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全球智能制造加速之下,如何解决工业设备维护难题?

来源:荣格工业设备商情 发布时间:2019-12-13 359
智能制造工业机器人传感器智能仓储物流机械传动仪器仪表液压与气动技术电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 技术前沿
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全球工业正迎来新一轮变革。无论是德国提出的“工业4.0”,美国的“工业互联网”,还是中国的“中国制造业2025”,三者本质上都指向一个核心——智能制造。全球工业提速大背景下,现代设备结构越来越复杂、自动化程度也越来越高,随之而来的是日常维护和故障检修难度的水涨船高。
 
 
如何保证设备系统低故障甚至无故障运行,减少因此带来的时间成本和经济成本的损失,成为全球智能制造业需要解决的问题。而随着维修理论和相关技术的发展,CBM被认为是解决上述问题最佳途径之一。它综合运用了传感器、信号处理、人工智能以及计算机软硬件等技术,其最终目的是为了提高设备运行的稳定性,减少停机时间和维护费用。
 
智能制造时代,重新认识CBM
 
CBM,即Condition-Based Maintenance,中文译为基于条件的监测,而后逐渐衍生出状态监测、工业监测等笼统说法。事实上CBM是一种维护方式,其主要以状态监测技术为基础,以设备状态信息与处理技术及维修分析决策技术为核心,对设备进行各种参数测量随时反映设备实际状态。测量的参数可以在足够的提前期间发出警报,以便采取适当的维修措施。
 
比如,你可通过安装一个传感器用于监测某些旋转设备的振动。经年累月的运行后,设备的运动片出现退化并开始脱离对准的情况,进而导致振动增加。当设备的振动量超过预设的极限值时,已安装的传感器就会发出警报,提醒你及时更换零件进行维护。
 
因此从本质上来看,CBM的意义在于:通过判断设备当前的运行状态,得出或者预测设备的剩余使用寿命,从而合理安排设备的维护周期,提高设备运行的稳定性、减少维护费用,最大限度利用设备的使用寿命。
 
 
当前,CBM广泛应用在船运、重型机械、工业控制及航空航天等诸多领域。根据全球知名调查研究公司Marketsand Markets公布的数据,2017年机器状态监测市场的价值为22.1亿美元,预计到2024年将达到35.0亿美元,在预测期内的复合年增长率为6.7%。
 
需要指出的是,伴随CBM一同出现的往往还有预测性维护(Predictive Maintenance,简称PdM)。预测性维护作为CBM的前身,其获取的关键运行参数数据可以辅助决策,判断机器的运行状态、优化机器的维护时机。不过早期由于缺乏完整、连续的数据采集系统,导致设备系统的预测并不准确。
 
随着近年来德国工业4.0、美国工业互联网以及中国制造2025等相关智能制造概念的相继提出,逐步提速的全球工业对CBM的需求愈发强烈。
 
 
从风力发电机状态监测看工业CBM
 
作为一种新兴的清洁能源项目,风力发电受到了不少国家的青睐。不过由于其特殊性,风力发电机组长时间在工作环境恶劣且变负荷运行工况下,这对风电机组状态监测和故障诊断系统提出了较高的要求。
 
 
当前,传感器和传感器处理方面的技术发展可实现完全嵌入式自主检测系统的部署,并且能够可靠地对设备缺陷、不平衡、性能变化以及其他异常进行检测和分析。ADI就提供了用于监控风力涡轮机运行状况的一系列解决方案。
 
在该解决方案中,首先需要在涡轮机的叶片上安装低功耗振动传感器ADXL375。这是一款小而薄的低功耗3轴MEMS加速度计,具有高达±200g的高分辨率测量范围。然后,基于MEMS的传感器连接到ADI提供的智能网格IP(SmartMesh IP)—这是一种低功耗无线电,可以在叶片和管理器之间创建无线连接。即使在恶劣和不断变化的RF环境中,SmartMesh IP也能提供非常可靠地稳定性,因此适用于风力发电机组的运行工况。
 
△完全嵌入式智能振动监控系统的典型集成方式
 
在该解决方案中获取振动数据的传感器并非只有ADXL375,ADI还在风力涡轮机的塔上提供了压电式振动传感器和MEMS振动传感器,并将压电式传感器的模拟输出端连接到24位数据采集系统,MEMS振动传感器的模拟输出端连接到18位数据采集解决方案。这个18位数据采集解决方案基于ADI信号链微模块技术,它将ADC、ADC驱动器、参考缓冲器以及防结冰过滤器集成在一个封装中,其中的AD4003数据采集微模块将解决方案的密度提高了4倍,同时加快了设计周期。
 
值得注意的是,作为工业领域中普遍存在的现象,设备振动曲线较复杂、有时间偏移,并且易受设备、材质和位置的变化影响。在使用高成本传感器元件时,更要考虑传感器数据本身的完整性,适用的振动分析程序都应该要能够监控数十甚至数百个位置,这样才能获得更多有价值的数据,将风险降至最低。
 
无线传输网络是工业CBM的关键
 
值得注意的是,在非常嘈杂、且采用金属结构、传导性很差的工业环境中,数据采集传输往往会成为CBM面临的一大难题。因为这些传感器不一定非常靠近数据记录器。为了让传感器在苛刻的工业物联网环境中进行顺畅通信,ADI公司的Smart Mesh工业Mesh网络应运而生。
 
 
从结构上来看,SmartMesh IP网络由高度可扩展的自成形多跃点无线节点网格和网络管理器构成。其无线节点称为智能微尘,这些高度可扩展的无线节点呈网状网络,用于收集和中继数据。而网络管理器用于监控和管理网络性能和安全,并与主机应用程序交换数据。
 
正如前文所言,SmartMesh IP工业Mesh网络功耗低,且具有相当高的抗扰性,能够在通常非常嘈杂、且采用金属结构、传导性很差的工业环境中运行。此外,SmartMesh IP网络基于6LoWPAN标准(IEEE802.15.4e),非常适合IoT,且基于围绕2.4GHz传输的专有协议构建。该解决方案包含LTC5800收发器或预认证的LTP590x模块,非常易于实施。
 
小结
 
事实上在CBM系统中,对每一台设备都应有一套监测或状态检查方法,检查可以是定期也可以是连续的。通过各种检查手段获得数据后,当设备必须进行维修时即可安排维修。由于故障状态可预知,配合有准备、周密的维修计划,可大大提高维修效率,减少维修停机时间。在全球工业加速的大背景下,CBM系统的重要性愈发凸显。
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