AI已成為了產(chǎn)業(yè)的熱點，更多的企業(yè)也聚焦于AI應(yīng)用，于工業(yè)而言，通過工程集成將其“場景化”、“產(chǎn)品化”，則是它能夠發(fā)揮價值的必然實現(xiàn)路徑。早在在2021年，貝加萊(中國)機(jī)器智能研究院(MITC)開啟了對“預(yù)測性維護(hù)”技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，以讓用戶能夠采用簡單的方式來實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)的應(yīng)用。

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)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，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)參等整個流程的復(fù)雜性，對于工業(yè)而言，通過工程集成將其“場景化”、“產(chǎn)品化”，則是它能夠發(fā)揮價值的必然實現(xiàn)路徑，否則，它將變成一個個獨立項目，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)鍵評價指標(biāo)。

　　早在 10 年前，貝加萊已經(jīng)開始通過機(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)備上開始了預(yù)測性維護(hù)的應(yīng)用。經(jīng)過大量的工程實踐積累，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)機(jī)器智能研究院(MITC)開啟了對“預(yù)測性維護(hù)”技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，以讓用戶能夠采用簡單的方式來實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)的應(yīng)用。

　　2 機(jī)器入職前體檢與在線監(jiān)測

　　原本采用預(yù)測性維護(hù)更多的是在設(shè)備現(xiàn)場運行，但是，來自眾多的領(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)測技術(shù)用于出廠前的設(shè)計、安裝、驗收階段。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

　　它包括了以下幾個方面的需求：

　　(1)設(shè)計驗證階段：為機(jī)器的機(jī)械傳動鏈提供測試驗證。

　　(2)出廠檢測：主要對機(jī)械的一致性進(jìn)行驗證。

　　(3)安裝驗收：通過機(jī)械的測試，用可量化分析機(jī)器的運行平穩(wěn)性。

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

　　(5)長期運行：長期運行的機(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)計了一個比較貼切的名字——“M.Doctor”，它的全稱是“Machine Doctor”，它表明這是一個為機(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)場運行的過程中，就相當(dāng)于為機(jī)器佩戴了一個24小時在線的可穿戴“健康”監(jiān)測手表。

　　3 M.Doctor 的設(shè)計思想

　　M.Doctor按照工業(yè)AI軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化流程設(shè)計，通過數(shù)據(jù)的規(guī)范化、系統(tǒng)化采樣，以及對數(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、標(biāo)定、處理、分析、報警、報表的完整系統(tǒng)。

　　圖 2 M.Doctor 概念設(shè)計

　　它通過不斷地在現(xiàn)場各個場景中的數(shù)據(jù)樣本積累、標(biāo)定，最終形成機(jī)器的“故障預(yù)測”能力，并部署于本地的PC系統(tǒng)中，由其對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時推理，并做出判斷。

　　M.Doctor設(shè)計為“易用”，在機(jī)器制造現(xiàn)場，通過貼裝方式將傳感器部署于機(jī)器關(guān)鍵傳動鏈上的合適位置，并通過數(shù)據(jù)連接至專家系統(tǒng)，通過簡單的配置，即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)測、可視化呈現(xiàn)、判斷、報表等功能。

　　4 硬件完整性

　　最早，貝加萊做預(yù)測性維護(hù)，就以振動監(jiān)測為主，如表1所列，在各種用于故障分析的信號檢測中，振動是一個“能力域”比較寬的方法，它可以檢出多種現(xiàn)場的故障，如不對中、不平衡、共振、轉(zhuǎn)子/軸承損壞等等。因此，振動傳感器和振動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方法

　　貝加萊的加速度傳感器用于振動檢測：它負(fù)責(zé)時域信號采樣，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)動電流、或其它已有的傳感器如互感器電流、電壓等信號。因此，M.Doctor不局限于振動傳感器。

　　5 M.Doctor——工具箱

　　M.Doctor被設(shè)計為一個便攜式的工具箱，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)場的移動監(jiān)測，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)用場景舉例

　　通過大量的現(xiàn)場應(yīng)用，下面僅以其中幾個典型場景簡單描述其應(yīng)用。

　　(1)軸承預(yù)緊力不足

　　由于在傳動軸上的軸承，通常會因為鎖緊力不足，而導(dǎo)致較多的故障進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，這通常因為軸承鎖緊過程中的游隙而產(chǎn)生。M.Doctor通過對這類故障的信號進(jìn)行模式的判別，經(jīng)過多次的測試，形成對該類故障的推理能力。這種模式識別能力，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

　　對于高速(例如 500m/min 的印刷機(jī))、高精度的機(jī)器，細(xì)微的機(jī)器振動都會對產(chǎn)品品質(zhì)帶來影響，如在長期的運行以及地基維護(hù)不當(dāng)時，地腳螺絲的松動會給機(jī)器帶來品質(zhì)的損失。而這類故障通常不易被察覺(因為通常會將生產(chǎn)品質(zhì)與工藝控制、機(jī)電傳動鏈的精度進(jìn)行關(guān)聯(lián))，而忽視了實際上這種環(huán)境干擾帶來的問題。

　　通過M.Doctor的模式分析以及判斷，在對這類故障的識別上，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 地腳螺絲松動場景

　　(3)軸承故障模式識別

　　在機(jī)電傳動系統(tǒng)中，電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子與定子的間隙磁場完成驅(qū)動。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、潤滑不足會帶來電機(jī)的失效損耗，這是難以避免的。

　　M.Doctor通過對軸承的振動數(shù)據(jù)檢測與分析，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 軸承故障模式識別

　　7 出乎意料的回報

　　對于預(yù)測性維護(hù)所帶來的好處，都是大家都所知道的，降低機(jī)器的非故障宕機(jī)、有效的維保計劃制定、更長的機(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)器安裝人員的開心時刻

　　M.Doctor在設(shè)備工廠內(nèi)的安裝、調(diào)試時，還是給出了非常多的好處——如果 M.Doctor沒有報警顯示的時候，代表機(jī)器真的裝得非常完美了，可以去用戶那里“上班”了。這對于機(jī)器設(shè)計、安裝、現(xiàn)場調(diào)試人員來說是非常開心的一件事，因為，這代表他們又完美地安裝了一臺設(shè)備。

　　(2)究竟什么造成了設(shè)備的品質(zhì)問題

　　大部分時候，現(xiàn)場人員容易把問題聚焦在品質(zhì)分析這樣的“大問題”或者“關(guān)鍵技術(shù)點”，這當(dāng)然不會有問題，但M.Doctor給人們的啟發(fā)是：有時候，可能就是“地腳螺絲松動”這樣的問題，會帶來機(jī)器運行的故障，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，它會越用越聰明——開始，它只是告訴你系統(tǒng)有問題，而未來，它會告訴你問題在哪里，究竟是什么問題。對它的投資，就像投資教育一樣，是高回報的!