【導讀】古語云“上醫治未病，下醫治已病”，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，傳統運維是“反應式”的發現故障再進行處理，如今同樣需要“治未病”的預測性維護（PdM），在故障發生前做出預警和判斷，避免安全隱患，減少停機時間。
根據IOT Analytics數據顯示，2021年全球預測性維護市場規模為69億美元，2026年則有望達到282億美元。“蓬勃發展之下，作為工業互聯網部署落地的應用樣板工程，預測性維護有望成為IIoT（工業物聯網）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品設計。”
ADI SMS產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，國際自動化學會ISA曾有數據顯示，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“工業之母”，是現代工業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的重要課題，也是包括ADI在內的諸多頭部技術供應商聚焦的熱點技術。要實現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，而高精度實時數據采集硬件方案、先進的設備數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展進程。
“基于狀態的設備監測，特別是實現數據診斷或可預測算法，跟設備本身有很大關系，不同電機的失效模式，與模型的數據匹配方法完全不一樣。”霍斌舉例說，“在工業電機中，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”電機工作狀態是否健康時，需要大量有效數據的支持，如壓力、振動、噪聲、溫度等。根據現有的研究與產品開發經驗，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。
據霍斌介紹，僅需4顆可更換的1.5V AA鋰電池供電，SMS器件內部集成了ADI高性能傳感器、精密轉換器和信號鏈，能捕獲電機的振動、溫度、速度和磁通量等各種參數，在早期就能檢測出電機異常狀況，并通過Wi-Fi連接將這些數據安全地發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據并監控電機的運行狀況，使客戶可以在手機移動應用程序或PC端網絡儀表板上實現7x24小時電機狀況監控。霍斌強調說：“SMS結合了ADI軟件、硬件和電機領域的專業知識，為電機的預測性維護創建一種安全的可擴展產品，其設置安裝簡便、隨時隨地無需聯線和停機，適用于室內外各種嚴酷的工業環境。”
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據采集及通訊硬件、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，提供對部署數據的可見性，其突出優勢除了能對電機的開關機次數、運行時間、轉速、電流、輸出力矩/功率等運行狀態進行實時監測外，還能診斷出行業最多的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：電機單相內部短路，線圈之間出現絕緣問題，增加電流并產生三相不平衡。
（3）轉子異常：轉子損壞，轉子材料結構上缺陷。
（4）機軸不平衡：質量分布不均，導致負載偏離旋轉中心；轉子彎曲。
（5）定轉子對稱：動態時可能是由于軸彎曲引起轉子與定子之間的間隙變化；不正確的安裝軸承，導致電機內部出現對中問題，引起轉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細小裂紋或者缺陷，從而產生振動問題。
（7）軸心偏移：當兩個旋轉軸（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，就會出現結構松動，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，即設備健康指數是從0到10的區間參數，包含正常工作、故障警告、嚴重故障狀態三類范圍，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系統會根據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。”
解決方案的高性能表現離不開軟硬件產品的賦能，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子轉動產生的磁場場強，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，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，實現了多傳感器的數據融合。”霍斌表示這是SMS方案頗具特色的一點，而傳感器采集的數據通過無線方式傳輸至云端是SMS的另一大優勢，有效避免了布局有線網絡的局限性，能在工業現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，能為客戶提供的最大好處是可靠的狀態數據監測并反饋基于診斷結果的維護建議，而這主要得益于監測電機運行狀況與SMS云端AI引擎數據分析的準確性。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結構、驅動原理及電機故障的外在表現都有深刻的理解，此外在算法開發時，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，豐富的數據積累也是支撐云端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，通常需要根據現場工程師的經驗與測試，手動設置電機相關閥值，運行過程中如果負荷發生變化等，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自動計算并能根據設備工作條件的變化動態調整，降低操作人員門檻。
洞悉行業精準“病理”，加速多模式場景應用生態圈落地
眾所周知，由于結構簡單、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的ADI SMS解決方案同樣因安裝便捷、診斷準確等優勢，在全球范圍內的工業連續性生產以及與民生相關的公共基礎設施領域批量部署，如生產線傳送帶驅動、水站水泵驅動、車間通風扇驅動、壓縮機驅動、液壓油控制泵或閉路制冷泵驅動等。
據此霍斌指出盡管ADI利用在電機方面的深厚知識已創建最優的電機初始模型，但不同應用場景下每臺電機的運行環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建獨特的數字孿生，將該電機的實際數據與完全相同工況下運行的數字孿生進行比較，如果存在顯著差異，SMS系統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方案的獨特優勢，無論應用于何種行業，SMS系統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境，進而進行準確的狀態監測。
在實際部署時，霍斌也提到不同行業、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品，ADI可提供門類齊全的芯片級別產品支持，除了MEMS加速度計之外還包括了ADC/DAC、放大器、數字隔離器、電源管理器件等高性能器件，能為客戶實現系統的差異化設計帶去價值。
而針對另一些客戶，設備狀態監測可能只是其系統方案的功能之一，例如會與資產管理、生產運維、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者模式供客戶自由選擇，開發者模式下允許通過調用API接口的方式獲取各類數據，包括電機的原始采樣值，以支持客戶做二次開發與系統集成等。霍斌舉例道：“聯橋網云是一家為傳統產業鏈旋轉設備提供實時監測的系統集成商，在其旋轉無憂?分布式應用云平臺中便集成了ADI SMS解決方案，結合聯橋網云專家系統形成互補，在設備監測、機構人員管理、故障遠程診斷等場景下，為水務行業客戶提供平臺和專家服務。”
工業領域電機存量市場數量巨大，未來隨著產線智能化升級持續推進，預測性維護的價值將進一步得到重視和發揮。“ADI長期深耕設備狀態監測與智能運維，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運維的降本增效。”霍斌總結并展望道，“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自動化的可持續性發展，讓傳統制造業迸發數字化新動能。”。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
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