改進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測和診斷以及整個系統(tǒng) 優(yōu)化，是當(dāng)今機(jī)械使用中的一些核心挑戰(zhàn) 設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)。這個話題正在變得越來越大 不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在使用機(jī)器的任何地方。 過去根據(jù)計(jì)劃維修的機(jī)器和后期維護(hù) 將意味著生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。今天，處理來自 機(jī)器用于預(yù)測剩余使用壽命。特別是 記錄溫度、噪聲和振動等關(guān)鍵參數(shù) 幫助確定最佳運(yùn)行狀態(tài)甚至必要的維護(hù) 次。這樣可以避免不必要的磨損 及早發(fā)現(xiàn)故障及其原因。在此的幫助下 監(jiān)控，在設(shè)施可用性方面具有相當(dāng)大的優(yōu)化潛力 有效性出現(xiàn)，帶來決定性的優(yōu)勢。為 例如，有了它，ABB1可驗(yàn)證地將停機(jī)時間減少多達(dá) 70%， 將電機(jī)使用壽命延長達(dá) 30%，并降低能耗 一年內(nèi)其設(shè)施的10%。

這種預(yù)測性維護(hù)（PM）的主要元素，眾所周知 技術(shù)術(shù)語，是基于狀態(tài)的監(jiān)測（CBM），通常是旋轉(zhuǎn)的 渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī)等機(jī)器。有了煤層氣， 實(shí)時記錄有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的信息。然而 不對可能的故障或磨損做出預(yù)測。他們只 通過PM實(shí)現(xiàn)，從而標(biāo)志著一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)：在 更智能的傳感器和更強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò) 計(jì)算平臺，可以創(chuàng)建模型，檢測變化， 并對使用壽命進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

為了創(chuàng)建有意義的模型，有必要分析振動， 溫度、電流和磁場。現(xiàn)代有線和無線 通信方法已經(jīng)允許在工廠或公司范圍內(nèi)使用 今天對設(shè)施的監(jiān)控。產(chǎn)生額外的分析可能性 通過基于云的系統(tǒng)使數(shù)據(jù)提供信息 關(guān)于機(jī)器的狀況，操作員可以訪問 和維修技術(shù)人員以簡單的方式。然而，本地智能傳感器 機(jī)器上的通信基礎(chǔ)設(shè)施是必不可少的 所有這些附加分析可能性的基礎(chǔ)。這些傳感器如何 應(yīng)該看，對他們提出了哪些要求，關(guān)鍵是什么 特征是 - 這些問題和其他問題將在 本文。

機(jī)器生命周期的表示

狀態(tài)監(jiān)測中最基本的問題可能是：如何 我可以在需要維護(hù)之前讓機(jī)器運(yùn)行很長時間嗎？

一般來說，從邏輯上講，越早進(jìn)行維護(hù)， 越好。但是，為了優(yōu)化操作和維護(hù) 成本或充分實(shí)現(xiàn)最大設(shè)施效率的知識 需要熟悉機(jī)器特性的專家。 在電機(jī)分析方面，這些專家主要來自該領(lǐng)域 軸承/潤滑，經(jīng)驗(yàn)證明是最弱的 鏈接。專家最終決定是否偏離正常狀態(tài) 關(guān)于實(shí)際生命周期（見圖1）應(yīng)該已經(jīng)領(lǐng)先 修理甚至更換。

圖1.機(jī)器的生命周期。

因此，尚未使用的機(jī)器最初處于所謂的保修階段。 可能無法排除生命周期早期階段的故障， 但它相對罕見，通常可以追溯到生產(chǎn)故障。 只有在間隔維護(hù)的后續(xù)階段才有針對性地 由經(jīng)過適當(dāng)培訓(xùn)的服務(wù)人員開始干預(yù)。他們 包括獨(dú)立于機(jī)器的 在指定時間或指定使用時間之后的條件，就像 例如，換油的情況。在這里，區(qū)間之間的失敗概率也仍然很低。隨著機(jī)器使用年限的增加， 達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測階段。從這一點(diǎn)開始，故障應(yīng)該是 預(yù)期。圖 1 顯示了以下六個更改，從更改開始 水平在超聲波范圍 （1） 中，然后是振動 （2）。通過 分析潤滑劑（3）或通過溫度的輕微升高（4）， 可以在實(shí)際故障之前檢測到待處理故障的最初跡象 以可感知的噪音（5）或發(fā)熱（6）的形式發(fā)生。振動 通常用于識別衰老。三種相同的振動模式 機(jī)器在其生命周期內(nèi)如圖 2 所示。在初期， 都在正常范圍內(nèi)。然而，從中年開始， 振動根據(jù)之前的負(fù)載或多或少地迅速增加 在使用壽命結(jié)束時呈指數(shù)級增長至臨界范圍。只要 機(jī)器達(dá)到臨界范圍，需要立即反應(yīng)。

圖2.振動參數(shù)隨時間的變化。

通過振動分析建立層氣

輸出速度、傳動比、數(shù)量等參數(shù) 軸承元件對于機(jī)器分析至關(guān)重要 振動模式。通常，變速箱引起的振動是 在頻域中被視為軸速度的倍數(shù)， 而軸承的特性頻率通常不代表 諧波分量。湍流和氣蝕引起的振動是 也經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)。它們通常與空氣和/或液體連接 風(fēng)扇和泵中的流量，因此往往被認(rèn)為是隨機(jī)的 振動。它們通常是靜止的，其統(tǒng)計(jì)特性沒有變化。然而，隨機(jī)振動也可以是循環(huán)靜止的 因此具有統(tǒng)計(jì)特性。它們由 機(jī)器并定期變化，如在內(nèi)燃機(jī)中 每個氣缸中每個循環(huán)發(fā)生一次點(diǎn)火。

傳感器方向也起著關(guān)鍵作用。如果主要是線性振動 由單軸傳感器測量，傳感器必須根據(jù) 到振動的方向。還有多軸傳感器 可以記錄所有方向的振動，但單軸傳感器提供更低的振動 噪聲、更高的力測量范圍和更大的帶寬，因?yàn)樗鼈?物理特性。

對振動傳感器的要求

為了能夠廣泛使用振動傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測， 有兩個因素非常重要：低成本和小尺寸。哪里 以前經(jīng)常使用基于MEMS的壓電傳感器 如今，加速度計(jì)的使用越來越多。它們具有更高的功能 分辨率，出色的漂移和靈敏度特性，以及更好的 信噪比，能夠檢測極低 頻率振動幾乎低至直流范圍。他們也非常 省電，這就是為什么它們也是電池供電的理想選擇 無線監(jiān)控系統(tǒng)。與壓電傳感器相比的另一個優(yōu)點(diǎn)是 將整個系統(tǒng)集成到單個外殼中的可能性（系統(tǒng) 在包裝中）。這些所謂的SiP解決方案正在發(fā)展形成 通過整合其他重要功能的智能系統(tǒng)： 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、帶嵌入式固件的微控制器 用于特定于應(yīng)用程序的預(yù)處理、通信協(xié)議和 通用接口，同時還包括多種保護(hù)功能。

集成保護(hù)功能很重要，因?yàn)檫^高 作用在傳感器元件上的力通常會導(dǎo)致傳感器損壞或 甚至破壞。對可能的超量程的集成檢測可提供 通過關(guān)閉來警告或停用陀螺儀中的傳感器元件 其內(nèi)部時鐘，從而保護(hù)傳感器元件。SiP 解決方案是 如圖 3 所示。

圖3.基于MEMS的系統(tǒng)封裝（左側(cè)）。

隨著煤層氣領(lǐng)域需求的增加，對傳感器的需求也在增加。 對于有用的煤層氣，有關(guān)傳感器測量范圍的要求 （滿量程范圍，或簡稱FSR）已經(jīng)部分大于±50 g。

因?yàn)榧铀俣扰c頻率的平方成正比， 這些高加速力可以相對較快地達(dá)到。這已被證明 通過公式 1：

變量 a 代表加速度，f 代表頻率，d 代表振幅 的振動。因此，例如，對于 1 kHz 的振動，振幅為 1 μm 已經(jīng)產(chǎn)生 39.5 g 的加速度。

關(guān)于噪聲性能，這應(yīng)該非常低，就像 頻率范圍盡可能，從近直流到中間兩位數(shù)kHz 范圍，因此除了其他偽影之外，軸承噪聲也可能已經(jīng) 以非常低的速度檢測到。然而，正是在這里，制造商 的振動傳感器目前面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其是 用于多軸傳感器。只有少數(shù)制造商提供足夠的低 帶寬大于 2 kHz 的噪聲傳感器，用于多個噪聲傳感器 軸。ADI公司（ADI）開發(fā)了專為CBM應(yīng)用開發(fā)的ADXL356/ADXL357三軸傳感器系列。它提供了非常 良好的噪聲性能和出色的溫度穩(wěn)定性。盡管 它們的有限帶寬為 1.5 kHz（諧振頻率 = 5.5 kHz），這些 加速度計(jì)仍然在狀態(tài)監(jiān)測中提供重要的讀數(shù) 低速設(shè)備，如風(fēng)力渦輪機(jī)。

ADXL100x系列中的單軸傳感器適用于 帶寬。它們提供高達(dá) 24 kHz 的帶寬（諧振頻率 = 45 kHz），g范圍高達(dá)±100 g，噪聲水平極低。 由于帶寬高，大多數(shù)故障發(fā)生在旋轉(zhuǎn)中 機(jī)器（損壞的滑動軸承、不平衡、摩擦、松動、齒輪 齒缺陷、軸承磨損和氣蝕）可以用這個來檢測 傳感器系列。

可能的分析方法 基于狀態(tài)的監(jiān)控

CBM中的機(jī)器狀態(tài)分析可以使用各種 方法。可能最常見的方法是及時分析 域、頻域分析以及兩者的混合。

1. 基于時間的分析

在時域振動分析中，有效值（均值根） 平方，或簡稱RMS），峰峰值和幅度 考慮振動（見圖4）。

圖4.諧波振動信號的幅度、有效值和峰峰值。

峰峰值反映了電機(jī)的最大撓度 軸，從而可以得出有關(guān)其最大載荷的結(jié)論。 相反，振幅值描述了發(fā)生的振動的大小并識別異常的沖擊事件。但是，持續(xù)時間或 振動事件期間的能量以及因此的破壞能力 不被考慮。因此，有效值通常是最有意義的 因?yàn)樗瑫r考慮了振動時程和振動 振幅值。均方根統(tǒng)計(jì)閾值的相關(guān)性 振動可以通過所有這些參數(shù)的依賴關(guān)系獲得 關(guān)于電機(jī)速度。

這種類型的分析被證明非常簡單，因?yàn)樗恍枰?基本的系統(tǒng)知識或任何類型的光譜分析。

2. 基于頻率的分析

通過基于頻率的分析，時間變化的振動信號 通過快速傅里葉變換分解為其頻率分量 （FFT）。得到的幅度與頻率的頻譜圖使 監(jiān)測特定頻率分量及其諧波 和邊帶，如圖5所示。

圖5.振動與頻率的頻譜圖。

FFT是振動分析中廣泛使用的方法，特別是 檢測軸承損壞。有了它，相應(yīng)的組件可以 分配給每個頻率分量。通過FFT，占主導(dǎo)地位的 接觸引起的某些故障的重復(fù)脈沖頻率 滾動體和缺陷區(qū)域之間可以過濾掉。由于 對它們不同頻率分量、不同類型的軸承損壞 可以區(qū)分（外圈、內(nèi)圈或球的傷害） 軸承）。但是，有關(guān)軸承、電機(jī)和 為此需要完整的系統(tǒng)。

此外，F(xiàn)FT過程要求離散時間塊 振動在微控制器中重復(fù)記錄和處理。 盡管這需要比基于時間的計(jì)算能力略多 分析確實(shí)如此，它會導(dǎo)致對損害進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

3. 基于時間和頻率的分析相結(jié)合

這種類型的分析是最全面的，因?yàn)樗Y(jié)合了 兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。時域統(tǒng)計(jì)分析 提供有關(guān)系統(tǒng)隨時間變化的振動強(qiáng)度的信息 同時是否在允許范圍內(nèi)。 基于頻率的分析能夠以以下形式監(jiān)控速度 基頻以及進(jìn)一步的諧波分量 需要精確識別故障癥狀。

基頻的跟蹤尤其具有決定性，因?yàn)?有效值和其他統(tǒng)計(jì)參數(shù)隨速度變化。 如果統(tǒng)計(jì)參數(shù)與上次測量相比發(fā)生顯著變化， 必須檢查基頻，以便可能 可以避免警報(bào)。

測量值隨時間的變化是所有人共有的 三種分析方法。一種監(jiān)控系統(tǒng)的可能方法 可能涉及首先記錄健康狀況，或生成所謂的 指紋。然后將其與不斷記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在 偏差過大或超過相應(yīng)偏差的情況 閾值，反應(yīng)是必要的。如圖 6 所示，可能 反應(yīng)可以是警告 （2） 或警報(bào) （4）。根據(jù)嚴(yán)重程度， 偏差也可能需要服務(wù)人員立即干預(yù)。

圖6.FFT 的閾值和反應(yīng)。

基于磁場分析的煤層氣

由于集成磁力計(jì)的快速發(fā)展，測量 電機(jī)周圍的雜散磁場代表了另一個有前途的磁場 旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測方法。測量是 非接觸式;也就是說，機(jī)器和 傳感器是必需的。與振動傳感器一樣，與磁場一樣 傳感器，有單軸和多軸版本。

對于故障檢測，雜散磁場應(yīng)同時測量 軸向（平行于電機(jī)軸）和徑向 （與電機(jī)軸成直角）。徑向場通常被削弱 定子鐵芯和電機(jī)外殼。同時，它顯著 受氣隙中磁通量的影響。產(chǎn)生軸向磁場 通過鼠籠式轉(zhuǎn)子和末端繞組中的電流 的定子。磁力計(jì)的位置和方向?yàn)?在實(shí)現(xiàn)這兩個領(lǐng)域的測量方面具有決定性意義。因此，選擇 建議放置在靠近軸或電機(jī)外殼的位置。 在 同時因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度直接關(guān)系到 溫度。因此，在大多數(shù)情況下，今天的磁場傳感器 包含集成的溫度傳感器。傳感器的校準(zhǔn) 也不應(yīng)忘記對其溫度漂移的補(bǔ)償。

FFT用于基于磁場的電狀態(tài)監(jiān)測 電機(jī)就像振動測量案例一樣。但是，對于 評估電機(jī)狀況，即使是低頻在 幾赫茲到大約 120 赫茲就足夠了。線路頻率突出 顯然，而低頻分量的頻譜占主導(dǎo)地位 如果存在故障。

在鼠籠式轉(zhuǎn)子中轉(zhuǎn)子桿斷裂的情況下，滑移值 也起著決定性的作用。它與負(fù)載相關(guān)，理想情況下為 0% 負(fù)荷。在額定負(fù)載下，對于健康的機(jī)器，該負(fù)載在 1% 到 5% 之間，并在發(fā)生故障時相應(yīng)增加。對于煤層氣，測量 因此，應(yīng)在相同的負(fù)載條件下執(zhí)行 消除負(fù)載依賴性的影響

預(yù)測性維護(hù)的狀態(tài)

無論狀態(tài)監(jiān)測的類型如何，即使是最智能的 監(jiān)控概念，沒有100%保證會有 沒有計(jì)劃外停機(jī)、故障或安全風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)只能 減少。然而，PM越來越多地成為一個關(guān)鍵話題。 在工業(yè)上。它被視為未來可持續(xù)發(fā)展的明確先決條件 生產(chǎn)設(shè)施的成功。然而，為此，創(chuàng)新和 快速發(fā)展——其技術(shù)仍然必須在 部件 - 為必填項(xiàng)。缺陷主要存在于客戶比較中 收益和成本。

盡管如此，許多工業(yè)公司已經(jīng)認(rèn)識到PM的重要性 作為成功因素，因此也是未來業(yè)務(wù)的機(jī)會 不僅僅是在服務(wù)區(qū)。PM的技術(shù)可行性很大程度上 鑒于，盡管存在極端挑戰(zhàn)，特別是在數(shù)據(jù)領(lǐng)域 分析學(xué)。然而，PM目前正被相當(dāng)機(jī)會主義地驅(qū)動。 預(yù)計(jì)未來商業(yè)模式將主要由 軟件組件和硬件的增值份額將相繼 減少。總之，對硬件和軟件的投資 因?yàn)镻M今天已經(jīng)是值得的，因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的更高產(chǎn)量 機(jī)器運(yùn)行時間更長。

審核編輯：郭婷