用于設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的傳感測(cè)量技術(shù)

一、背景

現(xiàn)如今，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）地愈演愈熱，企業(yè)將致力于利用工業(yè)制造領(lǐng)域的進(jìn)步技術(shù)，并采取更大膽的措施來(lái)提高增長(zhǎng)和運(yùn)營(yíng)效率。制造商正在尋求解決將所有生產(chǎn)系統(tǒng)（OT和IT數(shù)據(jù)、BI、質(zhì)量管理和生產(chǎn)流程）整合到單一設(shè)局模型中的復(fù)雜問(wèn)題，因?yàn)樗麄冎滥切┏晒芾硭娜丝梢栽谶@個(gè)過(guò)程中擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。因此，在接下來(lái)幾年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)的采用率將會(huì)快速增長(zhǎng)。

圖1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

預(yù)防性維護(hù)服務(wù)幾乎是所有＊近和即將召開(kāi)的國(guó)際工業(yè)4.0會(huì)議的熱門主題。采用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行機(jī)器健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以幫助維護(hù)團(tuán)隊(duì)增加生產(chǎn)時(shí)間，制定更高效的備件管理策略，以進(jìn)行定期的預(yù)防性維護(hù)。MangoTree機(jī)器健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可幫助工廠工程師將關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)共享給領(lǐng)域?qū)＜?，以便他們進(jìn)行機(jī)器振動(dòng)分析，同時(shí)還可將這些數(shù)據(jù)連接到企業(yè)IT系統(tǒng)，以推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)I(IoT)或工業(yè)4.0。MangoTree資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案還具有開(kāi)放性和可定制性，可讓您針對(duì)工廠的特定需求開(kāi)展現(xiàn)代化的預(yù)測(cè)性維護(hù)和流程優(yōu)化。

二、概覽

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用于確定機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)，幫助用戶實(shí)時(shí)了解與分析被監(jiān)測(cè)設(shè)備的健康狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)一些常見(jiàn)故障的預(yù)判。一般地，我們針對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行故障分析，確定其故障模式，再根據(jù)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的特定組件確定所需傳感器類型，＊后對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，來(lái)判斷組件是否存在異常以及是否會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的故障。

三、用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的測(cè)量技術(shù)和傳感器

用于探測(cè)設(shè)備組件變化的傳感器多種多樣。其中振動(dòng)傳感器是監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械＊常用的傳感器。振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)在于能夠在故障發(fā)生前兩個(gè)月左右感測(cè)到設(shè)備組件的機(jī)械性能退化（圖2）。 

圖2機(jī)械組件的性能退化

其它設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)感測(cè)技術(shù)包括電機(jī)電流、機(jī)油分析、熱成像、動(dòng)態(tài)壓力以及速度等工作狀態(tài)傳感器（圖3）。

圖3狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)

表1列出了用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器類型及其一些信號(hào)調(diào)理需求。

表1.測(cè)量、傳感器、頻率、信號(hào)調(diào)理

圖4為不同傳感器對(duì)應(yīng)的故障模式示例。

圖4傳感器對(duì)應(yīng)故障圖解

上述各種傳感器可用于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部機(jī)械和電子部件的健康狀態(tài)。

-振動(dòng)傳感器用于檢測(cè)滾子軸承的磨損、齒輪箱的磨損、軸傾斜、失衡和機(jī)械松動(dòng)。

-速度傳感器與振動(dòng)傳感器結(jié)合可將振動(dòng)與轉(zhuǎn)速和軸角位置相關(guān)聯(lián)。

-電動(dòng)電流傳感器通常安裝在電機(jī)控制中心，這些傳感器可用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子偏心、繞組松動(dòng)、轉(zhuǎn)子條退化和電力供應(yīng)不平衡。

-溫度傳感器通常用于感測(cè)摩擦引起的熱量，它們經(jīng)常與振動(dòng)傳感器搭配使用

結(jié)合振動(dòng)情況來(lái)探測(cè)健康退化。

-熱成像可檢測(cè)相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)的數(shù)百個(gè)溫度點(diǎn)。

-超聲波傳感器可以檢測(cè)電氣問(wèn)題，包括電暈、電弧和漏電痕跡。它們也可以用于檢測(cè)滾子軸承磨損的早期跡象。

設(shè)備的故障類型及所需傳感器確定之后，需要選擇將傳感器數(shù)字化的測(cè)量硬件。測(cè)量硬件的選擇依據(jù)包括：傳感器特性、頻率范圍、電壓范圍和信號(hào)調(diào)理需求等。

根據(jù)測(cè)量頻率范圍的不同，有靜態(tài)傳感器和動(dòng)態(tài)傳感器兩種。動(dòng)態(tài)傳感器可測(cè)的頻率更寬，一般為1Hz或2Hz至15kHz或20kHz，超聲波傳感器的頻率范圍＊高可達(dá)100kHz或以上。靜態(tài)傳感器可測(cè)的頻率為1Hz到10Hz或20Hz。

電壓范圍和信號(hào)調(diào)理需求是傳感器的另外兩個(gè)特性。不同傳感器生成電壓不同，有的只有幾毫伏，有的能夠高達(dá)30V。還有些傳感器需要IEPE激勵(lì)或冷端補(bǔ)償。

四、選擇正確的硬件來(lái)支持感測(cè)需求

基于MangoTreeRobustRIO實(shí)施控制平臺(tái)，并搭配通用的動(dòng)態(tài)輸入模塊MTE741，您可以輕松搭建一套狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

表2.MTE741測(cè)量模塊特性

RobustRIO實(shí)施控制平臺(tái)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)可通過(guò)使用多個(gè)MTE741模塊在單個(gè)機(jī)箱中實(shí)現(xiàn)多達(dá)60個(gè)通道。圖5所示的RobustRIO實(shí)施控制平臺(tái)搭配了15個(gè)MTE741模塊。

圖5配有15個(gè)MTE741模塊的RobustRIO

許多靜態(tài)測(cè)量可以使用0V~10V輸出或4mA~20mA輸出傳感器實(shí)現(xiàn)。這些輸出范圍適用于常見(jiàn)的控制系統(tǒng)。這些“處理”傳感器輸出對(duì)于石油和天然氣、化學(xué)處理和發(fā)電等工業(yè)過(guò)程應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常普遍的。MTE710模塊提供八個(gè)±10V差分輸入，MTE712模塊提供4個(gè)±25mA輸入，電壓和毫安輸入模塊為包含各種處理傳感器的RobustRIO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了輸入，包括表1中列出的傳感器。表3列出了一些RobustRIO適用的模塊。

表3.RobustRIO適用的MT測(cè)量模塊

表3中列出的其他模塊包括熱電偶模塊、RTD模塊、隔離電壓輸入模塊和觸點(diǎn)閉合監(jiān)測(cè)模塊。熱電偶模塊提供冷端補(bǔ)償和可選的噪聲抑制。RTD模塊提供傳感器激勵(lì)和可選的噪聲抑制。數(shù)字輸入模塊可監(jiān)測(cè)機(jī)器或過(guò)程控制中的觸點(diǎn)閉合。

我們將于2021年8月6日上海國(guó)際智能維護(hù)技術(shù)及工程應(yīng)用展覽會(huì)現(xiàn)場(chǎng)以展臺(tái)的形式集中呈現(xiàn)核心產(chǎn)品。

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