利用軟件驅(qū)動(dòng)、安全的預(yù)測(cè)性電機(jī)維護(hù)提高生產(chǎn)力

Shankar Malladi, Jason Griffin, 和 Sebastien Christian

為何需要預(yù)測(cè)性維護(hù)？

在當(dāng)今的工廠中，由于系統(tǒng)故障，僅在美國(guó)就發(fā)生了1400萬小時(shí)的意外停機(jī)，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(píng)估設(shè)備的健康狀況，或使用一系列次優(yōu)檢測(cè)解決方案，無法可靠檢測(cè)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(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間，降低運(yùn)營(yíng)成本，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高工人生產(chǎn)率。預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案結(jié)合檢測(cè)技術(shù)來收集設(shè)備數(shù)據(jù)，并采用先進(jìn)的分析和算法來得出關(guān)于設(shè)備健康狀況的可行洞察。其結(jié)果是，這種方法有望將整體工業(yè)生產(chǎn)率提高30%以上。

一個(gè)常見需求是結(jié)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(dòng)收集數(shù)據(jù)和/或安裝并維護(hù)專用網(wǎng)絡(luò)的解決方案。

智能電機(jī)傳感器(SMS)及其工作原理

智能電機(jī)傳感器(SMS)是一種靈活、開箱即用的端到端安全無線預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)解決方案 ，它結(jié)合了ADI軟件、硬件和電機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，為電機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)創(chuàng)建一種安全的可擴(kuò)展產(chǎn)品。

智能電機(jī)傳感器(SMS)與Android和iOS移動(dòng)應(yīng)用一起使用，可輕松設(shè)置傳感器，提供對(duì)部署數(shù)據(jù)的可見性，應(yīng)用內(nèi)會(huì)就關(guān)鍵事件發(fā)出通知和警報(bào)。云托管儀表板提供機(jī)器健康狀況診斷和故障檢測(cè)的完整概覽，其中包含每個(gè)電機(jī)狀態(tài)的詳細(xì)信息和可視化以及基于人工智能(AI)的分析，以檢測(cè)電機(jī)中常見的故障。

電池供電的SMS器件結(jié)合了ADI的MEMS傳感器、精密轉(zhuǎn)換器和信號(hào)鏈。SMS器件中嵌入的固件捕獲電機(jī)的各種參數(shù)（如振動(dòng)、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(jìn)行處理。云上運(yùn)行并集成到Web應(yīng)用中的人工智能(AI)引擎分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀況。

該系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)電機(jī)中常見的9種電氣和機(jī)械故障，若檢測(cè)到故障，就會(huì)推送通知或電子郵件，告知用戶要采取的適當(dāng)措施。智能電機(jī)傳感器產(chǎn)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(gòu)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(gòu)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(duì)完整解決方案的需求，消除與組建完整系統(tǒng)以從實(shí)際數(shù)據(jù)中獲取可行洞察相關(guān)的挫敗感和復(fù)雜性。

圖3. 傳感器到云安全軟件框架

該框架還實(shí)現(xiàn)了更高的復(fù)用性，有助于縮短上市時(shí)間，允許軟件團(tuán)隊(duì)專注于為給定產(chǎn)品交付領(lǐng)域特定的解決方案。

除了功能和可擴(kuò)展性外，規(guī)范的最佳實(shí)踐和流程也是框架的重要組成部分，以確保提供強(qiáng)大且安全的解決方案。該軟件框架是建議最佳實(shí)踐和經(jīng)過驗(yàn)證的流程的體現(xiàn)，它從以用戶為中心的角度接納每個(gè)新客戶，并將DevOps原則自動(dòng)化以實(shí)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(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展。圖4顯示了云基礎(chǔ)設(shè)施的組件。該應(yīng)用是多租戶的，支持多個(gè)客戶入駐并能確保數(shù)據(jù)隔離，如圖5所示。獨(dú)特的定制標(biāo)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(biāo)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(gòu)都會(huì)自動(dòng)生成，同時(shí)會(huì)向客戶發(fā)送電子郵件邀請(qǐng)其入駐。

圖5. 多租戶確?？蛻魯?shù)據(jù)隔離

SMS移動(dòng)應(yīng)用

ADI OtoSense SMS移動(dòng)應(yīng)用在架構(gòu)時(shí)優(yōu)先考慮了代碼復(fù)用。核心應(yīng)用由幾個(gè)模塊組成，包括SMS通信模塊、API通信模塊和核心應(yīng)用模塊（視圖和導(dǎo)航），如圖6所示。

圖6. 移動(dòng)應(yīng)用架構(gòu)

這些模塊代表了可以在所有定制標(biāo)簽合作伙伴應(yīng)用中復(fù)用的全部?jī)?nèi)容。對(duì)于每個(gè)新的定制標(biāo)簽應(yīng)用，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)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(gòu)使得移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠快速輕松地創(chuàng)建新的合作伙伴應(yīng)用，并高效地為所有合作伙伴應(yīng)用發(fā)布新功能和更新。

SMS AI引擎

ADI OtoSense AI平臺(tái)可以解決任何檢測(cè)解譯挑戰(zhàn)。該平臺(tái)已被用于實(shí)現(xiàn)智能電機(jī)傳感器解決方案的機(jī)器學(xué)習(xí)組件。

ADI公司在電機(jī)方面的深厚知識(shí)已被用來創(chuàng)建電機(jī)最優(yōu)行為的數(shù)字藍(lán)圖，其中涵蓋了全部負(fù)載、轉(zhuǎn)速和溫度范圍。然而，每臺(tái)電機(jī)一旦售出，就會(huì)偏離這個(gè)初始模型。環(huán)境、使用和維護(hù)操作使它獨(dú)一無二。

在電機(jī)上安裝之后，ADI OtoSense SMS最初會(huì)獲取數(shù)據(jù)以了解此電機(jī)與藍(lán)圖有何不同，并為SMS邊緣器件所連接的電機(jī)創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)特的數(shù)字孿生。然后，OtoSense SMS將來自該電機(jī)的數(shù)據(jù)與在完全相同的工作條件下運(yùn)行的數(shù)字孿生進(jìn)行比較。如果實(shí)際電機(jī)與其數(shù)字孿生之間的行為存在顯著差異，OtoSense SMS會(huì)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(yīng)對(duì)措施。

該系統(tǒng)能夠檢測(cè)以下9個(gè)常見問題：

電機(jī)電源系統(tǒng)故障，這可能導(dǎo)致電機(jī)電流不對(duì)稱。

電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的重心位移導(dǎo)致的機(jī)器轉(zhuǎn)子不平衡。

電機(jī)和電機(jī)負(fù)載之間未對(duì)準(zhǔn)。

電機(jī)定子引起的故障，導(dǎo)致電機(jī)電流不對(duì)稱。

定子和轉(zhuǎn)子之間的同心度未得到保持而引發(fā)的電機(jī)故障。

在電機(jī)有獨(dú)立通風(fēng)的情況下，電機(jī)散熱系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如通風(fēng)口阻塞或風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。

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

軸承故障，例如缺少潤(rùn)滑或內(nèi)外圈、保持架、滾動(dòng)元件存在缺陷。

將電機(jī)固定到操作臺(tái)的系統(tǒng)存在問題，例如支撐腳不堅(jiān)固或松動(dòng)。

SMS固件

SMS中嵌入的固件捕獲相連電機(jī)的各種參數(shù)（如振動(dòng)、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(jìn)行處理。SMS固件通過Wi-Fi接口與iOS或Android智能手機(jī)連接，以支持設(shè)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(duì)設(shè)備進(jìn)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(wù)架構(gòu)的框架構(gòu)建的。此框架由模塊化、可復(fù)用的功能模塊組成，這些功能模塊包裝成與應(yīng)用無關(guān)的服務(wù)API，以支持其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)用。它還使應(yīng)用開發(fā)人員能夠輕松地將應(yīng)用特定的信號(hào)處理功能和算法以及服務(wù)API集成到產(chǎn)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(jìn)行端到端設(shè)計(jì)，確保SMS數(shù)據(jù)和洞察保持準(zhǔn)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(quán)的OtoSense SMS用戶訪問。

每個(gè)SMS客戶在OtoSense Cloud上都有一個(gè)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(jí)分區(qū)鍵進(jìn)行分區(qū)。對(duì)客戶數(shù)據(jù)的訪問僅限于客戶帳戶的成員，訪問授權(quán)由主要云服務(wù)提供商提供的身份和訪問管理服務(wù)強(qiáng)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(wù)提供商的可信用戶管理和身份驗(yàn)證服務(wù)，確保用戶從移動(dòng)應(yīng)用和Web儀表板安全可靠地登錄。

SMS器件和Web應(yīng)用之間的會(huì)話僅通過相互驗(yàn)證的TLS建立。所有進(jìn)出SMS器件的數(shù)據(jù)都通過MQTT-over-TLS協(xié)議進(jìn)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(jié)論

所有軟件構(gòu)建模塊，結(jié)合ADI公司的先進(jìn)技術(shù)，如MEMS傳感器、精密轉(zhuǎn)換器、信號(hào)鏈和電機(jī)專業(yè)知識(shí)，為電機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)提供了一個(gè)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(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間，降低運(yùn)營(yíng)成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高員工生產(chǎn)率。

審核編輯：郭婷