作者：Giovanni Campanella，系統(tǒng)工程師，工廠自動(dòng)化，德州儀器

成本、安全性、可用性和可靠性是主要工業(yè)參與者投資預(yù)測(cè)性維護(hù)的主要原因。預(yù)測(cè)性維護(hù)允許工廠通過(guò)測(cè)量振動(dòng)、溫度、壓力和電流等關(guān)鍵參數(shù)來(lái)監(jiān)控在役設(shè)備的狀況。這種監(jiān)控需要具有高速信號(hào)鏈、強(qiáng)大處理能力以及有線和/或無(wú)線連接的智能傳感器。

當(dāng)前趨勢(shì)傾向于無(wú)線連接，因?yàn)樗梢愿采w偏遠(yuǎn)地區(qū)并且不會(huì)增加額外的布線成本。無(wú)線連接將現(xiàn)有設(shè)備轉(zhuǎn)換為智能設(shè)備（而不是替換它），使用戶能夠根據(jù)實(shí)際需要規(guī)劃維護(hù)，提高生產(chǎn)力和效率。這就是工業(yè) 4.0 的終極目標(biāo)。

為什么要進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)？根據(jù)美國(guó)國(guó)家響應(yīng)中心的數(shù)據(jù)，修復(fù)故障資產(chǎn)的成本比在故障之前解決問(wèn)題的成本高出大約 50%。

此外，如果電機(jī)等資產(chǎn)在工廠環(huán)境中以不可預(yù)知的方式發(fā)生故障，可能會(huì)傷害使用它的操作員，可能導(dǎo)致誤工、罰款或?qū)徲?jì)。

最后，不可用的資產(chǎn)可能會(huì)減慢甚至停止生產(chǎn)，從而導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)美元的損失，在某些情況下甚至?xí)?dǎo)致客戶損失。

成本、安全性、可用性和可靠性是預(yù)測(cè)性維護(hù)成為工業(yè) 4.0 基礎(chǔ)的主要原因，工業(yè) 4.0的目標(biāo)是提高工廠的生產(chǎn)力、效率和靈活性。預(yù)測(cè)性維護(hù)的領(lǐng)先解決方案是狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

通過(guò)監(jiān)控資產(chǎn)的狀態(tài)并預(yù)測(cè)其故障，工廠工人將能夠在資產(chǎn)損壞之前對(duì)其進(jìn)行更換或維修。這種主動(dòng)方法避免了停機(jī)并增加了平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)，從而改進(jìn)了生產(chǎn)過(guò)程并提高了效率。您可以在圖 1中看到一個(gè)生產(chǎn)單元的示例。

圖 1：生產(chǎn)單元示例。

什么是預(yù)測(cè)性維護(hù)？開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的監(jiān)控系統(tǒng)需要硬件和軟件組件，包括狀態(tài)監(jiān)控傳感器、網(wǎng)關(guān)和模塊來(lái)處理數(shù)據(jù)處理和傳輸，以及一個(gè)安全的云服務(wù)器作為軟件組件并處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析。

傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的第一個(gè)也是最重要的組件。振動(dòng)、溫度、壓力和電流只是可以指示設(shè)備狀態(tài)的部分參數(shù)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器需要一種具有高分辨率、高速轉(zhuǎn)換的低功耗和小尺寸解決方案，以獲得可靠的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在處理時(shí)可以確定機(jī)器的健康狀況。

處理部分可能需要高效、可擴(kuò)展的快速傅里葉變換 (FFT) 計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)潛在的設(shè)備故障，可以在傳感器級(jí)別發(fā)生，也可以外包給網(wǎng)關(guān)、模塊或云。重要的是要記住，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成的邊緣處理將通過(guò)將一些處理能力從控制或操作員級(jí)別（“核心”）轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別（“邊緣”）。

從傳感器，數(shù)據(jù)將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口（例如 4–20 mA、高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器 (HART)、IO-Link 或工業(yè)以太網(wǎng)）通過(guò)電線傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)或模塊，同時(shí)利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)或使用其他接口例如用于基于壓電測(cè)量原理的加速度計(jì)的集成電子壓電 (IEPE)。

盡管狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)允許多個(gè)有線或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與中央狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊除了處理能力外，還具有與網(wǎng)關(guān)相同的功能。

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（如無(wú)線 HART）、無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（如 IO-Link 無(wú)線）或星形網(wǎng)絡(luò)（如低于 1 GHz）將是傳輸數(shù)據(jù)的最佳解決方案當(dāng)設(shè)備位于遠(yuǎn)程位置或無(wú)法使用現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)或不方便時(shí)。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許無(wú)線電將消息轉(zhuǎn)發(fā)到其他無(wú)線電，從而使無(wú)線電系統(tǒng)更加可靠。例如，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能直接向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，則網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息。

其他協(xié)議（如 Wi-Fi 或藍(lán)牙）用于配置目的，允許操作員以無(wú)線方式與設(shè)備交互，而不是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)觸摸面板。

從網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)測(cè)模塊、工廠控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)視器或安全的云服務(wù)器。這是最后一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將決定是否需要維護(hù)設(shè)備。但是，使用深度學(xué)習(xí)算法準(zhǔn)確解釋和傳達(dá)這些數(shù)據(jù)的能力對(duì)于系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。事實(shí)上，具有深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案將減少人為錯(cuò)誤，并使預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案更智能、更有效。

如何實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)？德州儀器 (TI) 在其一家工廠中實(shí)施了預(yù)測(cè)性維護(hù)，為多個(gè)真空泵配備了傳感器節(jié)點(diǎn)，這是 TI 開(kāi)發(fā)的參考設(shè)計(jì)，可測(cè)量和收集來(lái)自泵的數(shù)據(jù)，例如溫度、電機(jī)電流、氮?dú)饬髁亢退鳎ㄟ^(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，如圖2所示。

TI 可以通過(guò) Internet 輕松訪問(wèn)數(shù)據(jù)以進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和分析，從而使泵的操作員能夠深入了解運(yùn)行狀況。例如，獨(dú)立于通常的維護(hù)計(jì)劃，操作員可以識(shí)別可能導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉的有缺陷的設(shè)備，并在發(fā)生任何損壞之前更換它。

圖 2：用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)示例。

通過(guò)這個(gè)實(shí)際示例，TI 能夠?qū)⒆约旱墓S升級(jí)為智能工廠，通過(guò)監(jiān)控在役設(shè)備的狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。

事實(shí)上，預(yù)測(cè)性維護(hù)是推動(dòng)第四次工業(yè)革命的主要因素之一，它可以提高工廠的效率和生產(chǎn)力，減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，提高可靠性并節(jié)省維護(hù)成本。

審核編輯 黃昊宇