ADI CbM检测技术加速智能制造的实现

供稿：骏龙科技 作者：张昆

摘要：随着工业4.0进程的加快，我国加工制造业进入了新的时期，在这个时期更多的加工设备也变得更加智能化了。设备的智能化离不开先进的CbM检测技术，ADI的CbM解决方案可以提供更加精准的设备状态监测，为设备的智能化保驾护航。

1. 引言

众所周知，智能制造对我国制造业有着深刻的意义，是我国从低端制造走向高端制造的重要途经之一，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。

2. 设备状态监测的定义及意义

监测设备状态主要是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或者恶化的征兆，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。

状态监测的意义主要在于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，大大的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。

3. 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显得更加专注设备的实际技术状态。如下图（图1）为：传统维护和状态监测的成本区别。

图1  传统维护与状态监测成本区别

4. 设备资产的维护周期

下图（图2）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：

1）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。

2）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。

3）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能够及时捕捉设备的技术状态参数并加以实时监测的话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。 

4）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。

5）功能故障阶段：在这个阶段去维修设备往往是要付出很大代价的。

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，进而可以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2：设备维护周期示意图

5. 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3）是ADI MEMS加速度计和压电式传感器的对比。

图3  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。

（1） 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4）可以看到：

1）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。

2）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。

3）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4  轴承失效阶段图

（2） 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4）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。

（3） 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5）：

图5 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：1. ±50g - ±500g量程，带宽11KHZ-24KHZ；

           2.整体成本较低；

           3.高性能、高精度、小尺寸。

（4）  IEPE 接口传感器方案推荐

图6  ADXL1002/ADXL1002 IEPE 与AD7134的参考设计图

上图（图6）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：1.低噪声、高动态范围、低失真；

      2.无需抗混叠滤波器设计；

      3.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。

6. 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。下图(图7)七是ADI在不同情况下推荐的MEMS 加速度计整理：

图7  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。

7. 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。更多ADI产品性能介绍，更详细的技术指导，您可联系骏龙科技各地办事处。骏龙科技的技术人员愿意为您提供更详细的技术支持。

参考资料

设备状态监测 文章来源于百度文库

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