工廠自動(dòng)化和整體效率理所當(dāng)然地受到極大的關(guān)注，不僅因?yàn)楫a(chǎn)量的小幅增加也能帶來好處，而且還因?yàn)闇p少或消除設(shè)備停機(jī)的嚴(yán)重成本同樣重要的潛力。現(xiàn)在，不再依靠對(duì)可用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的識(shí)別能力的進(jìn)步來預(yù)測(cè)維護(hù)需求，或者僅僅依靠訓(xùn)練有素的技術(shù)人員，而是可以通過傳感和無線傳輸?shù)倪M(jìn)步進(jìn)行真正的實(shí)時(shí)分析和控制。

精密工業(yè)過程越來越依賴于電機(jī)和相關(guān)機(jī)械的高效和一致運(yùn)行。機(jī)械中的不平衡、缺陷、配件松動(dòng)和其他異常通常會(huì)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，然后是精度損失以及安全問題。當(dāng)這些問題得不到解決時(shí)，除了性能和安全問題外，生產(chǎn)力損失就不可避免地要發(fā)生，因?yàn)樵O(shè)備需要離線進(jìn)行維修。即使是通常難以及時(shí)預(yù)測(cè)的設(shè)備性能的微小變化，也會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為可衡量的生產(chǎn)力損失。

過程監(jiān)控和基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維護(hù)是避免生產(chǎn)力損失的已知且經(jīng)過驗(yàn)證的方法，但這些方法的價(jià)值與其復(fù)雜性相匹配。現(xiàn)有方法存在局限性，特別是在分析振動(dòng)數(shù)據(jù)（無論如何收集）和隔離誤差源時(shí)。

典型的數(shù)據(jù)收集方法包括安裝在機(jī)器上的簡(jiǎn)單壓電傳感器和手持式數(shù)據(jù)收集工具。這些方法有許多局限性，特別是與可以嵌入機(jī)器上或機(jī)器中并自主行動(dòng)的完整檢測(cè)和分析系統(tǒng)的理想解決方案相比。這些局限性以及與理想（自主和無線嵌入式傳感器）的比較將在這里進(jìn)一步探討。對(duì)實(shí)現(xiàn)完全嵌入式和自主傳感元件的復(fù)雜系統(tǒng)目標(biāo)的選項(xiàng)分析可以分為十個(gè)獨(dú)立的問題，包括進(jìn)行高度可重復(fù)的測(cè)量，準(zhǔn)確評(píng)估捕獲的數(shù)據(jù)以及適當(dāng)?shù)奈臋n和可追溯性，下面將討論可用方法與理想方法。

準(zhǔn)確且可重復(fù)的測(cè)量

現(xiàn)有的手持式振動(dòng)探頭提供了一些實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，包括不需要對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行任何修改，以及它們相對(duì)高度集成，鑒于其大（磚）尺寸，允許足夠的處理和存儲(chǔ)。然而，一個(gè)主要的限制是測(cè)量缺乏可重復(fù)性。探頭位置或角度的微小差異會(huì)產(chǎn)生不一致的振動(dòng)曲線，使時(shí)間比較不準(zhǔn)確。因此，維護(hù)技術(shù)人員面臨的問題是，觀察到的任何振動(dòng)偏移是由于機(jī)器內(nèi)部的實(shí)際變化，還是僅僅是測(cè)量技術(shù)的變化。理想情況下，傳感器既緊湊又集成，足以允許直接和永久嵌入感興趣的設(shè)備中，從而消除測(cè)量位置偏移的任何問題，并允許完全靈活地安排測(cè)量。

測(cè)量的頻率和調(diào)度

過程監(jiān)控在高價(jià)值設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中特別有價(jià)值，例如，在敏感電子元件的制造中。在這種情況下，裝配線上的細(xì)微變化不僅可能導(dǎo)致工廠產(chǎn)量下降，還可能導(dǎo)致終端設(shè)備關(guān)鍵規(guī)格的轉(zhuǎn)變。手持式探頭方法的一個(gè)明顯局限性是缺乏對(duì)麻煩振動(dòng)偏移的實(shí)時(shí)通知。大多數(shù)基于壓電陶瓷的傳感器也是如此，這些傳感器通常處于非常低的集成度（在某些情況下僅為傳感器），數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌胤揭怨┮院蠓治觥＿@些設(shè)備需要外部干預(yù)，因此為錯(cuò)過事件/班次提供了機(jī)會(huì)。另一方面，自主傳感器處理系統(tǒng)，包括傳感器、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，并且仍然足夠小，可以嵌入，提供最快的振動(dòng)偏移通知，以及顯示基于時(shí)間的趨勢(shì)的最佳能力。

了解數(shù)據(jù)

如上所述，只有采用頻域分析，才能從嵌入式傳感器發(fā)出實(shí)時(shí)通知。任何給定的設(shè)備通常具有多個(gè)振動(dòng)源（軸承缺陷、不平衡、齒輪嚙合），包括那些設(shè)計(jì)使然的來源，例如在其正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動(dòng)的鉆頭或機(jī)械壓力機(jī)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行基于時(shí)間的分析會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波形，將多個(gè)源組合在一起，在FFT分析之前提供很少的可識(shí)別信息。大多數(shù)基于壓電陶瓷的傳感器解決方案依賴于FFT的外部計(jì)算和分析。這不僅消除了實(shí)時(shí)通知的可能性，而且還給設(shè)備開發(fā)人員帶來了巨大的額外設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。通過在傳感器上嵌入FFT分析，可以立即將振動(dòng)偏移隔離到特定來源。鑒于完全集成和自主傳感器的完整性和簡(jiǎn)單性，這種完全集成的傳感器元件還可以將設(shè)備設(shè)計(jì)人員的開發(fā)時(shí)間縮短 12 到 <> 個(gè)月。

數(shù)據(jù)訪問和傳輸

雖然嵌入式傳感是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)趨勢(shì)數(shù)據(jù)的理想選擇，但這確實(shí)使將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ǔＳ蛇h(yuǎn)程過程控制器或操作員的任務(wù)復(fù)雜化。嵌入式FFT分析顯然還假設(shè)模擬傳感器數(shù)據(jù)已經(jīng)過調(diào)理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以支持簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)傳輸。事實(shí)上，目前使用的大多數(shù)振動(dòng)傳感器解決方案都是模擬輸出，導(dǎo)致傳輸過程中信號(hào)衰減，更不用說已經(jīng)討論過的離線數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性。鑒于大多數(shù)需要振動(dòng)監(jiān)測(cè)的工業(yè)設(shè)備往往存在于嘈雜、移動(dòng)、難以接近甚至危險(xiǎn)的環(huán)境中，人們強(qiáng)烈希望不僅要降低接口布線的復(fù)雜性，還要在源頭執(zhí)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析，以盡可能準(zhǔn)確地捕獲設(shè)備振動(dòng)的表示。無線傳感器節(jié)點(diǎn)不僅便于即時(shí)訪問，而且大大簡(jiǎn)化了傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，并大大降低了成本。

數(shù)據(jù)方向性

許多現(xiàn)有的傳感器解決方案都是單軸壓電傳感器。這些壓電傳感器不提供方向性信息，因此限制了對(duì)設(shè)備振動(dòng)曲線的理解。缺乏方向性意味著需要非常低噪聲的傳感器來實(shí)現(xiàn)必要的辨別，這也會(huì)影響成本。基于多軸MEMS的傳感器的可用性，如果跨軸精確對(duì)齊，可以顯著提高隔離振動(dòng)源的能力，同時(shí)也有可能降低成本。

傳感器的位置和分布

設(shè)備振動(dòng)曲線復(fù)雜、時(shí)移，并且容易受到設(shè)備材料和位置差異的影響。傳感器的放置位置當(dāng)然至關(guān)重要，但也高度依賴于設(shè)備類型、環(huán)境甚至設(shè)備的生命周期。由于現(xiàn)有的高成本傳感器元件將探測(cè)點(diǎn)的數(shù)量限制在幾個(gè)或一個(gè)，這個(gè)問題更為關(guān)鍵。這意味著要么需要大量額外的前期開發(fā)時(shí)間，要么通過實(shí)驗(yàn)確定最佳放置，要么在大多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)致要捕獲的數(shù)據(jù)量和質(zhì)量有所妥協(xié)。以現(xiàn)有成本的一小部分存在更完全集成的傳感器探頭，可以允許每個(gè)系統(tǒng)放置多個(gè)探頭，減少前期開發(fā)時(shí)間/成本，或者只是更少和更便宜的傳感器。

適應(yīng)生命周期變化

雖然手持式監(jiān)控系統(tǒng)方法也許可以根據(jù)隨時(shí)間的變化（周期性、數(shù)據(jù)量等）進(jìn)行定制，但在嵌入式傳感器中提供基于相同生命周期的定制需要在設(shè)計(jì)和部署期間預(yù)先關(guān)注，以實(shí)現(xiàn)所需的可調(diào)性。無論技術(shù)如何，傳感器元件當(dāng)然都很重要，但通常更關(guān)鍵的是圍繞傳感器的傳感器調(diào)節(jié)和處理。信號(hào)/傳感器調(diào)節(jié)和處理不僅特定于獨(dú)特的設(shè)備，還特定于設(shè)備的生命周期。這轉(zhuǎn)化為傳感器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重要考慮因素。首先，早期的模數(shù)轉(zhuǎn)換（在傳感器頭，而不是關(guān)閉設(shè)備）允許在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行配置/調(diào)諧。理想的傳感器將提供一個(gè)簡(jiǎn)單的可編程接口，通過快速基線數(shù)據(jù)捕獲、過濾操作、警報(bào)編程和不同傳感器位置的實(shí)驗(yàn)來簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)置。對(duì)于現(xiàn)有的簡(jiǎn)單傳感器，只要其中任何一個(gè)都可以在設(shè)備設(shè)置中配置，則必須在傳感器設(shè)置中做出一些妥協(xié)，以適應(yīng)設(shè)備生命周期內(nèi)維護(hù)問題的變化。例如，當(dāng)設(shè)備故障的可能性較小時(shí)，是否應(yīng)將傳感器配置為早期使用;還是壽命結(jié)束，當(dāng)故障不僅可能而且可能更有害時(shí)？首選方法是系統(tǒng)內(nèi)可編程傳感器，允許對(duì)生命周期的變化進(jìn)行配置。例如，在早期使用期間相對(duì)不頻繁的監(jiān)控（用于最低功耗），然后重新配置為頻繁（用戶編程的周期）監(jiān)控，一旦觀察到偏移（警告閾值），除了連續(xù)監(jiān)控和中斷驅(qū)動(dòng)的通知，用戶編程的報(bào)警閾值。

識(shí)別績(jī)效變化/趨勢(shì)

使傳感器適應(yīng)設(shè)備生命周期的變化在某種程度上取決于對(duì)基線設(shè)備響應(yīng)的了解。即使是簡(jiǎn)單的模擬傳感器也可以做到這一點(diǎn)，假設(shè)操作員進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行離線分析，并將這些數(shù)據(jù)離線存儲(chǔ)，以某種方式正確標(biāo)記到特定設(shè)備和探頭位置。一種首選且不易出錯(cuò)的方法將允許在傳感器頭存儲(chǔ)基線FFT，從而消除任何錯(cuò)放數(shù)據(jù)的可能性。基線數(shù)據(jù)還有助于建立警報(bào)級(jí)別，理想情況下，該級(jí)別將直接在傳感器上進(jìn)行編程，因此，在任何后續(xù)數(shù)據(jù)分析/捕獲中，檢測(cè)到警告或故障條件并可以生成實(shí)時(shí)中斷。

數(shù)據(jù)可追溯性和文檔記錄

在出廠設(shè)置中，適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)分析程序可以通過手持式探頭或嵌入式傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)位置。在給定設(shè)備的生命周期中，這可能需要捕獲數(shù)千條記錄。預(yù)測(cè)性維護(hù)計(jì)劃的完整性取決于傳感器收集點(diǎn)的位置和時(shí)間的正確映射。為了獲得最低風(fēng)險(xiǎn)和最有價(jià)值的數(shù)據(jù)，除了嵌入式存儲(chǔ)外，傳感器還應(yīng)具有唯一的序列號(hào)和為數(shù)據(jù)添加時(shí)間戳的能力。

可靠性

上述討論重點(diǎn)介紹了改進(jìn)與過程控制和預(yù)測(cè)性維護(hù)相關(guān)的現(xiàn)有基于傳感器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的方法。本著容錯(cuò)和監(jiān)測(cè)的精神，應(yīng)該仔細(xì)檢查傳感器本身。如果傳感器出現(xiàn)故障（性能偏移）而不是設(shè)備，該怎么辦？或者，當(dāng)使用完全自主的傳感器（如理想狀態(tài)）運(yùn)行時(shí)，我們對(duì)傳感器繼續(xù)工作有多大信心？對(duì)于許多現(xiàn)有的傳感器，例如基于壓電陶瓷的傳感器，這帶來了嚴(yán)重的限制，因?yàn)樗鼈儫o法提供任何類型的系統(tǒng)內(nèi)自檢。隨著時(shí)間的推移，人們總是對(duì)記錄的數(shù)據(jù)的一致性缺乏信心，在壽命結(jié)束的關(guān)鍵監(jiān)控階段，實(shí)時(shí)故障通知對(duì)時(shí)間和成本至關(guān)重要（更不用說一個(gè)重大的安全問題），總是擔(dān)心傳感器可能變得無法正常工作。高置信度過程控制程序的一個(gè)基本要求是能夠遠(yuǎn)程自檢傳感器。幸運(yùn)的是，這可以通過一些基于MEMS的傳感器來實(shí)現(xiàn)。因此，嵌入式數(shù)字自檢功能彌補(bǔ)了可靠振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最后差距。

ADI公司的ADIS16229是一款完全自主的無線頻域振動(dòng)監(jiān)測(cè)器示例，具有上述十個(gè)關(guān)鍵問題中概述的所有優(yōu)勢(shì)。ADIS16229具有嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和板載存儲(chǔ)功能，能夠識(shí)別和分類各個(gè)振動(dòng)源，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化，并對(duì)可編程閾值電平做出反應(yīng)。該器件提供可配置的頻譜報(bào)警頻段和窗口選項(xiàng)，允許通過配置六個(gè)頻段（Alarm1（警告閾值）和 Alarm2（故障閾值）來分析全頻譜，以便更早、更準(zhǔn)確地檢測(cè)問題。其核心是基于MEMS的多軸寬帶寬傳感器，具有可配置的采樣率（高達(dá)20 kSPS）和平均/抽取選項(xiàng)，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估微小的振動(dòng)曲線變化。MEMS傳感器提供數(shù)字自檢模式，為功能和數(shù)據(jù)完整性提供持續(xù)的信心。該設(shè)備完全嵌入且可編程，可以放置在靠近振動(dòng)源的位置，并以可重復(fù)的方式早期檢測(cè)小信號(hào)，避免由于測(cè)量之間的位置/耦合差異而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差異，使用手持設(shè)備時(shí)可能就是這種情況。

862 MHz/928 MHz專有無線協(xié)議接口允許遠(yuǎn)程定位ADIS16229傳感器節(jié)點(diǎn)，并由單獨(dú)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)ADIS16000（見圖3）提供支持，該節(jié)點(diǎn)為任何系統(tǒng)控制器器件提供標(biāo)準(zhǔn)SPI接口。如圖4所示，最多可以通過網(wǎng)關(guān)控制六個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖3.基于MEMS的傳感器節(jié)點(diǎn)（ADIS16229），具有928 MHz至網(wǎng)關(guān)控制器的RF鏈路（ADIS16000）。

圖4.六個(gè)遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)自主檢測(cè)/收集/處理數(shù)據(jù)，并以無線方式傳輸?shù)街醒肟刂破鞴?jié)點(diǎn)。

完全集成且可靠的振動(dòng)傳感器具有自主和可配置操作的能力，使過程控制和預(yù)測(cè)性維護(hù)程序開發(fā)人員能夠顯著提高數(shù)據(jù)收集過程的質(zhì)量和完整性，而不受過去振動(dòng)分析方法的限制和妥協(xié)。憑借高集成度和簡(jiǎn)化的可編程和無線接口，這些傳感器還可以通過降低采用這一關(guān)鍵工具的障礙來實(shí)現(xiàn)更普遍的振動(dòng)傳感部署，而這種工具以前僅限于少數(shù)具有數(shù)十年機(jī)器振動(dòng)分析經(jīng)驗(yàn)的高技能技術(shù)人員。這種完全集成的傳感器不依賴于改造的布線/基礎(chǔ)設(shè)施，并且可以更精確、更可靠地檢測(cè)性能變化，從而大大降低前期和經(jīng)常性維護(hù)成本。

審核編輯：郭婷