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,。設備如人,，傳統(tǒng)運維是“反應式”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,?！芭畈l(fā)展之下，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署落地的應用樣板工程,，預測性維護有望成為IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）殺手級應用之一,，特別是傳感器技術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)品設計?！?ADI SMS產(chǎn)品線應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)制造設備正變得更高效與智能,，但設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)的諸多頭部技術供應商聚焦的熱點技術。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、先進的設備數(shù)字化模型與診斷算法都是剛需,，傳感技術的進步以及人工智能技術的引入加快發(fā)展進程,。
“基于狀態(tài)的設備監(jiān)測，特別是實現(xiàn)數(shù)據(jù)診斷或可預測算法,，跟設備本身有很大關系,，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?！被舯笈e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,?！?/p>
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用程序或PC端網(wǎng)絡儀表板上實現(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用程序構成，通過與Android或iOS移動應用一起使用,，可輕松設置傳感器,，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?！被舯笈e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的改善措施，使客戶對設備的維護和備件需求有更準確的預見性,?！?br/>
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,、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,?！半姍C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,?！被舯蟊硎具@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,、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?！?/p>
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,，手動設置電機相關閥值，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,，安裝時無需手動設置閥值而是由系統(tǒng)自動計算并能根據(jù)設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”,，加速多模式場景應用生態(tài)圈落地
眾所周知,，由于結(jié)構簡單、易于維修,、使用壽命長,，三相鼠籠式異步式電機是應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)以及與民生相關的公共基礎設施領域批量部署，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?；舯蟊硎具@同樣是ADI SMS方案的獨特優(yōu)勢,，無論應用于何種行業(yè),，SMS系統(tǒng)在安裝部署后通過一周左右的時間自主學習，都可以適應設備的運行環(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)的差異化設計帶去價值。
而針對另一些客戶,，設備狀態(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,?；舯笈e例道：“聯(lián)橋網(wǎng)云是一家為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈旋轉(zhuǎn)設備提供實時監(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，在設備監(jiān)測,、機構人員管理,、故障遠程診斷等場景下，為水務行業(yè)客戶提供平臺和專家服務,?！?br/>
工業(yè)領域電機存量市場數(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?！被舯罂偨Y(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,。”,。