作者：Bertrand Campagnie ADI公司
传统保护一般是预防性或纠正性保护，一般会占用很大一部分出产本钱。现在，运用IIoT（工业物联网）监测机器的健康状况有助于完结猜测性保护，让职业人员能够猜测毛病，然后大幅节约运营本钱。
因为工业设备遍及完结数字化和互联互通，工业4.0得以完结，且正在助力出产东西革新。它就像一个游戏规则的改动者，让出产链变得愈加灵敏，支撑制作定制化产品，一起坚持盈余。此外，数字化和工业物联网衔接对保护也大有裨益。运用传感器，尤其是加速度计之后，能够剖析机器的运转状况，而不是每隔一段时刻替换磨损的部件。在猜测性保护结构内，只要在呈现某些前期预警症状时，操作者才需求进行干涉。这种针对机器健康状况的剖析被称为根据状况的监控（CbM），与根据一般十分保存的固定时刻表的体系型保护体系比较，能够操控保护本钱。除了保护操作方案更为灵敏之外，还能在前期阶段检测出问题，让操作人员能够据此组织机器的停机时刻，比起出产线以外停机，这明显要好得多。
振荡剖析：传感器的重要性
制作商运用多种参数来确认发动保护操作的时刻，这些参数包含振荡、噪声、温度丈量等。在可丈量的物理量中，振荡频谱丈量能够针对旋转机器（发动机、发生器等）中的问题的本源供给最多信息。反常振荡或许是滚珠轴承毛病、轴误差、不平衡、过度松懈等问题。每个问题都有自己特有的症状，例如旋转机器的振荡源。
选用加速度计丈量振荡
振荡丈量能够运用放置在被监测元件邻近的加速度计进行。这种传感器能够是压电式，也能够是MEMS类型，后者更具优势，不只能够在低频率下供给更好的呼应，并且体积细巧。
滚珠轴承发生毛病时，每次滚珠碰触到开裂处，或许触碰到内环或外环的缺点方位，就会发生碰击，引起振荡，乃至导致旋转轴细微移位。碰击发生的频率由滚动速度，以及滚珠的数量和直径决议。
但这不是悉数！一旦毛病呈现，前面说到的碰击有时分会发生能够听见的声响，即冲击波，表现为低能量谱重量和相对较高的频率，一般大于5 kHz，并且总是远远超越根本的旋转频率。只要低噪声、高带宽加速度计（例如ADI公司的ADXL100x）才干丈量与首个毛病信号相对应的频谱线。关于频率呼应较低或噪声较高的产品无法感测到的问题，这些加速度计能够供给一些名贵信息。跟着问题恶化，低能量谱重量不断添加。到了后期，入门级加速度计就能够检测出振荡，但到了此刻，处理毛病会变得火烧眉毛，保护团队需求在很短时刻内做出反响。为了防止猝不及防，运用低噪声、高带宽加速度计在开始呈现反常的时分就进行检测可谓至关重要。
图1.根据问题类型的频谱特征。滚珠轴承毛病的首个痕迹发生在高频频谱
除了ADXL100x系列加速度计（ADXL1001/ADXL1002/ADXL1003/ADXL1004/ADXL1005）之外，ADI公司还供给许多其他加速度计，关于剖析机器状况十分有用。在更严厉的带宽范围内调查发现，ADXL35x系列产品（ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357）具有低噪声等级特性（噪声低至20 μg/√Hz，带宽为1500 Hz）。
与供给模拟输出的ADXL100x系列产品不同，ADXL35x系列产品能够供给数字输出，用于简化与微操控器的接口。
供消费电子运用的入门级产品，例如ADXL34x（ADXL343/ADXL344/ADXL345/ADXL346）或超低功耗ADXL36x （ADXL362/ADXL363）加速度计并不具有足以满意高品质猜测性保护要求的带宽或噪声功能。
这些入门级产品不只约束了现有设备的确诊才能，并且还极大地约束了用于开发未来确诊处理方案的数据的可用性。
可是，它们却是丈量机器活动的极佳挑选，例如，用于核算操作小时数，并在必要时发动保护——不是猜测性保护，而是预防性保护。这些加速度计的功耗极低，因而能够经过能量采集器或经过电池供电。
假如仅仅需求监测和丈量机器忽然发生的碰击，ADXL37x系列产品（ADXL372/ADXL375/ADXL377）便是抱负的挑选。因为碰击或许只会改动机器的精度或运转状况，所以它或许会发动（例如）纠正性保护，以纠正或许呈现的问题。
从组件到完好模块
如前所述，ADXL100x系列具有宽带宽和低噪声特色。可是，它们选用单轴，需求装备相关的处理电子设备。为了简化规划，
ADI公司供给了一套完好的处理方案，选用ADcmXL3021类型施行三轴丈量。这款3.3 V电源电压产品包含三个根据ADXL1002的丈量链、一个温度传感器、一个处理器和一个FIFO。整个设备封装在一个铝壳（23.7 mm×26.7 mm×12mm）内，能够即时安装在旋转机器上。该产品的全尺度为±50 g，具有仅25 μg/√Hz的极低噪声水平缓10 kHz带宽，这些特色使其能够在很多运用中捕捉振荡特征。
信号处理模块不只包含一个具有32个系数的可装备FIR滤波器，还包含一个每轴2048个节点的FFT函数，用于对振荡进行频谱剖析。再将用这种办法核算得出的频谱的每个频率等级与可装备的报警阈值（每轴6个）进行比照。假如频谱组件过于密布，就会生成警报。本产品能够经过SPI端口与主机处理器进行交互，供给拜访内部寄存器以及一组用户可装备的函数的权限，包含先进的数学函数，例如核算均匀值、规范误差、最大值、波峰要素和峰度（四阶动力矩，支撑丈量振荡的锐度）。
表1.ADcmXL3021和ADXL100x系列十分合适CbM运用。
图2.ADcmXL3021模块，十分合适用于施行猜测性保护
SmartMesh：适用于IIoT的网络，十分合适用于施行猜测性保护
无线网络特别合适用于从振荡传感器搜集保护数据。它的速度不需求多快，但有必要满意强健，能够在一般十分喧闹、且选用金属结构、传导性很差的工业环境中运转。它还有必要能够从很多传感器搜集数据，而这些传感器不一定十分接近数据记录器。为了满意这一需求，ADI公司推出SmartMesh® IP工业Mesh网络，该网络功耗低，且具有适当高的抗扰性。终究一个规范关于保护模块十分重要，为其供电的能量采集器或锂电池有必要运转5到10年，中心不能进行替换。SmartMesh IP网络根据6LoWPAN规范（IEEE 802.15.4e），十分合适IIoT，且根据环绕2.4 GHz传输的专有协议构建。该处理方案包含LTC5800收发器或预认证的LTP590x模块，十分易于施行。
图3.SmartMesh IP网络十分合适用于施行IIoT和猜测性保护操作
运用各种技能来确保传输可靠性大于99.999%，包含同步、通道跳变和时刻戳，以及针对Mesh网络的动态重新装备，在信号最微弱的当地仅运用RF途径。
为什么不求助于人工智能呢？
现在存在多种振荡剖析技能。除了数字滤波被用于战胜流程自身或许由机器的其他组件导致的寄生振荡之外，还能够运用数学东西进行辅佐，例如ADcmXL3021中包含的东西（核算均匀值、规范误差、波峰要素、峰度等）。剖析能够在时域中进行，但频率剖析才是供给最多关于反常及反常原因的信息的剖析。频率剖析乃至可用于核算被同化为信号频谱中频谱的倒谱（反向傅里叶变换被用于核算信号傅里叶变换的对数）。可是，不管运用哪种剖析办法，困难之处在于确认最佳警报阈值，以使保护操作既不会太早也不会太迟。
能够选用一种办法代替传统的警报阈值装备，即在毛病辨认流程中引进人工智能。在机器学习阶段，云资源被用于根据来自振荡传感器的数据创立代表性的机器模型。模型创立完结之后，能够下载至本地处理器。运用嵌入式软件不只能够实时辨认正在发生的事情，还能够辨认瞬态事情，然后能够检测反常。
表2.纠正性、预防性和猜测性保护的本钱比照
旋转机器中的振荡源
旋转机器常常遇到的一个问题便是滚珠轴承呈现毛病。对从放置在轴承邻近的加速度计获取的数据进行频谱剖析，能够得出许多特征线、振幅和频率，它们都由旋转的速度和问题原因决议。
所述体系的特征频率包含：
►除了这些频率特征外，滚珠跳过缺点方位（开裂、脱落等）所发生的冲击波还会引起高频振荡（》5 kHz），有时乃至能够听到。
图4.滚珠轴承
►N：滚珠数量
►Φ：触摸视点
►faxle：轴的旋转频率
►d：滚珠直径
►D：滚珠的均匀直径
关于新服务
除了为猜测性保护构建模型之外，人工智能和云拜访还敞开了通向许多或许性的大门。将振荡丈量数据与来自其他传感器的数据（压力、温度、旋转、功率等）相关联，能够推断出关于体系状况的许多信息，远多于保护所需的数据量。将根底数据兼并能够进一步优化设备模型，不只可用于检测机械毛病，还能够处理问题（例如，空输送带、内部没有流液的泵、不含膏体的混合器等）。因而，咱们能够考虑设备制作商经过将设备供给、保护，以及对出产线的功能和问题施行的统计剖析结合起来，为他们的终究客户供给的多种服务。装备了传感器模块之后，根本的电机会成为大数据概念的首要参与者。
作者简介
Bertrand Campagnie在ADI公司作业已超越22年。他之前担任办理运用团队，现在担任工业、医疗和消费电子范畴的战略性客户。Bertrand具有斯特拉斯堡国立高级物理学校工程学位和微电子深入研究文凭。
