(diào)故障，可能需要一個(gè)低噪聲密度傳感器，但帶寬要求相當(dāng)?shù)停X輪故障檢測(cè)需要傳感器兼具低噪聲密度和高帶寬。

除了故障類型外，了解CbM的性能要求也很重要。在可測(cè)量的物理量中，振動(dòng)頻譜測(cè)量能夠針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)器（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)生器等）中的問(wèn)題的根源提供最多信息，異常振動(dòng)可能是滾珠軸承故障、軸偏差、不平衡、過(guò)度松散等問(wèn)題。每振動(dòng)測(cè)量可以使用放置在被監(jiān)測(cè)元件附近的加速度計(jì)進(jìn)行。這種傳感器可以是壓電式，也可以是MEMS類型，后者更具優(yōu)勢(shì)，ADcmXL3021 MEMS加速度計(jì)模塊便是其中的代表解決方案。

這個(gè)加速度計(jì)具備超低噪聲密度(25 µg/√Hz)，支持出色的分辨率，可滿足不同解決方案需求。ADcmXL3021也具備寬帶寬（從直流一直到10 kHz，5%平坦度），可以跟蹤許多機(jī)器平臺(tái)上的關(guān)鍵振動(dòng)特征。ADcmXL3021為客戶提供一個(gè)經(jīng)過(guò)機(jī)械優(yōu)化的鋁封裝，可以在廣泛的頻率范圍內(nèi)提供與集成MEMS傳感器的穩(wěn)定耦合。這就保證了可以可靠提取和調(diào)理從受測(cè)設(shè)備獲得的振動(dòng)特征。ADcmXL3021可以提供SPI輸出，可以直接與RS-485/RS-422器件連接，也可以通過(guò)微處理器和/或 iCoupler 信號(hào)和功率隔離與RS-485/RS-422器件連接為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)設(shè)備上的振動(dòng)特征，ADcmXL3021提供實(shí)時(shí)流傳輸模式，其工作速率約為12 Mbps SPI。

在獲取傳感器數(shù)據(jù)后，接下來(lái)一步就是對(duì)其進(jìn)行處理、傳輸，變成操作人可以輕松讀懂的信息。這種傳輸意味著將來(lái)自感測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器或者云高度依賴應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，一些本地?cái)?shù)據(jù)會(huì)在終端節(jié)點(diǎn)處理，匯總數(shù)據(jù)隨后發(fā)送至服務(wù)器中。

實(shí)現(xiàn)可靠、高度集成、有線MEMS加速度計(jì)基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的解決方案的選項(xiàng)

有線無(wú)線任選，工業(yè)狀態(tài)隨心監(jiān)測(cè)

獲取到振動(dòng)數(shù)據(jù)后，接下來(lái)要做的就是進(jìn)行傳輸和處理。在長(zhǎng)電纜中傳輸時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到危害影響，例如較大的共模噪聲、接地電位差異和高壓瞬態(tài)。采用ADI iCoupler 芯片級(jí)變壓器隔離技術(shù)可以提高對(duì)這些噪聲源的抗干擾能力。

在有線通信網(wǎng)絡(luò)中，暴露在外的連接器和電纜還可能遭受許多嚴(yán)苛的高壓瞬態(tài)影響。與變速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC抗擾度要求相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)IEC 61800-3標(biāo)準(zhǔn)，要求最低±4 kV（接觸）/±8 kV（空氣）的IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。ADI新一代RS-485收發(fā)器 提供高于±8 kV（接觸）/±8 kV（空氣）IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)。

狀態(tài)監(jiān)控的各類線材、機(jī)器本身的各類線材會(huì)占用不少空間，在一些應(yīng)用場(chǎng)景下，有線監(jiān)控?zé)o法滿足需求，這時(shí)候，就需要更加輕量化的無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控解決方案。將數(shù)據(jù)在本地處理后，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，或者直接通過(guò)蜂窩鏈路發(fā)送至云或分析服務(wù)器。ADI提供一整套基于SmartMesh技術(shù)的CBM無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控方案，采用了高性能、寬帶寬傳感器技術(shù)，超低功耗處理器和強(qiáng)大的無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

基于SmartMesh無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的CBM無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控方案

SmartMesh網(wǎng)絡(luò)是這套監(jiān)控方案?jìng)鬏敳糠值暮诵募夹g(shù)，它配備網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)軟件的芯片和預(yù)認(rèn)證 PCB 模塊，使傳感器能夠在苛刻的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 環(huán)境中進(jìn)行通信，從而簡(jiǎn)化制造操作。安裝不會(huì)對(duì)正常的工業(yè)生產(chǎn)造成干擾，特別是適合緊湊的空間限制以及不方便布設(shè)線路的工業(yè)環(huán)境，并且提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而減少了停機(jī)時(shí)間并可幫助進(jìn)行未來(lái)容量規(guī)劃。同時(shí)，SmartMesh IP 嵌入式無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn) >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性和超低功耗。

GUI用戶界面

小結(jié)

ADI推出的CbM狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案可幫助工業(yè)技術(shù)人員快速了解工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而提前快速處理。并提供有線、無(wú)線兩種連接方式，想要更原始數(shù)據(jù)時(shí)，采用有線傳輸；想要更輕量化布局時(shí)，采用無(wú)線傳輸，滿足了不同維度的用戶需求，并加速工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。