作者：Giovanni Campanella，系統工程師，工廠自動化，德州儀器

成本、安全性、可用性和可靠性是主要工業參與者投資預測性維護的主要原因。預測性維護允許工廠通過測量振動、溫度、壓力和電流等關鍵參數來監控在役設備的狀況。這種監控需要具有高速信號鏈、強大處理能力以及有線和/或無線連接的智能傳感器。

當前趨勢傾向于無線連接，因為它可以覆蓋偏遠地區并且不會增加額外的布線成本。無線連接將現有設備轉換為智能設備（而不是替換它），使用戶能夠根據實際需要規劃維護，提高生產力和效率。這就是工業 4.0 的終極目標。

為什么要進行預測性維護？根據美國國家響應中心的數據，修復故障資產的成本比在故障之前解決問題的成本高出大約 50%。

此外，如果電機等資產在工廠環境中以不可預知的方式發生故障，可能會傷害使用它的操作員，可能導致誤工、罰款或審計。

最后，不可用的資產可能會減慢甚至停止生產，從而導致數百萬美元的損失，在某些情況下甚至會導致客戶損失。

成本、安全性、可用性和可靠性是預測性維護成為工業 4.0 基礎的主要原因，工業 4.0的目標是提高工廠的生產力、效率和靈活性。預測性維護的領先解決方案是狀態監測。

通過監控資產的狀態并預測其故障，工廠工人將能夠在資產損壞之前對其進行更換或維修。這種主動方法避免了停機并增加了平均故障間隔時間 (MTBF)，從而改進了生產過程并提高了效率。您可以在圖 1中看到一個生產單元的示例。

圖 1：生產單元示例。

什么是預測性維護？開發一個有效的監控系統需要硬件和軟件組件，包括狀態監控傳感器、網關和模塊來處理數據處理和傳輸，以及一個安全的云服務器作為軟件組件并處理數據存儲和數據分析。

傳感器是整個系統的第一個也是最重要的組件。振動、溫度、壓力和電流只是可以指示設備狀態的部分參數。狀態監測傳感器需要一種具有高分辨率、高速轉換的低功耗和小尺寸解決方案，以獲得可靠的數據，這些數據在處理時可以確定機器的健康狀況。

處理部分可能需要高效、可擴展的快速傅里葉變換 (FFT) 計算來預測潛在的設備故障，可以在傳感器級別發生，也可以外包給網關、模塊或云。重要的是要記住，直接在現場完成的邊緣處理將通過將一些處理能力從控制或操作員級別（“核心”）轉移到現場級別（“邊緣”）。

從傳感器，數據將通過標準接口（例如 4–20 mA、高速可尋址遠程傳感器 (HART)、IO-Link 或工業以太網）通過電線傳輸到網關或模塊，同時利用現有網絡或使用其他接口例如用于基于壓電測量原理的加速度計的集成電子壓電 (IEPE)。

盡管狀態監測網關允許多個有線或無線傳感器節點與中央狀態監測系統進行數據通信，但狀態監測模塊除了處理能力外，還具有與網關相同的功能。

無線網狀網絡（如無線 HART）、無線點對點網絡（如 IO-Link 無線）或星形網絡（如低于 1 GHz）將是傳輸數據的最佳解決方案當設備位于遠程位置或無法使用現有有線網絡或不方便時。

網狀網絡允許無線電將消息轉發到其他無線電，從而使無線電系統更加可靠。例如，如果一個節點不能直接向另一個節點發送消息，則網狀網絡通過一個或多個中間節點轉發消息。

其他協議（如 Wi-Fi 或藍牙）用于配置目的，允許操作員以無線方式與設備交互，而不是通過標準觸摸面板。

從網關，數據將被傳輸到狀態監測模塊、工廠控制系統數據監視器或安全的云服務器。這是最后一個環節，根據監測數據，將決定是否需要維護設備。但是，使用深度學習算法準確解釋和傳達這些數據的能力對于系統可靠性至關重要。事實上，具有深度學習的狀態監測解決方案將減少人為錯誤，并使預測性維護解決方案更智能、更有效。

如何實施預測性維護？德州儀器 (TI) 在其一家工廠中實施了預測性維護，為多個真空泵配備了傳感器節點，這是 TI 開發的參考設計，可測量和收集來自泵的數據，例如溫度、電機電流、氮氣流量和水流，通過網關將數據傳輸到互聯網，如圖2所示。

TI 可以通過 Internet 輕松訪問數據以進行持續監控和分析，從而使泵的操作員能夠深入了解運行狀況。例如，獨立于通常的維護計劃，操作員可以識別可能導致系統關閉的有缺陷的設備，并在發生任何損壞之前更換它。

圖 2：用于預測性維護的無線網狀網絡示例。

通過這個實際示例，TI 能夠將自己的工廠升級為智能工廠，通過監控在役設備的狀況來實現預測性維護。

事實上，預測性維護是推動第四次工業革命的主要因素之一，它可以提高工廠的效率和生產力，減少計劃外停機時間，提高可靠性并節省維護成本。

審核編輯 黃昊宇