改善狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷以及整體系統(tǒng)優(yōu)化是當(dāng)今使用機(jī)械設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)的一些核心挑戰(zhàn)。該主題不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在任何使用機(jī)器的地方都發(fā)揮著越來越大的作用。過去根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行維修的機(jī)器，以及延遲維護(hù)意味著生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。今天，來自機(jī)器的過程數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)剩余的使用壽命。記錄特別關(guān)鍵的參數(shù)，如溫度，噪音和振動(dòng)，以幫助確定最佳運(yùn)行狀態(tài)甚至必要的維護(hù)時(shí)間。這允許避免不必要的磨損并且可能在早期檢測(cè)到可能的故障及其原因。在這種監(jiān)測(cè)的幫助下，在設(shè)施可用性和有效性方面產(chǎn)生了相當(dāng)大的優(yōu)化潛力，帶來了決定性的優(yōu)勢(shì)。例如，有了它，ABB1 可以將停機(jī)時(shí)間減少多達(dá)70％，將電機(jī)使用壽命延長30％，并在一年內(nèi)將其設(shè)備的能耗降低多達(dá)10％。

這種預(yù)測(cè)性維護(hù)（PM）的主要元素，如技術(shù)術(shù)語所知，是基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)（CBM），通常是旋轉(zhuǎn)機(jī)器，如渦輪機(jī)，風(fēng)扇，泵和電動(dòng)機(jī)。使用CBM，可以實(shí)時(shí)記錄有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的信息。但是，沒有做出關(guān)于可能的故障或磨損的預(yù)測(cè)。它們只是通過PM來實(shí)現(xiàn)，從而標(biāo)志著一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：借助更智能的傳感器和更強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算平臺(tái)，可以創(chuàng)建模型，檢測(cè)變化并對(duì)服務(wù)壽命進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

要?jiǎng)?chuàng)建有意義的模型，有必要分析振動(dòng)，溫度，電流和磁場(chǎng)?，F(xiàn)代有線和無線通信方法已經(jīng)允許工廠或公司范圍內(nèi)的設(shè)施監(jiān)控。通過基于云的系統(tǒng)產(chǎn)生額外的分析可能性，以便操作員和服務(wù)技術(shù)人員可以以簡(jiǎn)單的方式訪問提供有關(guān)機(jī)器狀況的信息的數(shù)據(jù)。然而，機(jī)器上的本地智能傳感器和通信基礎(chǔ)設(shè)施是所有這些額外分析可能性的基礎(chǔ)所必不可少的。這些傳感器應(yīng)該如何看待，對(duì)它們施加哪些要求，以及關(guān)鍵特性是什么 - 本文將考慮這些和其他問題。

機(jī)器生命周期的表示

狀態(tài)監(jiān)測(cè)中最基本的問題可能是：在維護(hù)變得必要之前，我可以讓機(jī)器運(yùn)行多長時(shí)間？

一般來說，從邏輯上講，越早進(jìn)行維護(hù)就越好。但是，為了優(yōu)化運(yùn)行和維護(hù)成本或完全實(shí)現(xiàn)最大設(shè)施效率，需要熟悉機(jī)器屬性的專家的知識(shí)。在電機(jī)分析中，這些專家主要來自軸承/潤滑領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)表明這是最薄弱的環(huán)節(jié)。專家們最終決定相對(duì)于實(shí)際生命周期（參見圖1）偏離正常狀態(tài)是否應(yīng)該導(dǎo)致修復(fù)甚至更換。

圖1.機(jī)器的生命周期。

因此，仍未使用的機(jī)器最初處于所謂的保修階段?？赡軣o法排除生命周期早期階段的失敗，但這種情況相對(duì)較少，通常可以追溯到生產(chǎn)故障。只有在間隔維護(hù)的后續(xù)階段才能開始由經(jīng)過適當(dāng)培訓(xùn)的服務(wù)人員進(jìn)行有針對(duì)性的干預(yù)。它們包括在特定時(shí)間或在指定的使用時(shí)間之后獨(dú)立于機(jī)器狀況執(zhí)行的例行維護(hù)，例如換油時(shí)的情況。這里間隔之間的失敗概率也很低。隨著機(jī)器壽命的增加，達(dá)到了狀態(tài)監(jiān)測(cè)階段。從這一點(diǎn)開始，應(yīng)該預(yù)期出現(xiàn)故障。圖1顯示了以下六個(gè)變化，從超聲波范圍內(nèi)的變化水平開始（1），然后是振動(dòng)（2）。通過潤滑劑（3）的分析或通過溫度的輕微升高（4），可以在以可感知的噪聲（5）或熱量產(chǎn)生（6）的形式發(fā)生實(shí)際故障之前檢測(cè)到未決故障的第一跡象。振動(dòng)通常用于識(shí)別老化。三臺(tái)相同機(jī)器在其生命周期內(nèi)的振動(dòng)模式如圖2所示。在初始階段，所有機(jī)器都處于正常范圍內(nèi)。然而，從中年開始，振動(dòng)根據(jù)負(fù)載或多或少地快速增加，然后指數(shù)地增加到壽命結(jié)束時(shí)的臨界范圍。一旦機(jī)器達(dá)到臨界范圍，就必須立即做出反應(yīng)。通過潤滑劑（3）的分析或通過溫度的輕微升高（4），可以在以可感知的噪聲（5）或熱量產(chǎn)生（6）的形式發(fā)生實(shí)際故障之前檢測(cè)到未決故障的第一跡象。振動(dòng)通常用于識(shí)別老化。

三臺(tái)相同機(jī)器在其生命周期內(nèi)的振動(dòng)模式如圖2所示。在初始階段，所有機(jī)器都處于正常范圍內(nèi)。然而，從中年開始，振動(dòng)根據(jù)負(fù)載或多或少地快速增加，然后指數(shù)地增加到壽命結(jié)束時(shí)的臨界范圍。一旦機(jī)器達(dá)到臨界范圍，就必須立即做出反應(yīng)。

通過潤滑劑（3）的分析或通過溫度的輕微升高（4），可以在以可感知的噪聲（5）或熱量產(chǎn)生（6）的形式發(fā)生實(shí)際故障之前檢測(cè)到未決故障的第一跡象。振動(dòng)通常用于識(shí)別老化。三臺(tái)相同機(jī)器在其生命周期內(nèi)的振動(dòng)模式如圖2所示。在初始階段，所有機(jī)器都處于正常范圍內(nèi)。然而，從中年開始，振動(dòng)根據(jù)負(fù)載或多或少地快速增加，然后指數(shù)地增加到壽命結(jié)束時(shí)的臨界范圍。一旦機(jī)器達(dá)到臨界范圍，就必須立即做出反應(yīng)。振動(dòng)通常用于識(shí)別老化。三臺(tái)相同機(jī)器在其生命周期內(nèi)的振動(dòng)模式如圖2所示。在初始階段，所有機(jī)器都處于正常范圍內(nèi)。然而，從中年開始，振動(dòng)根據(jù)負(fù)載或多或少地快速增加，然后指數(shù)地增加到壽命結(jié)束時(shí)的臨界范圍。

一旦機(jī)器達(dá)到臨界范圍，就必須立即做出反應(yīng)。振動(dòng)通常用于識(shí)別老化。三臺(tái)相同機(jī)器在其生命周期內(nèi)的振動(dòng)模式如圖2所示。在初始階段，所有機(jī)器都處于正常范圍內(nèi)。然而，從中年開始，振動(dòng)根據(jù)負(fù)載或多或少地快速增加，然后指數(shù)地增加到壽命結(jié)束時(shí)的臨界范圍。一旦機(jī)器達(dá)到臨界范圍，就必須立即做出反應(yīng)。

圖2.振動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化。

CBM通過振動(dòng)分析

諸如輸出速度，齒輪比和軸承元件數(shù)量之類的參數(shù)對(duì)于分析機(jī)器振動(dòng)模式是主要相關(guān)的。通常，由變速箱引起的振動(dòng)在頻域中被感知為軸速度的倍數(shù)，而軸承的特征頻率通常不代表諧波分量。還經(jīng)常檢測(cè)到由于湍流和空化引起的振動(dòng)。它們通常與風(fēng)扇和泵中的空氣和/或液體流連接，因此傾向于被認(rèn)為是隨機(jī)振動(dòng)。它們通常是靜止的，并且它們的統(tǒng)計(jì)特性沒有變化。然而，隨機(jī)振動(dòng)也可以是循環(huán)平穩(wěn)的，因此具有統(tǒng)計(jì)特性。它們由機(jī)器生成并定期變化，

傳感器方向也起著關(guān)鍵作用。如果通過單軸傳感器測(cè)量主要線性振動(dòng)，則必須根據(jù)振動(dòng)方向調(diào)整傳感器。還有多軸傳感器可以記錄所有方向的振動(dòng)，但單軸傳感器由于其物理特性，噪聲更低，力測(cè)量范圍更大，帶寬更大。

對(duì)振動(dòng)傳感器的要求

為了能夠廣泛使用振動(dòng)傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有兩個(gè)因素非常重要：低成本和小尺寸。在以前經(jīng)常使用壓電傳感器的地方，如今越來越多地使用基于MEMS的加速度計(jì)。它們具有更高的分辨率，出色的漂移和靈敏度特性以及更好的信噪比，并且能夠檢測(cè)幾乎低至直流范圍的極低頻振動(dòng)。它們還非常省電，這也是電池供電無線監(jiān)控系統(tǒng)的理想選擇。與壓電傳感器相比的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)外殼（系統(tǒng)級(jí)封裝）中。這些所謂的SiP解決方案正在通過整合其他重要功能而不斷發(fā)展，形成智能系統(tǒng)：

集成的保護(hù)功能很重要，因?yàn)樽饔迷趥鞲衅髟系倪^大的力通常會(huì)導(dǎo)致傳感器損壞甚至破壞。通過關(guān)閉其內(nèi)部時(shí)鐘并因此保護(hù)傳感器元件，對(duì)可能的超范圍的集成檢測(cè)提供警告或停用陀螺儀中的傳感器元件。SiP解決方案如圖3所示。

圖3.封裝的MEMS系統(tǒng)（左側(cè)）。

隨著CBM領(lǐng)域的需求增加，對(duì)傳感器的需求也在增加。對(duì)于有用的CBM，有關(guān)傳感器測(cè)量范圍（滿量程范圍或簡(jiǎn)稱FSR）的要求已經(jīng)部分大于±50 g。

因?yàn)榧铀俣扰c頻率的平方成比例，所以這些高加速力相對(duì)較快地達(dá)到。公式1證明了這一點(diǎn)：

變量a代表加速度，f代表頻率，d代表振動(dòng)幅度。因此，例如，對(duì)于1千赫振動(dòng)，1μm的振幅已經(jīng)產(chǎn)生的39.5加速度克。

關(guān)于噪聲性能，這應(yīng)該在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)，從近直流到中間兩位數(shù)kHz范圍內(nèi)非常低，因此除了其他偽像之外，還可以在非常低的速度下檢測(cè)到軸承噪聲。然而正是在這里，振動(dòng)傳感器的制造商目前面臨著巨大的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于多軸傳感器。只有少數(shù)制造商提供足夠的低噪聲傳感器，帶寬大于2 kHz，適用于多個(gè)軸。ADI公司（ADI）開發(fā)了ADXL356 / ADXL357 三軸傳感器系列，尤其適用于CBM應(yīng)用。它具有非常好的噪音性能和出色的溫度穩(wěn)定性。盡管它們的帶寬有限為1.5 kHz（諧振頻率= 5.5 kHz），但這些加速度計(jì)仍可在低速設(shè)備（如風(fēng)力渦輪機(jī)）的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中提供重要讀數(shù)。

ADXL100x系列中的單軸傳感器適用于更高帶寬。它們?cè)跇O低的噪聲水平下提供高達(dá)24 kHz（諧振頻率= 45 kHz）的帶寬和高達(dá)±100 g的g范圍。由于帶寬高，可以使用該傳感器系列檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器中發(fā)生的大多數(shù)故障（滑動(dòng)軸承損壞，不平衡，摩擦，松動(dòng)，齒輪缺陷，軸承磨損和氣蝕）。

基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可能分析方法

CBM中的機(jī)器狀態(tài)分析可以使用各種方法完成。最常見的方法可能是時(shí)域分析，頻域分析以及兩者的混合。

1.基于時(shí)間的分析

在時(shí)域振動(dòng)分析中，考慮有效值（均方根或簡(jiǎn)稱有效值），峰 - 峰值和振動(dòng)幅度（見圖4）。

圖4.諧波振動(dòng)信號(hào)的幅度，有效值和峰峰值。

峰 - 峰值反映了電機(jī)軸的最大偏轉(zhuǎn)，因此可以得出關(guān)于其最大負(fù)載的結(jié)論。相反，幅度值描述了發(fā)生振動(dòng)的幅度并識(shí)別異常沖擊事件。然而，不考慮振動(dòng)事件期間的持續(xù)時(shí)間或能量以及因此的破壞能力。因此，有效值通常是最有意義的，因?yàn)樗瑫r(shí)考慮了振動(dòng)時(shí)間歷史和振動(dòng)幅度值。通過所有這些參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的依賴性，可以獲得均方根振動(dòng)的統(tǒng)計(jì)閾值的相關(guān)性。

這種類型的分析證明非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗炔恍枰镜南到y(tǒng)知識(shí)，也不需要任何類型的光譜分析。

2.基于頻率的分析

利用基于頻率的分析，通過快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)間上變化的振動(dòng)信號(hào)分解成其頻率分量。得到的幅度與頻率的頻譜圖可以監(jiān)測(cè)特定的頻率成分及其諧波和邊帶，如圖5所示。

圖5.振動(dòng)與頻率的頻譜圖。

FFT是一種用于振動(dòng)分析的普遍方法，尤其適用于檢測(cè)軸承損壞。有了它，可以為每個(gè)頻率分量分配相應(yīng)的組件。通過FFT，可以濾除由滾動(dòng)元件和缺陷區(qū)域之間的接觸引起的某些故障的重復(fù)脈沖的主頻率。由于它們的頻率成分不同，可以區(qū)分不同類型的軸承損壞（外圈，內(nèi)圈或滾珠軸承的損壞）。但是，為此需要有關(guān)軸承，電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的精確信息。

另外，F(xiàn)FT過程要求在微控制器中重復(fù)記錄和處理振動(dòng)的離散時(shí)間塊。雖然這需要比基于時(shí)間的分析稍微更多的計(jì)算能力，但它會(huì)導(dǎo)致更詳細(xì)的損壞分析。

3.基于時(shí)間和頻率的分析的組合

這種類型的分析是最全面的，因?yàn)樗Y(jié)合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。時(shí)域中的統(tǒng)計(jì)分析提供了關(guān)于系統(tǒng)隨時(shí)間的振動(dòng)強(qiáng)度的信息，同時(shí)提供了它是否在允許范圍內(nèi)的信息?；陬l率的分析能夠以基頻的形式監(jiān)控速度，以及精確識(shí)別故障癥狀所需的其他諧波分量。

基頻的跟蹤尤其具有決定性，因?yàn)橛行е岛推渌y(tǒng)計(jì)參數(shù)隨速度而變化。如果統(tǒng)計(jì)參數(shù)與上次測(cè)量值發(fā)生顯著變化，則必須檢查基頻，以避免可能的誤報(bào)警。

隨著時(shí)間的推移，各個(gè)測(cè)量值的變化對(duì)于所有三種分析方法是共同的。用于監(jiān)視系統(tǒng)的可能方法可以包括首先記錄健康狀況，或者生成所謂的指紋。然后將其與不斷記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在過度偏差或超過相應(yīng)閾值的情況下，反應(yīng)是必要的。如圖6所示，可能的反應(yīng)可能是警告（2）或警報(bào)（4）。根據(jù)嚴(yán)重程度，偏差也可能需要服務(wù)人員立即進(jìn)行干預(yù)。

圖6. FFT的閾值和反應(yīng)。

CBM磁場(chǎng)分析

由于集成磁力計(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)周圍的雜散磁場(chǎng)的測(cè)量代表了另一種有希望的旋轉(zhuǎn)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。測(cè)量是非接觸的; 也就是說，機(jī)器和傳感器之間不需要直接連接。與振動(dòng)傳感器一樣，磁場(chǎng)傳感器有單軸和多軸版本。

對(duì)于故障檢測(cè)，應(yīng)在軸向（平行于電機(jī)軸）和徑向（與電機(jī)軸成直角）測(cè)量雜散磁場(chǎng)。徑向磁場(chǎng)通常被定子鐵芯和電機(jī)殼體削弱。同時(shí)，它受到氣隙中磁通量的顯著影響。軸向磁場(chǎng)由鼠籠式轉(zhuǎn)子中的電流和定子的端部繞組產(chǎn)生。磁力計(jì)的位置和方向?qū)τ跍y(cè)量?jī)蓚€(gè)場(chǎng)都是決定性的。因此，建議選擇靠近軸或電機(jī)殼體的合適位置。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度與溫度直接相關(guān)，因此絕對(duì)有必要同時(shí)測(cè)量溫度。因此，在大多數(shù)情況下，今天的磁場(chǎng)傳感器包含集成的溫度傳感器。還應(yīng)該忘記校準(zhǔn)傳感器以補(bǔ)償其溫度漂移。

與用于振動(dòng)測(cè)量的情況一樣，F(xiàn)FT用于基于磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。然而，為了評(píng)估電動(dòng)機(jī)狀況，即使在幾Hz到約120Hz范圍內(nèi)的低頻也是足夠的。線路頻率明顯突出，而低頻分量的頻譜在存在故障時(shí)占主導(dǎo)地位。

在鼠籠式轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)子條損壞的情況下，滑移值也起決定性作用。它與負(fù)載有關(guān)，理想情況下在空載時(shí)為0％。在額定負(fù)載下，健康機(jī)器的額定負(fù)載在1％到5％之間，并在發(fā)生故障時(shí)相應(yīng)增加。因此，對(duì)于CBM，應(yīng)在相同的負(fù)載條件下進(jìn)行測(cè)量，以消除負(fù)載依賴性的影響

預(yù)測(cè)性維護(hù)的現(xiàn)狀

無論條件監(jiān)控的類型如何，即使采用最智能的監(jiān)控概念，也不能100％保證不會(huì)出現(xiàn)意外停機(jī)，故障或安全風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)只能減少。然而，越來越多的PM正在成為工業(yè)界的一個(gè)關(guān)鍵話題。它被視為未來生產(chǎn)設(shè)施可持續(xù)成功的明確先決條件。然而，為此，需要?jiǎng)?chuàng)新和快速發(fā)展 - 其技術(shù)必須部分確定。赤字主要存在于客戶利益和成本的比較中。

然而，許多工業(yè)企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到PM作為成功因素的重要性，因此是未來業(yè)務(wù)的機(jī)會(huì) - 而不僅僅是服務(wù)領(lǐng)域。盡管存在極大的挑戰(zhàn)，特別是在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，PM的技術(shù)可行性仍然很大。然而，PM目前正在機(jī)會(huì)主導(dǎo)地推動(dòng)。預(yù)計(jì)未來的商業(yè)模式將主要由軟件組件決定，硬件的增值份額將相繼減少?？傊b于機(jī)器運(yùn)行時(shí)間較長導(dǎo)致產(chǎn)量較高，今天對(duì)PM的硬件和軟件的投資已經(jīng)值得。