公元前4000年，由振動衍生出了當(dāng)時(shí)的語言，音樂和樂器;公元132年振動理論激發(fā)張衡發(fā)明了地動儀;1946年，美國的物理學(xué)家利比博士利用銫、氨原子的天然振動創(chuàng)造出了世界上第一座原子鐘，原子鐘至今也是最先進(jìn)的鐘。在我們的世界中，振動是無處不在的。如何避免振動帶來的危害，利用其為人類服務(wù)才是主要議題。

在工業(yè)中的機(jī)器振動就是非常普遍的現(xiàn)象，機(jī)器在輸入能量轉(zhuǎn)化為有用功的過程中，均會產(chǎn)生振動。不過非正常振動會影響工業(yè)設(shè)備的健康狀態(tài)，比如降低機(jī)械加工的精度和光潔度，加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，縮短機(jī)器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命。此外，振動還會增加能耗，降低機(jī)器效率，而非正常振動有時(shí)會使機(jī)器發(fā)生大變形而損壞，甚至造成災(zāi)難性的事故。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)查報(bào)告顯示，過時(shí)的監(jiān)測和維護(hù)技術(shù)會導(dǎo)致工廠整體生產(chǎn)能力降低5%到20%。在工業(yè)4.0到來之際，機(jī)器的健康監(jiān)測成為了工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域里需要認(rèn)真研究重要課題。高性能模擬技術(shù)提供商ADI公司就將無線CBM(基于條件的檢測)作為工業(yè)4.0落地的重要一環(huán)，在最近的多個(gè)活動中分享了其技術(shù)解決方案。

無線狀態(tài)監(jiān)控解決方案PK傳統(tǒng)CBM

在工業(yè)中，機(jī)器振動是不可避免的，利用振動觀察機(jī)器健康狀況是常見的監(jiān)測手段之一。有行業(yè)報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測一年可以幫助降低12%的維修成本，并將機(jī)器可用性大幅提高至92%?；跔顟B(tài)的維護(hù)還可以減少約25%的意外故障;修理和檢修時(shí)間降低幾乎一半，備件的庫存也可以減少20%。

但是傳統(tǒng)的振動狀態(tài)監(jiān)測需要維護(hù)周期，在接近末期時(shí)，振動監(jiān)控的頻率變得更高，尤其是在人員或資產(chǎn)處于危險(xiǎn)的情況下。在該階段，利用便攜式設(shè)備進(jìn)行振動監(jiān)控的機(jī)器，其重復(fù)成本將逐漸增加，與維護(hù)成本相比，高得讓人望而卻步。雖然有必要對重要資產(chǎn)進(jìn)行特殊關(guān)照，但許多其他儀器卻是無法承受這種重復(fù)成本。并且過去利用手持式振動探頭，它的主要缺點(diǎn)是不能進(jìn)行可重復(fù)測量。探頭位置或角度稍有改變，就會產(chǎn)生不一致的振動剖面，從而難以進(jìn)行精確的時(shí)間比較，還有另一個(gè)局限性是無法實(shí)時(shí)指出振動偏移。

傳統(tǒng)監(jiān)控方法缺乏可重復(fù)性和可靠性

而ADI推出的基于ADcmXL3021以及ADXL1002等產(chǎn)品的狀態(tài)監(jiān)控解決方案完美解決了這些問題，將其MEMS振動傳感器與精密轉(zhuǎn)換器、線性、隔離和電源技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)用于提供高質(zhì)量機(jī)器健康數(shù)據(jù)，以最大限度地延長機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)間并提高效率。工業(yè)級MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品很好的滿足了對性能和穩(wěn)定可靠性的嚴(yán)苛要求，對比傳統(tǒng)的壓電陶瓷傳感器，在DC特性、溫漂、成本等方面都有著突出的差異化。

其中，ADcmXL3021模塊是一套完整的振動檢測系統(tǒng)，利用了ADI屢獲殊榮的微機(jī)電系統(tǒng)傳感器技術(shù)MEMS技術(shù)，機(jī)器健康數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的、可操作的監(jiān)測用以防止工作中斷，將高性能振動檢測與多種信號處理功能結(jié)合在一個(gè)緊湊的外形中，簡化了基于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)過程，提高了安全性和降低成本。

基于條件的監(jiān)測系統(tǒng)是預(yù)防性維護(hù)的一個(gè)重要組成部分，其加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是低噪聲和寬帶寬。ADcmXL3021模塊擁有MEMS加速度計(jì)的超低噪聲密度(25μg/√Hz)可支持出色的分辨率。寬帶寬(直流至10kHz，平坦度為5%)可以在多個(gè)機(jī)器平臺上跟蹤關(guān)鍵振動特征，通過監(jiān)控機(jī)械疲勞和故障的早期指標(biāo)來提高生產(chǎn)效率并減少設(shè)備維修，適用于各種工業(yè)設(shè)備和運(yùn)輸車輛。

結(jié)合smartMesh無線網(wǎng)絡(luò)，讓狀態(tài)監(jiān)測落地“無痕”

工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的獨(dú)特價(jià)值很容易獲得工業(yè)企業(yè)的認(rèn)可，但是通常真正落地卻困難重重——已有的廠房環(huán)境中布線和供電都是很困難的事。ADI公司兩年前收購凌力爾特不僅獲得了高性能電源技術(shù)，該公司的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——SmartMesh更是對ADI的產(chǎn)品線實(shí)現(xiàn)了很好的擴(kuò)充，特別是無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)無需中斷工廠運(yùn)行就可安裝，可以輕松改造已經(jīng)投產(chǎn)的工廠，這對于CBM系統(tǒng)非常重要。無線節(jié)點(diǎn)放置不受現(xiàn)有空間限制，在金屬和混凝土結(jié)構(gòu)中能夠可靠工作，同時(shí)還能夠像工廠管理軟件發(fā)送實(shí)時(shí)讀數(shù)。這種數(shù)據(jù)可用來迅速、準(zhǔn)確地確定工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

通過將MEMS振動檢測與ADISmartMesh無線連接網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過SmartMesh無線網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器，通過電池供電的低功耗設(shè)計(jì)，在本地計(jì)算和分析頻域數(shù)據(jù)。SmartMesh還可確保振動檢測的部署更具普遍性。此類完全集成的傳感器無需依賴于翻新接線/基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能夠更精確可靠地檢測出性能變化，而且能夠顯著降低預(yù)付和重復(fù)維護(hù)成本。

上圖是ADI基于MEMS加速度計(jì)ADXL1002的無線狀態(tài)監(jiān)控解決方案，可部署不平衡軸加載電機(jī)和平衡軸加載電機(jī)。方案從ADXL1002采集振動數(shù)據(jù)，使用ADuCM4050處理原始數(shù)據(jù)，并通過SmartMesh將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，從而能夠?qū)τ性措姍C(jī)進(jìn)行無線振動監(jiān)測，尺寸減小后將電機(jī)驅(qū)動組合成雙軸驅(qū)動。

基于Python的GUI可視化加速度數(shù)據(jù)，GUI顯示網(wǎng)路信息，加速時(shí)間序列、FFT和匯總數(shù)據(jù)。最后，通過將轉(zhuǎn)換與具有基于云的分析系統(tǒng)的嵌入式連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)耦合，可對當(dāng)前的設(shè)備監(jiān)控領(lǐng)域中的信息和專門技術(shù)產(chǎn)生成倍的影響。借助由MEMS方法實(shí)現(xiàn)的更加可靠、功能更強(qiáng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，幫助實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，以及基于條件的預(yù)測性維護(hù)。