本教程探討了增加正常運(yùn)行時(shí)間的各種注意事項(xiàng)以及它們?nèi)绾斡绊懙拙€(xiàn)。這些包括工業(yè)設(shè)施的維護(hù)方法，例如工廠(chǎng)、商業(yè)設(shè)施、發(fā)電廠(chǎng)或其他安裝，在這些設(shè)施中，適當(dāng)?shù)木S護(hù)方法可以防止災(zāi)難性故障。但是，保持底線(xiàn)需要更多。還必須考慮可靠性、安全性、功耗、故障檢測(cè)和正確設(shè)計(jì)的設(shè)備，以滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

介紹

如果您從事過(guò)商業(yè)或行業(yè)，您以前聽(tīng)說(shuō)過(guò)：最大化投資回報(bào)率 （ROI） 以保持您的業(yè)務(wù)健康和增長(zhǎng)。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的目標(biāo)，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。為了最大限度地提高投資回報(bào)率，工業(yè)設(shè)施必須保持 24/7/365 的最大容量運(yùn)行。“正常運(yùn)行時(shí)間”現(xiàn)在是口頭禪，是功績(jī)因數(shù)。云服務(wù)器和關(guān)鍵軍事安全系統(tǒng)不僅必須滿(mǎn)足“五個(gè)9”或“六個(gè)9”（“五個(gè)9”意味著99.999%的可用性，相當(dāng)于每年約5分鐘的停機(jī)時(shí)間），而且這是現(xiàn)在對(duì)工廠(chǎng)，商業(yè)設(shè)施，發(fā)電廠(chǎng)以及任何設(shè)施的期望，其中資本投資和社區(qū)的需求使所有者和運(yùn)營(yíng)商努力在最大容量下實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間。

停機(jī)是生產(chǎn)力和收入的損失

我們都聽(tīng)過(guò)“時(shí)間就是金錢(qián)”這句話(huà)。對(duì)于工業(yè)設(shè)施來(lái)說(shuō)，這是前所未有的真實(shí)。工廠(chǎng)的意外停機(jī)可能代價(jià)高昂，因?yàn)楫a(chǎn)出損失會(huì)對(duì)收入產(chǎn)生直接的負(fù)面影響。此外，如果重新啟動(dòng)的生產(chǎn)線(xiàn)不能立即生產(chǎn)符合規(guī)格的輸出，意外的工廠(chǎng)關(guān)閉可能會(huì)導(dǎo)致在制品 （WIP） 丟失、資源浪費(fèi)以及潛在的未來(lái)?yè)p失。1一些生產(chǎn)設(shè)施在重新啟動(dòng)后需要幾天時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái)，然后輸出產(chǎn)品才有資格發(fā)布。如果停機(jī)是由于災(zāi)難性故障造成的，則可能會(huì)造成間接的環(huán)境污染、附帶損害、法律后果、傷害甚至生命損失。

在離散制造中，單個(gè)項(xiàng)目在生產(chǎn)線(xiàn)上組裝或制造。這可以包括從手機(jī)到汽車(chē)的任何東西。當(dāng)然，其中一些生產(chǎn)線(xiàn)移動(dòng)得非常快，因此正常運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。

公共設(shè)施的停機(jī)可能導(dǎo)致不同但類(lèi)似的有害后果。一個(gè)機(jī)場(chǎng)在照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)關(guān)閉，將對(duì)成千上萬(wàn)的人造成極大的破壞。

設(shè)備維護(hù) — 使正常運(yùn)行時(shí)間達(dá)到 100%

因此，毫不奇怪，今天，作為工業(yè)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)商和這些設(shè)施的顧客，我們期望100%的正常運(yùn)行時(shí)間。為了增加正常運(yùn)行時(shí)間并最大限度地提高生產(chǎn)效率，必須選擇可靠性最高的設(shè)備并實(shí)施適當(dāng)?shù)木S護(hù)計(jì)劃，以保持設(shè)備以最佳性能運(yùn)行。

工業(yè)通常使用各種方法進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

反應(yīng)性維護(hù)或“運(yùn)行到故障”提供最低的初始成本。基本上，沒(méi)有精力進(jìn)行維護(hù);設(shè)備只是運(yùn)行，直到發(fā)生故障。雖然這聽(tīng)起來(lái)可能被誤導(dǎo)，但它在無(wú)法維護(hù)或成本過(guò)高的應(yīng)用中占有一席之地，并且故障模式是可預(yù)測(cè)和預(yù)期的。具有低關(guān)鍵性的系統(tǒng)、某些冗余系統(tǒng)或不太可能發(fā)生故障的系統(tǒng)適用于此方法。

預(yù)防性維護(hù)是許多安裝中使用的標(biāo)準(zhǔn)方法，但它被證明是最昂貴的方法之一。盡管如此，它也有它的位置。這種方法只是基于使用時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間，甚至更粗略地基于自上次維護(hù)活動(dòng)以來(lái)的日歷時(shí)間。一個(gè)典型的例子是汽車(chē)和里程的使用來(lái)確定何時(shí)更換機(jī)油。這種方法沒(méi)有考慮到一些汽車(chē)比其他汽車(chē)經(jīng)歷的惡劣駕駛條件少得多的事實(shí)。在大多數(shù)駕駛場(chǎng)景中，很有可能更換機(jī)油的時(shí)間比必要的要早——浪費(fèi)時(shí)間、機(jī)油和金錢(qián)。我們接受這筆費(fèi)用作為“保險(xiǎn)單”，并且由于缺乏指示何時(shí)真正需要更換石油，因此物有所值。話(huà)雖如此，在許多情況下，設(shè)備（及其相關(guān)潤(rùn)滑劑）可以預(yù)見(jiàn)地磨損或損壞。侵蝕和其他材料特性變化有時(shí)可能與服務(wù)時(shí)間直接相關(guān)，或者只是與老化有關(guān)。在這些情況下，需要預(yù)防性維護(hù)。2

預(yù)測(cè)性維護(hù) （PdM） 或基于狀態(tài)的維護(hù) （CbM） 在故障通常是隨機(jī)的或難以預(yù)測(cè)磨損率時(shí)有效。這兩種方法都基于跟蹤條件隨時(shí)間的變化。在大多數(shù)情況下，這兩種方法都比預(yù)防性維護(hù)更有效，可以增加正常運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)隨著時(shí)間的推移成本更低。然而，實(shí)施的前期成本更高，因?yàn)樾枰嗟娜肆驮O(shè)備資源來(lái)收集機(jī)器狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為有用的信息。

連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè) （CCM） 使用永久安裝的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 來(lái)提供終極保護(hù)并確保正常運(yùn)行時(shí)間。實(shí)施該計(jì)劃的額外設(shè)備成本和相關(guān)的培訓(xùn)或合同費(fèi)用相當(dāng)于相對(duì)較高的初始設(shè)置成本。回報(bào)來(lái)自于防止意外的設(shè)備故障。CCM 通常是最佳方法，其中故障在時(shí)間上是隨機(jī)的，并且可以安裝傳感器來(lái)檢測(cè)狀態(tài)變化，從而提供計(jì)劃停機(jī)所需的警告。

主動(dòng)維護(hù)是一種前瞻性的維護(hù)理念。這種方法的核心是使用從維護(hù)歷史中學(xué)到的知識(shí)。通過(guò)專(zhuān)注于故障根本原因分析，可以進(jìn)行更改以減少未來(lái)的維護(hù)需求。這里的目標(biāo)是最終改善設(shè)備或其操作環(huán)境，以便盡可能防止故障。

自我維護(hù)是最有前瞻性的方法。現(xiàn)在機(jī)器或系統(tǒng)自我監(jiān)控;它可以自行診斷并可以自我校準(zhǔn)以繼續(xù)運(yùn)行，直到方便停機(jī)。這種方法要求設(shè)備具有先進(jìn)的智能化;自我監(jiān)控更多功能;并能夠閉環(huán)以自動(dòng)和適當(dāng)數(shù)量地實(shí)施調(diào)整。最后，設(shè)備必須能夠檢測(cè)到這些自動(dòng)調(diào)整范圍何時(shí)達(dá)到其極限，此時(shí)機(jī)器要求維護(hù)，并分配一些時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)。自我維護(hù)的結(jié)果顯然是更長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間。這些系統(tǒng)已經(jīng)在一些設(shè)備上安裝到位。例如，高端汽車(chē)現(xiàn)在可以根據(jù)感知真實(shí)機(jī)油狀況來(lái)指示發(fā)動(dòng)機(jī)油的狀況，而不僅僅是監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的記錄。對(duì)于更多的工業(yè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，這些功能的額外成本是合理的，這只是時(shí)間問(wèn)題。

以可靠性為中心的維護(hù) （RCM） 借鑒了上述所有維護(hù)類(lèi)型，并意識(shí)到不同的方法適用于特定安裝中的不同設(shè)備和不同用途。這里的重點(diǎn)是維護(hù)方法的最佳組合，以最大限度地提高工廠(chǎng)效率。

可靠性、穩(wěn)健性、安全性和安全性的重要性

設(shè)備維護(hù)并不是工業(yè)正常運(yùn)行時(shí)間的全部，也不是隨之而來(lái)的底線(xiàn)改進(jìn)的全部。在某些情況下，維護(hù)操作的成本并不是推動(dòng)正常運(yùn)行時(shí)間決策的因素。例如，在釀造或制藥等批處理過(guò)程中，可以在批次之間進(jìn)行維護(hù)。然而，對(duì)于一個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，在批次中間下降可能是非常昂貴的，或者更重要的是，很危險(xiǎn)。此時(shí)，安全監(jiān)控設(shè)備和故障安全系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間變得至關(guān)重要。

在生產(chǎn)設(shè)施中，設(shè)備可能暴露在許多常見(jiàn)的環(huán)境條件下：高壓瞬變、電纜損壞、修改或維修期間的接線(xiàn)錯(cuò)誤、極端溫度、苛刻的電磁干擾 （EMI）/射頻干擾 （RFI）、腐蝕性或爆炸性環(huán)境、高振動(dòng)、濕度和灰塵。如果這些條件損害了設(shè)備傳感器和傳感器信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備的精度，則可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的讀數(shù)或錯(cuò)誤的控制信號(hào)。這充其量會(huì)導(dǎo)致較差的結(jié)果，最壞的情況是災(zāi)難性的失敗。這些問(wèn)題顯然超出了正常的設(shè)備維護(hù)范圍。

在無(wú)法證明冗余系統(tǒng)的工業(yè)環(huán)境中，必須設(shè)計(jì)高可靠性系統(tǒng)。在設(shè)備設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以使用FMEA（故障模式影響分析），F(xiàn)MECA（故障模式影響和臨界分析）或FMEDA（故障模式影響和檢測(cè)分析）來(lái)確保預(yù)測(cè)所有故障模式。3FMEA 的通過(guò)結(jié)果確認(rèn)系統(tǒng)檢測(cè)、正確響應(yīng)并降低系統(tǒng)中每個(gè)可能故障的嚴(yán)重性。IEC 61508等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也適用于用于執(zhí)行安全功能的設(shè)備，例如一些可編程邏輯控制器（PLC），用于在檢測(cè)到問(wèn)題時(shí)監(jiān)控和關(guān)閉危險(xiǎn)過(guò)程。這些要求通常會(huì)導(dǎo)致額外的電子設(shè)備來(lái)監(jiān)控原始信號(hào)路徑或電源系統(tǒng)。這對(duì)于可靠性、魯棒性、安全性和安全性都有好處，但這種增加的電路加劇了縮小尺寸、降低功耗并最終簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)這一始終存在的挑戰(zhàn)。

自監(jiān)控電路延長(zhǎng)工業(yè)正常運(yùn)行時(shí)間

通過(guò)在IC上實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)控功能，新器件可以標(biāo)記問(wèn)題，以提醒系統(tǒng)發(fā)生異常。對(duì)這些警告的響應(yīng)由系統(tǒng)程序員或操作員自行決定，但至少捕獲了有關(guān)事件的數(shù)據(jù)。此外，新的電源管理IC可以盡可能降低功耗。這些高度集成解決方案的參考設(shè)計(jì)縮短了快速上市所需的設(shè)計(jì)時(shí)間。讓我們考慮一些例子。

示例：低功耗工業(yè)數(shù)字輸入串行器

當(dāng)今的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是，數(shù)字輸入模塊必須消耗大量功率才能處理24V信號(hào)電平。當(dāng)試圖縮小這些模塊時(shí)，外殼中耗散的功率會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，從而限制最大工作溫度范圍。同時(shí)，如果設(shè)備放置在機(jī)器附近，則需要較高的工作溫度范圍。反過(guò)來(lái)，這需要更低功耗的解決方案。

MAX31911工業(yè)、八通道、數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換器/串行器與傳統(tǒng)的分立電阻分壓器方法相比，可將輸入模塊的功耗降低多達(dá)60%。它符合 IEC 61131-2 PLC 標(biāo)準(zhǔn)，適用于數(shù)字輸入類(lèi)型 1、2 和 3。它對(duì)八個(gè)輸入進(jìn)行串行化，并將其轉(zhuǎn)換為CMOS兼容的5V電平。可調(diào)低通濾波可實(shí)現(xiàn)靈活的去抖動(dòng)。串行SPI輸出減少了光耦合器的數(shù)量，從而進(jìn)一步降低了功耗、尺寸和成本。為了確保SPI接口上的有效數(shù)據(jù)，每8位數(shù)據(jù)生成一個(gè)CRC代碼。類(lèi)似的器件MAX31910采用先進(jìn)的技術(shù)提供更低的輸入功率。與已經(jīng)很低的MAX40相比，該器件的功耗降低了31911%。

對(duì)于超過(guò)31910路輸入的系統(tǒng)，多個(gè)MAX31911和MAX1可以很容易地菊花鏈連接。圖16所示為采用兩個(gè)MAX31911的<>通道方案。請(qǐng)注意，無(wú)需額外的隔離通道或SPI芯片選擇。

圖1.在菊花鏈配置中，用于增強(qiáng)EMC魯棒性的外部元件不需要為電路板上的每個(gè)器件復(fù)制。此處顯示了一個(gè)16輸入應(yīng)用電路。

對(duì)于任何并行輸入到串行輸出系統(tǒng)，第一個(gè)問(wèn)題是，“在保持有效數(shù)據(jù)和吞吐量的同時(shí)，它能以多快的速度對(duì)輸入通道進(jìn)行采樣？最快的模式是選擇無(wú)去抖動(dòng)。在0s去抖動(dòng)時(shí)，沒(méi)有濾波，因此1個(gè)內(nèi)部比較器的輸出被鎖存到片選（）下降沿的串行器中。此后的每個(gè)時(shí)鐘邊沿將輸出對(duì)應(yīng)于每個(gè)輸入的 1 位。在這種情況下，速度受到8MHz輸入帶寬的限制，因此以1MHz時(shí)鐘串行器將提供每通道8Mbps的吞吐量（在32位模式下）。如果為32輸入應(yīng)用以菊花鏈方式連接四個(gè)芯片，則串行器的最大時(shí)鐘速度將限制吞吐量。這是因?yàn)橐?5MHz的最大SPI時(shí)鐘速率從串行器中輸出25位，每個(gè)通道的吞吐量為32MHz/0 = 8.1Mbps（而不是上一個(gè)示例中的<>Mbps）。如果啟用篩選，吞吐量將進(jìn)一步受到使用的去抖動(dòng)時(shí)間的限制。CS

為了支持工業(yè)應(yīng)用，MAX31911在所有現(xiàn)場(chǎng)輸入端內(nèi)置±15kV ESD高保護(hù)（HBM），額定工作結(jié)溫高達(dá)+150°C。它采用 6.5mm x 9.8mm x 1.1mm 28 引腳 TSSOP-EP 封裝。

示例：安全協(xié)處理器和安全身份驗(yàn)證器

互聯(lián)網(wǎng)連接工業(yè)設(shè)備的趨勢(shì)提供了許多好處，但增加的安全風(fēng)險(xiǎn)是真實(shí)的。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)是對(duì)正常運(yùn)行時(shí)間和底線(xiàn)的真正威脅。

新的安全解決方案需要提供硅級(jí)、基于標(biāo)準(zhǔn)的加密、身份驗(yàn)證和安全密鑰存儲(chǔ)，不需要人工遵循復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理規(guī)則和程序來(lái)維護(hù)設(shè)施防火墻。Maxim Integrated的新解決方案可防止未經(jīng)授權(quán)的通信，并對(duì)暴露在IC外部的通信進(jìn)行加密。他們積極應(yīng)對(duì)一長(zhǎng)串的物理和電氣攻擊。大大降低了惡意軟件感染的風(fēng)險(xiǎn)、加密密鑰被盜的風(fēng)險(xiǎn)以及克隆授權(quán)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。這些經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案已在自動(dòng)取款機(jī)和銷(xiāo)售點(diǎn) （POS） 終端中使用多年，成功保護(hù)了金融交易和個(gè)人身份。有了這些內(nèi)置的安全設(shè)備，入侵系統(tǒng)幾乎是不可能的。

我們可以研究由兩個(gè)IC組成的新型SHA-256認(rèn)證方案：用于主機(jī)的安全協(xié)處理器DS2465和用于從器件的DS28E15 1-Wire SHA-256安全認(rèn)證器。它們通過(guò)單線(xiàn)通信，并啟用質(zhì)詢(xún)/響應(yīng)身份驗(yàn)證過(guò)程。該算法拒絕任何未計(jì)算正確結(jié)果的新連接模塊;計(jì)算正確結(jié)果的唯一方法是知道內(nèi)部密鑰。主站和從站都需要在哈希算法中使用此密鑰以及隨機(jī)數(shù)質(zhì)詢(xún)。如果質(zhì)詢(xún)和響應(yīng)結(jié)果不相同，則身份驗(yàn)證失敗，并且新連接的設(shè)備無(wú)法通信。?

DS2465內(nèi)置1-Wire主機(jī)，用于處理1-Wire總線(xiàn)時(shí)序。它還為用戶(hù)提供EEPROM和經(jīng)過(guò)加密行業(yè)審查的SHA-256哈希算法，因此系統(tǒng)主機(jī)處理器無(wú)需承擔(dān)這些任務(wù)。一個(gè)簡(jiǎn)單的I2C接口將其連接到主機(jī)。1-Wire IO線(xiàn)路具有高±8kV ESD保護(hù)（HBM），器件額定工作溫度范圍為-40°C至+85°C。 它采用小型 4.0mm x 4.45mm x 1.5mm 6 引腳 TSOC 封裝。

DS28E15結(jié)合了基于FIPS180-3安全哈希算法（SHA-256）的安全質(zhì)詢(xún)和響應(yīng)認(rèn)證。它具有512位用戶(hù)EEPROM，額外的安全存儲(chǔ)器保存密鑰。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的 64 位 ROM ID 號(hào)，出廠(chǎng)編程到芯片中。沒(méi)有兩個(gè)設(shè)備是相同的。安全、低成本的工廠(chǎng)服務(wù)可用于對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編程，包括機(jī)密（如果需要）。即使在合同制造環(huán)境中，也有各種不同的方法來(lái)完全控制機(jī)密。圖 2 顯示了實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單程度。

圖2.DS2465 SHA-256協(xié)處理器和三個(gè)DS28E15安全從機(jī)的典型方案采用1-Wire總線(xiàn)。

在圖2中，每個(gè)從器件只需要嵌入一個(gè)DS28E15。連接到主機(jī)時(shí)，將啟動(dòng)質(zhì)詢(xún)/響應(yīng)過(guò)程。只有當(dāng)從站計(jì)算出正確的結(jié)果時(shí)，模塊才會(huì)被允許與主站通信。

結(jié)論

在過(guò)程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和電機(jī)控制應(yīng)用中，迫切需要最大限度地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間，以幫助最大限度地提高利潤(rùn)。這里討論的各種維護(hù)方法在這方面有所幫助。盡管如此，僅靠設(shè)備維護(hù)并不能讓工廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間，也無(wú)法確保其運(yùn)營(yíng)的最佳安全性。

這就是設(shè)備設(shè)計(jì)師發(fā)揮重要作用的地方和方式。在為工業(yè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，我們需要牢記正常運(yùn)行時(shí)間、安全性和安保目標(biāo)。當(dāng)像上面討論的那樣高度集成的解決方案可供工業(yè)使用時(shí)，它們肯定會(huì)降低系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性、尺寸和功耗。最終，這些集成系統(tǒng)成為幫助我們的客戶(hù)增加正常運(yùn)行時(shí)間不可或缺的一部分。這保護(hù)了底線(xiàn)。

審核編輯：郭婷