ADI CbM 检测技术加速智能制造的实现

众所周知，智能制造对我国制造业有着重大的意义，是我国从低端制造走向高端制造的重要途径之一，发展智能制造有助于解决生产制造过程中的节能减排问题，同时智能制造技术也会带来设备利用率最大化、高效的生产率以及高质量完成生产任务等诸多优点。ADI 基于状态的监控(CbM)是一种具有预测性的对设备的维护策略，主要在设备振动检测方面建立趋势，减少设备的停机时间，预测故障以及计算设备资产的使用寿命，提高制造的安全性。

一、设备状态监测的定义及意义

设备状态监测的定义

针对运转中的设备整体或者某个重要零部件的技术状态，进行检查以判断其运行状态是否正常，同时对异常状况进行追踪并预测其后期的发展趋势、确定其磨损程度的一种监测技术。

设备状态监测的意义

在设备不停机状态下，对设备技术状态进行实时监测追踪，并准确地掌握监测部位的修复或者更换情况。可以最大限度利用关键部位零部件的使用潜力，避免零部件的过剩维修与保养，大大节约了维护成本以及减小设备的停机损失，尤其对自动化生产的工厂有着重要的意义。

二、传统设备维护与状态监测的区别

传统的设备维护往往都是对设备进行定期的人为检查。这种检查的间隔周期一般比较长，且根据主观感觉和经验进行判断来保证设备正常的运行，这就容易导致误判，比如一些零部件本来还可以继续使用，但是人为判断为失效，就导致资产浪费。而状态监测是一种动态的监测技术，也是一种非破坏性检查，通过加装布设各种传感器对设备异常的振动信息、电流信息、温度信息、磨损信息等进行实时监测。因此，相比于传统的定期维护而言，状态监测更加专注设备的实际技术状态。下表（表1）为：传统维护和状态监测的成本区别。

表1 传统维护与状态监测成本区别

三、设备资产的维护周期

下图（图1）是设备资产的维护周期图，从图中可以看出一个设备的生命周期一般经历：初期使用阶段，定期维护阶段，潜在故障阶段，基于状态的维护阶段和功能故障阶段。

每个阶段的设备运行特征有以下特点：

初期使用阶段：初期的时候往往有保修范围的，在保修范围内设备故障维修成本均可以得到保证。

定期维护阶段：这个阶段由于维护频繁同时设备也处于较佳的状态，也不容易出问题。

潜在故障阶段：如果说有一种手段，可以在设备潜在故障阶段，就能够及时捕捉设备的技术状态参数，并加以实时监测，就可以大大延长设备使用寿命。潜在故障阶段往往会增加了振动特性信息。

基于状态的维护阶段：往往我们可以把潜在故障阶段和CbM阶段放在一起，这就对传感器提出了要求，比如带宽要宽，噪声要低，因为往往潜在故障阶段出现的振动信息的频率比较高（5KHZ以上），信号的幅值很低。

功能故障阶段：在这个阶段去维修设备往往是要付出很大的代价。

ADI 的CbM技术就是在潜在故障期和状态监控期，对设备关键零部件部位进行实时监测，获取零部件运行技术参数，进而让用户做到最大程度的利用设备，并大大减小因为没有及时维护所导致的成本损失。

图1 设备维护周期示意图

四、ADI CbM技术在振动监测方面的技术应用

我们都知道用加速度计可以用来监测设备的振动特性。在状态监测领域，业界通常使用压电式传感器或者MEMS加速度计进行振动监测。两者各有优缺点，目前在客户端，ADI MEMS加速度计已经倍受客户的青睐，逐步地开始替换压电式传感器了，下图（图2）是ADI MEMS加速度计和压电式传感器的对比。

图2 MEMS加速度计与压电式传感器性能对比图

可以看出：MEMS加速度计在DC性能、抗冲击、线性度等各方面的指标都是优于压电式传感器的，最重要的就是MEMS 加速度计成本比较低，这也是客户端替换压电式传感器非常重要的一个原因。

ADI在CbM振动监测领域有着多种的MEMS传感器，根据设备种类特点可以选择不同的MEMS加速度计，其中ADXL100X以及ADXL35X这两个系列倍受欢迎。接下来我们以旋转设备监测为例，阐述如何去选择MEMS 加速度计。

轴承的失效特点分析

轴承是旋转零部件中的关键零件，振动监测部位一般位于主轴以及轴承。从下图（图3）可以看到：

· 当轴承内外圈出现裂纹时，在转动过程中，内部滚珠会周期性对内外圈裂纹进行冲击，此时会产生周期性的振动信息，该振动信号初期的时候往往频率比较高（大于5KHZ）振幅比较小;

· 到了第二阶段时由冲击产生的振铃效应增加，频率往往在500HZ到5KHZ之间，到了第三阶段轴承温度升高，能量传播到低频;

· 最后一个阶段就是轴承失效阶段。

ADI的CbM技术主要针对第一阶段和第二阶段，对旋转设备进行振动信号的捕捉与监测，提供设备技术状态参数，进而达到延长寿命减小设备宕机的作用。

图3 轴承失效阶段图

CbM振动监测关注加速计的指标

计算在振动监测中振动所产生的加速度公式如下：

其中d 表示振动部件的间隙值，f表示振动的频率，一般取最大频率。

从公式可以看出：振动产生的加速度与频率的平方成正比，比如100HZ振动在1um的间隙下可以产生0.395g加速度，1KHZ振动可以产生39.5g的加速度。

因此对于CbM的振动监测首先要考虑加速度计量程的选择，其次是噪声的加速度计，比如上图（图3）中轴承的频谱图中，初期振动往往频率高于5KHZ，出现的幅值也很小，如果带宽不够，或者噪声大的情况下就捕捉不到初期的振动信号特性。

ADI 的ADXL100X和ADXL35X系列加计可以满足振动状态的监测，同时ADI也提供了一系列的整套方案推荐。

电机/发电机/轴承/齿轮等振动监测方案推荐

在振动监测领域ADI不仅仅提供前端传感器的解决方案，也提供整套的数据采集方案。

ADXL1002参考设计方案推荐如下图（图4）：

图4 基于ADXL1002与AD7768-1的参考设计图

该设计整体方案十分简单，选用了集成度很高的ADC：AD7768-1，因此前端不需要太多调理方案。前端传感器不仅仅局限于ADXL1002，该参考设计适用于ADXL100X全系列传感器使用。

特点：

· ±50g - ±500g量程，带宽11KHZ-24KHZ；

· 整体成本较低；

· 高性能、高精度、小尺寸。

IEPE 接口传感器方案推荐

图5 ADXL1002/ADXL1002 IEPE 与AD7134的参考设计图

上图（图5）中是压电式传感器，针对压电式传感器，ADI的ADXL1002 IEPE可以兼容替换，同时方案中选用全差分可编程增益仪表放大器LTC6373可以很灵活的对信号进行调理，AD7134是ADI最新技术的CSTD ADC，系统对前端抗混叠设计要求极低，使得系统设计更加容易。

特点：

· 低噪声、高动态范围、低失真；

· 无需抗混叠滤波器设计；

· 高精度、小尺寸。

以上只是举了两个推荐参考设计的例子，除了这两种方案，ADI还提供更多更丰富的产品组合以及CbM模块等产品。

五、CbM中如何选择正确的加速度计

产生振动的因素很多，比如轴承磨损、电机不对中、齿轮啮合不理想等都会在设备运行中产生振动，并且这些振动各有特性，因此我们针对不同振动类型选择合适的传感器尤为重要，对监测的准确性以及系统的成本控制都有重要意义。下表(表2)是ADI在不同情况下推荐的MEMS 加速度计整理：

表2 MEMS加速度计应用类型推荐表

比如实施旋转设备预测性维护可以选择ADXL100X系列产品；设备不平衡不对中，松动失调等中后期故障可以选择ADX35X系列产品；低功耗应用可以选择ADXL362/ADXL367；如果客户开发能力不足，可以选择ADI提供的CbM模块产品ADCMXL3021/ADIS16228等产品。

六、总结

基于状态的监测不仅仅局限于振动的监测，同时有声音、光电、温度等的监测，在各个参量的监测中，ADI均提供高性能的产品解决方案供客户选择。相信在未来的5-10年内，随着智能制造技术被广泛地应用于加工制造行业，ADI的产品以其有益的性能会被广泛的使用，不仅会带来技术的改进，也会促进产业的变革和提升。