拒绝带“病”工作：谁是电机健康的“吹哨人”？

拒绝带“病”工作：谁是电机健康的“吹哨人”？

制造业中传统的设备维护通常包括纠正性维护和预防性维护两种方式，前者是指在设备发生故障之后进行被动地干预，后者一般则是按照预定好的周期或条件进行主动的维护。这两种方式显然都不是设备维护的最优解——前者往往要承担计划外停机的巨大损失（计划外停机的成本会占到总制造成本的近四分之一），而后者则不可避免地会在设备运转良好地情况下实施不必要的干预，进而产生较大的成本。

如果有一种建立在大数据分析和洞察基础上的方法，可以实时地了解设备的实时工作状态，及时发现故障隐患，有的放矢地进行“恰到好处”的维护，这当然是更理想的解决方案。这种针对机器设备健康状况的分析被称为基于状态的监控（CbM），而基于CbM的维护方法就是“预测性维护”。

图1：预测性维护与传统维护方式的成本分析

在判断电机的工作状态是否“健康”时，需要很多数据的支持，比如压力、振动、噪声、温度等等，其中在可测量的物理量中，振动是一个尤为关键的参数，这是因为很多故障早期的症状——如滚珠轴承故障、轴偏差、不平衡、过度松动等——都会表现为异常的振动，并且在测量频谱时会呈现出各自不同的特征，由此就可以基于振动数据做出“诊断”，决定是否需要进行维护，以及进行哪种类型的维护。

图2：不同电机的故障类型对应着不同的振动频谱特征（图源：ADI）

因此不难得出结论，只要我们围绕着电机异常振动，建立起一个从状态感知、数据采集，到数据传输、分析处理的系统，就可以构建起一套完整的CbM和预测性维护解决方案，并让其承担起电机健康问题“吹哨人”的角色，将故障消除在萌芽状态。

图3：电机CbM和预测性维护解决方案架构

（图源：ADI）

选择合适的加速度计

从图3中我们可以看到，一个完整电机CbM和预测性维护方案的设计，需要在多个技术环节进行技术决策，而其中作为整个方案的“起点”，就是要选择能够准确捕捉到振动信号的加速度传感器。这种测量振动的加速度传感器，需要装配在被监测对象的附近，而且带宽、可靠性、尺寸、功耗、成本等都是在选型时需要综合考量的要素。

更重要的是，随着技术的进步，以往“带宽较低”这一困扰MEMS电容式加速度计的问题，也得到了极大的改善。可以想见，MEMS电容式加速度计的发展正在拉低CbM和预测性维护的“门槛”，使得这一技术能够渗透到电机应用的更多场景。

图4：两种用于电机振动测量的加速度传感器比较

（图源：ADI）

图5：ADXL100x系列MEMS加速度计

（图源：ADI）

ADXL100x MEMS加速度计可实现高分辨率振动测量，可提供从±50g到±500g不同量程范围的产品，且在较宽的频率范围内具有25μg/√Hz至125μg/√Hz的超低噪声密度，提供稳定和可重复的灵敏度，并可承受高达10,000g的外部冲击。

图6：ADXL1001/ADXL1002可支持>5kHz的高频振动响应（图源：ADI）

图7：ADI为CbM提供丰富的MEMS加速度计产品

（图源：ADI）

打造高性能的信号链

当然，MEMS加速度计性能再突出，其在整个电机CbM的信号和数据链处理中，也只是迈出了第一步。想要打造一个高性能的电机CbM和预测性维护方案，需要一个完整的系统做支撑。其中主要包括以下几个关键部分：

检测模块

主要是基于MEMS加速度计的振动和冲击检测单元，提供高精度的测量。有时还需要集成温度传感等其他感测功能。

数据采集

小尺寸、高效率的解决方案，确保小型化的智能传感器能够在恶劣的工业应用中可靠运行。

数据处理

有线/无线连接

图8：电机CbM和预测性维护方案系统架构

（图源：ADI）

在这样一个长长的信号和数据链中，想要确保数据的可靠性和准确性，就需要为各个功能模块选择合适的高性能器件。

图9：LT6015 Over-The-Top精密运算放大器

（图源：ADI）

在高精度、低功耗基准电压源的选型上，ADR45xx基准电压源是一个不错的选择。该系列产品的最大初始误差为±0.02%，具有出色的温度稳定性和低输出噪声。由于使用了新的内核拓扑结构来提高精度，ADR45xx基准电压源同时提供出色的温度稳定性和噪声性能。该款基准电压源具有低热致输出电压迟滞和低长期输出电压漂移，因此提高了寿命和温度范围内的系统精度。

同时，ADR45xx系列的最大工作电流为950μA，提供了出色的低功耗特性；而-40°C至+125°C的宽温度范围使其适合于广泛的工业应用。

图10：ADR45xx基准电压源

（图源：ADI）

当然，ADI为实现高精度数据采集所提供的产品远不止上述两款，而是包括一整套CbM信号链和数据链解决方案，这就省去了大家选料、调试等繁复的开发工作。 审核编辑 黄昊宇

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