Shankar Malladi, Jason Griffin, 和 Sebastien Christian

為何需要預測性維護？

在當今的工廠中，由于系統(tǒng)故障，僅在美國就發(fā)生了1400萬小時的意外停機，造成數(shù)十億美元的損失。為了防止此類事件發(fā)生，工廠通常采用昂貴的基于路徑的方法，讓專家收集數(shù)據(jù)以評估設備的健康狀況，或使用一系列次優(yōu)檢測解決方案，無法可靠檢測系統(tǒng)中可能發(fā)生的所有潛在故障。

現(xiàn)在，工業(yè)4.0（也稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或IIoT）浪潮正如火如荼，工業(yè)客戶更專注于部署解決方案以增加設備正常運行時間，降低運營成本，延長設備壽命，提高工人生產率。預測性維護解決方案結合檢測技術來收集設備數(shù)據(jù)，并采用先進的分析和算法來得出關于設備健康狀況的可行洞察。其結果是，這種方法有望將整體工業(yè)生產率提高30%以上。

一個常見需求是結合了硬件和軟件且易于安裝和使用的完整交鑰匙無線解決方案。很多行業(yè)需要一種不要求專家手動收集數(shù)據(jù)和/或安裝并維護專用網(wǎng)絡的解決方案。

智能電機傳感器(SMS)及其工作原理

智能電機傳感器(SMS)是一種靈活、開箱即用的端到端安全無線預測性維護(PdM)解決方案 ，它結合了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品。

智能電機傳感器(SMS)與Android和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，應用內會就關鍵事件發(fā)出通知和警報。云托管儀表板提供機器健康狀況診斷和故障檢測的完整概覽，其中包含每個電機狀態(tài)的詳細信息和可視化以及基于人工智能(AI)的分析，以檢測電機中常見的故障。

電池供電的SMS器件結合了ADI的MEMS傳感器、精密轉換器和信號鏈。SMS器件中嵌入的固件捕獲電機的各種參數(shù)（如振動、溫度、速度和磁通量），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(AI)引擎分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控電機的運行狀況。

該系統(tǒng)可以預測電機中常見的9種電氣和機械故障，若檢測到故障，就會推送通知或電子郵件，告知用戶要采取的適當措施。智能電機傳感器產品套件既可作為端到端解決方案提供給客戶，也可通過REST API供客戶使用。

傳感器到云軟件構建模塊

圖3展示了ADI的傳感器到云軟件框架，該框架用于構建SMS解決方案的必要軟件。傳感器到云安全軟件框架有助于滿足對完整解決方案的需求，消除與組建完整系統(tǒng)以從實際數(shù)據(jù)中獲取可行洞察相關的挫敗感和復雜性。

圖3. 傳感器到云安全軟件框架

該框架還實現(xiàn)了更高的復用性，有助于縮短上市時間，允許軟件團隊專注于為給定產品交付領域特定的解決方案。

除了功能和可擴展性外，規(guī)范的最佳實踐和流程也是框架的重要組成部分，以確保提供強大且安全的解決方案。該軟件框架是建議最佳實踐和經(jīng)過驗證的流程的體現(xiàn)，它從以用戶為中心的角度接納每個新客戶，并將DevOps原則自動化以實現(xiàn)高效率和合規(guī)性。

SMS云和Web

OtoSense SMS云后端建立在安全軟件框架之上，并對其進行了擴展。圖4顯示了云基礎設施的組件。該應用是多租戶的，支持多個客戶入駐并能確保數(shù)據(jù)隔離，如圖5所示。獨特的定制標簽合作伙伴版本還允許客戶（如汽車維修車間、汽車經(jīng)銷商和其他客戶）輕松添加其徽標和品牌，并將SMS直接銷售給其客戶。合作伙伴只需單擊幾下即可無縫創(chuàng)建新租戶，所有必要的架構都會自動生成，同時會向客戶發(fā)送電子郵件邀請其入駐。

圖5. 多租戶確保客戶數(shù)據(jù)隔離

SMS移動應用

ADI OtoSense SMS移動應用在架構時優(yōu)先考慮了代碼復用。核心應用由幾個模塊組成，包括SMS通信模塊、API通信模塊和核心應用模塊（視圖和導航），如圖6所示。

圖6. 移動應用架構

這些模塊代表了可以在所有定制標簽合作伙伴應用中復用的全部內容。對于每個新的定制標簽應用，都會創(chuàng)建一個新的配置集，其中包含合作伙伴的品牌UI組件和API配置。這種軟件架構使得移動應用開發(fā)團隊能夠快速輕松地創(chuàng)建新的合作伙伴應用，并高效地為所有合作伙伴應用發(fā)布新功能和更新。

SMS AI引擎

ADI OtoSense AI平臺可以解決任何檢測解譯挑戰(zhàn)。該平臺已被用于實現(xiàn)智能電機傳感器解決方案的機器學習組件。

ADI公司在電機方面的深厚知識已被用來創(chuàng)建電機最優(yōu)行為的數(shù)字藍圖，其中涵蓋了全部負載、轉速和溫度范圍。然而，每臺電機一旦售出，就會偏離這個初始模型。環(huán)境、使用和維護操作使它獨一無二。

在電機上安裝之后，ADI OtoSense SMS最初會獲取數(shù)據(jù)以了解此電機與藍圖有何不同，并為SMS邊緣器件所連接的電機創(chuàng)建一個獨特的數(shù)字孿生。然后，OtoSense SMS將來自該電機的數(shù)據(jù)與在完全相同的工作條件下運行的數(shù)字孿生進行比較。如果實際電機與其數(shù)字孿生之間的行為存在顯著差異，OtoSense SMS會分析這種差異以確定造成不一致的最可能的根本原因，并告知用戶故障的存在、原因和應對措施。

該系統(tǒng)能夠檢測以下9個常見問題：

電機電源系統(tǒng)故障，這可能導致電機電流不對稱。

電機旋轉部件的重心位移導致的機器轉子不平衡。

電機和電機負載之間未對準。

電機定子引起的故障，導致電機電流不對稱。

定子和轉子之間的同心度未得到保持而引發(fā)的電機故障。

在電機有獨立通風的情況下，電機散熱系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如通風口阻塞或風扇停轉。

轉子故障，例如轉子活動部件（如轉子條或短路環(huán)）不連續(xù)，或銅轉子的焊縫發(fā)生問題。

軸承故障，例如缺少潤滑或內外圈、保持架、滾動元件存在缺陷。

將電機固定到操作臺的系統(tǒng)存在問題，例如支撐腳不堅固或松動。

SMS固件

SMS中嵌入的固件捕獲相連電機的各種參數(shù)（如振動、溫度、速度和磁通量），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。SMS固件通過Wi-Fi接口與iOS或Android智能手機連接，以支持設備安裝和配置。在部署期間和之后，該固件提供診斷信息以便對設備進行故障排除，并且可以通過無線方式安全地更新。

SMS固件是利用基于可移植服務架構的框架構建的。此框架由模塊化、可復用的功能模塊組成，這些功能模塊包裝成與應用無關的服務API，以支持其他物聯(lián)網(wǎng)應用復用。它還使應用開發(fā)人員能夠輕松地將應用特定的信號處理功能和算法以及服務API集成到產品中。圖7為該框架的功能框圖。

圖7. 安全固件框架功能框圖

端到端安全性

ADI OtoSense SMS采用業(yè)界優(yōu)秀的安全協(xié)議和控制進行端到端設計，確保SMS數(shù)據(jù)和洞察保持準確性和精確性，得到可靠的處理，無中斷傳輸，并且始終且只能由授權的OtoSense SMS用戶訪問。

每個SMS客戶在OtoSense Cloud上都有一個專用帳戶，所有數(shù)據(jù)（傳感器數(shù)據(jù)、洞察、帳戶信息等）都使用客戶ID作為頂級分區(qū)鍵進行分區(qū)。對客戶數(shù)據(jù)的訪問僅限于客戶帳戶的成員，訪問授權由主要云服務提供商提供的身份和訪問管理服務強制執(zhí)行。

用戶帳戶創(chuàng)建、管理和用戶名/密碼登錄安全性（包括密碼重置功能）利用來自主要身份和登錄服務提供商的可信用戶管理和身份驗證服務，確保用戶從移動應用和Web儀表板安全可靠地登錄。

SMS器件和Web應用之間的會話僅通過相互驗證的TLS建立。所有進出SMS器件的數(shù)據(jù)都通過MQTT-over-TLS協(xié)議進行加密和傳輸，包括傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送到SMS器件的命令以及傳輸?shù)揭巡渴餝MS器件的無線更新。

結論

所有軟件構建模塊，結合ADI公司的先進技術，如MEMS傳感器、精密轉換器、信號鏈和電機專業(yè)知識，為電機的預測性維護提供了一個完整的開箱即用解決方案。端到端安全解決方案旨在提供值得信賴的洞察力，從而增加設備正常運行時間，降低運營成本，延長設備使用壽命，提高員工生產率。

審核編輯：郭婷