AI已成為了產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，更多的企業(yè)也聚焦于AI應(yīng)用，于工業(yè)而言，通過(guò)工程集成將其“場(chǎng)景化”、“產(chǎn)品化”，則是它能夠發(fā)揮價(jià)值的必然實(shí)現(xiàn)路徑。早在在2021年，貝加萊(中國(guó))機(jī)器智能研究院(MITC)開(kāi)啟了對(duì)“預(yù)測(cè)性維護(hù)”技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，以讓用戶能夠采用簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)的應(yīng)用。

　　文/貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(中國(guó))有限公司

　　1 解決 AI 應(yīng)用難題——產(chǎn)品化

　　盡管AI成為了產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，更多的企業(yè)也聚焦于AI應(yīng)用，但是，考慮到從數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征提取、模型訓(xùn)練、調(diào)參等整個(gè)流程的復(fù)雜性，對(duì)于工業(yè)而言，通過(guò)工程集成將其“場(chǎng)景化”、“產(chǎn)品化”，則是它能夠發(fā)揮價(jià)值的必然實(shí)現(xiàn)路徑，否則，它將變成一個(gè)個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目，消耗大量的工程師資源，而因此變得缺乏經(jīng)濟(jì)性，而經(jīng)濟(jì)性是任何先進(jìn)技術(shù)能夠真正被采用的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　早在 10 年前，貝加萊已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)機(jī)理建模與學(xué)習(xí)混合方式在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、飲料灌裝設(shè)備、印刷等重值設(shè)備上開(kāi)始了預(yù)測(cè)性維護(hù)的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐積累，具備了將這些應(yīng)用封裝為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。因此，在2021年，貝加萊(中國(guó))機(jī)器智能研究院(MITC)開(kāi)啟了對(duì)“預(yù)測(cè)性維護(hù)”技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，以讓用戶能夠采用簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)的應(yīng)用。

　　2 機(jī)器入職前體檢與在線監(jiān)測(cè)

　　原本采用預(yù)測(cè)性維護(hù)更多的是在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，但是，來(lái)自眾多的領(lǐng)先裝備企業(yè)也提出了重要的訴求，就是——能否將這些監(jiān)測(cè)技術(shù)用于出廠前的設(shè)計(jì)、安裝、驗(yàn)收階段。如圖 1，它構(gòu)成了機(jī)器的完整生命周期中的服務(wù)理念。

　　圖 1 M.Doctor 為機(jī)器的全生命周期服務(wù)理念

　　它包括了以下幾個(gè)方面的需求：

　　(1)設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段：為機(jī)器的機(jī)械傳動(dòng)鏈提供測(cè)試驗(yàn)證。

　　(2)出廠檢測(cè)：主要對(duì)機(jī)械的一致性進(jìn)行驗(yàn)證。

　　(3)安裝驗(yàn)收：通過(guò)機(jī)械的測(cè)試，用可量化分析機(jī)器的運(yùn)行平穩(wěn)性。

　　(4)工作階段：隨機(jī)故障的監(jiān)測(cè)，使機(jī)器處于可靠運(yùn)行狀態(tài)。

　　(5)長(zhǎng)期運(yùn)行：長(zhǎng)期運(yùn)行的機(jī)器在磨損、關(guān)鍵機(jī)械件的損耗方面，需要早期預(yù)警。

　　基于此，MITC給這款產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一個(gè)比較貼切的名字——“M.Doctor”，它的全稱是“Machine Doctor”，它表明這是一個(gè)為機(jī)器配置的健康“醫(yī)生”。如果用于機(jī)器出廠前，就相當(dāng)于建立了一個(gè)內(nèi)部“體檢”中心，確保機(jī)器到用戶端的“入職體檢”合格，才能去終端用戶處“上班”。而到了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，就相當(dāng)于為機(jī)器佩戴了一個(gè)24小時(shí)在線的可穿戴“健康”監(jiān)測(cè)手表。

　　3 M.Doctor 的設(shè)計(jì)思想

　　M.Doctor按照工業(yè)AI軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化流程設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、系統(tǒng)化采樣，以及對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)定，完成預(yù)處理及關(guān)鍵故障特征提取。經(jīng)由模型訓(xùn)練過(guò)程以及優(yōu)化，并采用了機(jī)器學(xué)習(xí)的分類方法，結(jié)合電機(jī)、傳動(dòng)鏈的物理模型進(jìn)行優(yōu)化，最終形成了一套全面數(shù)據(jù)檢測(cè)、標(biāo)定、處理、分析、報(bào)警、報(bào)表的完整系統(tǒng)。

　　圖 2 M.Doctor 概念設(shè)計(jì)

　　它通過(guò)不斷地在現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)樣本積累、標(biāo)定，最終形成機(jī)器的“故障預(yù)測(cè)”能力，并部署于本地的PC系統(tǒng)中，由其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)推理，并做出判斷。

　　M.Doctor設(shè)計(jì)為“易用”，在機(jī)器制造現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)貼裝方式將傳感器部署于機(jī)器關(guān)鍵傳動(dòng)鏈上的合適位置，并通過(guò)數(shù)據(jù)連接至專家系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的配置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、可視化呈現(xiàn)、判斷、報(bào)表等功能。

　　4 硬件完整性

　　最早，貝加萊做預(yù)測(cè)性維護(hù)，就以振動(dòng)監(jiān)測(cè)為主，如表1所列，在各種用于故障分析的信號(hào)檢測(cè)中，振動(dòng)是一個(gè)“能力域”比較寬的方法，它可以檢出多種現(xiàn)場(chǎng)的故障，如不對(duì)中、不平衡、共振、轉(zhuǎn)子/軸承損壞等等。因此，振動(dòng)傳感器和振動(dòng)分析模塊是最多被應(yīng)用于故障分析的，它也成為了M.Doctor的標(biāo)配。

　　表 1 故障診斷常用的檢測(cè)方法

　　貝加萊的加速度傳感器用于振動(dòng)檢測(cè)：它負(fù)責(zé)時(shí)域信號(hào)采樣，它的采樣頻率范圍從2Hz低頻到10kHz+/-5%的高頻段;精度可以達(dá)到100mv/g。

　　但是，M.Doctor的設(shè)計(jì)思想在于“靈活性”、“便利性”，即，能夠在不增加成本的情況下，盡量利用系統(tǒng)原有的硬件資源，如溫度傳感器、總線獲得的驅(qū)動(dòng)電流、或其它已有的傳感器如互感器電流、電壓等信號(hào)。因此，M.Doctor不局限于振動(dòng)傳感器。

　　5 M.Doctor——工具箱

　　M.Doctor被設(shè)計(jì)為一個(gè)便攜式的工具箱，配置了強(qiáng)大的硬件和智能分析軟件，可以被用于機(jī)器現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)，去掉箱子，可被直接集成到機(jī)器控制系統(tǒng)中，作為機(jī)器功能的構(gòu)成部分。

　　圖 4 M.Doctor 軟硬件一體方案構(gòu)成

　　6 M.Doctor 應(yīng)用場(chǎng)景舉例

　　通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，下面僅以其中幾個(gè)典型場(chǎng)景簡(jiǎn)單描述其應(yīng)用。

　　(1)軸承預(yù)緊力不足

　　由于在傳動(dòng)軸上的軸承，通常會(huì)因?yàn)殒i緊力不足，而導(dǎo)致較多的故障進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，這通常因?yàn)檩S承鎖緊過(guò)程中的游隙而產(chǎn)生。M.Doctor通過(guò)對(duì)這類故障的信號(hào)進(jìn)行模式的判別，經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試，形成對(duì)該類故障的推理能力。這種模式識(shí)別能力，可以為該類故障獲得 96.8%的檢出率、3.8%的誤檢率以及0% 的漏檢率。

　　圖 5 軸承預(yù)緊力

　　(2)地腳螺絲松動(dòng)

　　對(duì)于高速(例如 500m/min 的印刷機(jī))、高精度的機(jī)器，細(xì)微的機(jī)器振動(dòng)都會(huì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)帶來(lái)影響，如在長(zhǎng)期的運(yùn)行以及地基維護(hù)不當(dāng)時(shí)，地腳螺絲的松動(dòng)會(huì)給機(jī)器帶來(lái)品質(zhì)的損失。而這類故障通常不易被察覺(jué)(因?yàn)橥ǔ?huì)將生產(chǎn)品質(zhì)與工藝控制、機(jī)電傳動(dòng)鏈的精度進(jìn)行關(guān)聯(lián))，而忽視了實(shí)際上這種環(huán)境干擾帶來(lái)的問(wèn)題。

　　通過(guò)M.Doctor的模式分析以及判斷，在對(duì)這類故障的識(shí)別上，M.Doctor 達(dá)到了100%的檢出率、0誤檢率，以及0漏檢率的優(yōu)異表現(xiàn)。

　　圖 6 地腳螺絲松動(dòng)場(chǎng)景

　　(3)軸承故障模式識(shí)別

　　在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子與定子的間隙磁場(chǎng)完成驅(qū)動(dòng)。但這種電機(jī)系統(tǒng)中的軸承成為了機(jī)械的瓶頸——它的磨損、潤(rùn)滑不足會(huì)帶來(lái)電機(jī)的失效損耗，這是難以避免的。

　　M.Doctor通過(guò)對(duì)軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析，可以獲得 98.6%的故障檢出率、5.6%的誤檢率，以及0漏檢。

　　圖 7 軸承故障模式識(shí)別

　　7 出乎意料的回報(bào)

　　對(duì)于預(yù)測(cè)性維護(hù)所帶來(lái)的好處，都是大家都所知道的，降低機(jī)器的非故障宕機(jī)、有效的維保計(jì)劃制定、更長(zhǎng)的機(jī)器壽命、更穩(wěn)定的生產(chǎn)……凡此種種。但是，在M.Doctor的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中，MITC的工程師發(fā)現(xiàn)它可能還有意想不到的用處，其中包括：

　　(1)機(jī)器安裝人員的開(kāi)心時(shí)刻

　　M.Doctor在設(shè)備工廠內(nèi)的安裝、調(diào)試時(shí)，還是給出了非常多的好處——如果 M.Doctor沒(méi)有報(bào)警顯示的時(shí)候，代表機(jī)器真的裝得非常完美了，可以去用戶那里“上班”了。這對(duì)于機(jī)器設(shè)計(jì)、安裝、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員來(lái)說(shuō)是非常開(kāi)心的一件事，因?yàn)椋@代表他們又完美地安裝了一臺(tái)設(shè)備。

　　(2)究竟什么造成了設(shè)備的品質(zhì)問(wèn)題

　　大部分時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)人員容易把問(wèn)題聚焦在品質(zhì)分析這樣的“大問(wèn)題”或者“關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)”，這當(dāng)然不會(huì)有問(wèn)題，但M.Doctor給人們的啟發(fā)是：有時(shí)候，可能就是“地腳螺絲松動(dòng)”這樣的問(wèn)題，會(huì)帶來(lái)機(jī)器運(yùn)行的故障，而這些是AI在意想不到的地方告訴人們的。

　　(3)更聰明的機(jī)器

　　M.Doctor所代表的AI應(yīng)用真正的潛力在于，它會(huì)越用越聰明——開(kāi)始，它只是告訴你系統(tǒng)有問(wèn)題，而未來(lái)，它會(huì)告訴你問(wèn)題在哪里，究竟是什么問(wèn)題。對(duì)它的投資，就像投資教育一樣，是高回報(bào)的!