作者/Stephan Menze 儒卓力 模擬與傳感器產(chǎn)品銷售經(jīng)理

摘要：未雨綢繆勝于臨渴掘井。無論是由于節(jié)省成本、缺乏技術(shù)工人還是缺乏動(dòng)力，如果推遲維護(hù)操作，你可能會(huì)遇到突然的機(jī)器和皮帶故障或生產(chǎn)錯(cuò)誤。借助于預(yù)測(cè)性維護(hù)，這種情況將不再發(fā)生。不過，必須遵守幾點(diǎn)方能取得成功。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)性維護(hù)；群體智能；傳感器；NB-IoT

每個(gè)預(yù)測(cè)性維護(hù)項(xiàng)目都從正常機(jī)器運(yùn)行期間的機(jī)器特性檢測(cè)開始(如圖1)，例如檢測(cè)結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲的聲學(xué)或固有頻率，然后將其數(shù)字化并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或云端。在本地?cái)?shù)據(jù)處理領(lǐng)域中通常采用邊緣計(jì)算，這是可以應(yīng)用本地AI解決方案(如Intel Movidius )的地方。在云計(jì)算方面，第三方服務(wù)提供商可以提供無限的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。邊緣解決方案能夠在毫秒范圍內(nèi)做出響應(yīng)。

盡管如此，互聯(lián)網(wǎng)連接對(duì)于固件更新和遠(yuǎn)程監(jiān)控仍是必不可少的。

原則上，群體智能(swarm intelligence)并不用于學(xué)習(xí)和改進(jìn)過程，并且僅限于本地計(jì)算能力和用戶自己的經(jīng)驗(yàn)歷史。另一方面，云計(jì)算能夠進(jìn)行在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)作的所有系統(tǒng)的比較，并且可以從個(gè)別系統(tǒng)到其它系統(tǒng)的變化中得出結(jié)論。除了這種群體智能，云計(jì)算在計(jì)算能力或內(nèi)存容量方面沒有限制，你可以靈活地更改所使用的對(duì)數(shù)，例如，從靜態(tài)數(shù)據(jù)分析到機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)。

雖然兩種實(shí)施方案看起來不同，但在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，始終需要互聯(lián)網(wǎng)連接和傳感器數(shù)據(jù)的本地初始分析。然而，重要組件的擴(kuò)展和持續(xù)的維護(hù)成本，都會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，這使得精確的成本效益分析變得更加復(fù)雜。

1 傳感器的定位是決定性因素

無論是在本地還是在云中進(jìn)行分析，都必須弄清楚可能發(fā)生損壞的位置以及最佳的檢測(cè)位置。但是，傳感器也可以安裝在這個(gè)地方嗎？ 這個(gè)地方是否可以觸達(dá)且是否有足夠的空間？ 環(huán)境噪音是否過大？ 是持續(xù)不斷還是以不規(guī)則的間隔發(fā)生的？

一旦明確了理想的安裝位置，傳感器類型通常已經(jīng)確定了：如果所有因素都支持連接到設(shè)備或機(jī)器，這就是檢測(cè)結(jié)構(gòu)噪聲。因此，沖擊和振動(dòng)傳感器或加速度傳感器就是要選擇的工具。當(dāng)放置在設(shè)備或機(jī)器外部時(shí)，可檢測(cè)到空氣傳播的噪音。具有特定頻率范圍的MEMS麥克風(fēng)傳感器可用于這個(gè)用途，例如來自STMicroelectronics和英飛凌的傳感器產(chǎn)品。由于它們通常帶有吸收聲波和降低聲壓的開口，因此在潮濕或多塵的環(huán)境中，如果沒有采取特殊措施，它們是不合適使用的。在這種情況下，可以使用沖擊和振動(dòng)傳感器或加速度傳感器。

要回答預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)涵蓋哪個(gè)頻率范圍這個(gè)問題，可以應(yīng)用以下經(jīng)驗(yàn)法則：檢測(cè)到的頻率越高，損壞就可以越早地被記錄。在16 kHz以上超聲波范圍內(nèi)，可以在實(shí)際發(fā)生損壞之前幾個(gè)月檢測(cè)到初始標(biāo)志。當(dāng)在最高16 kHz可聽范圍內(nèi)檢測(cè)時(shí)，在損壞發(fā)生之前可能就僅剩下幾周時(shí)間了。這時(shí)間對(duì)于某些機(jī)器或設(shè)備來說可能是足夠的，但對(duì)其它機(jī)器或設(shè)備來說太晚了，我們必須根據(jù)具體情況進(jìn)行檢查：潛在的損壞有多嚴(yán)重？在獲得備件和維修技術(shù)人員到達(dá)之前需要多長(zhǎng)時(shí)間？是否可以隨時(shí)停止機(jī)器進(jìn)行維修或維護(hù)工作？例如，強(qiáng)烈建議在超聲波范圍內(nèi)進(jìn)行氣體管道泄漏測(cè)試。如果泄漏產(chǎn)生可聽噪聲，對(duì)于預(yù)測(cè)性維護(hù)來說就已經(jīng)太晚了。

如果在可聽范圍內(nèi)的檢測(cè)是足夠的，則由機(jī)器或機(jī)器部件的類型來確定傳感器應(yīng)覆蓋的頻率范圍。相關(guān)部件旋轉(zhuǎn)得越快，檢測(cè)到的頻率就越高。例如，空氣引導(dǎo)系統(tǒng)的損壞通常是由不平衡、不正確的調(diào)整或松動(dòng)的連接引起的。這發(fā)生在約2 kHz范圍內(nèi)。對(duì)于速度非常緩慢的移動(dòng)部件，使用加速度傳感器而不是麥克風(fēng)傳感器可以提供更好的檢測(cè)結(jié)果。

通過組合麥克風(fēng)、加速度、沖擊和振動(dòng)傳感器可以提高誤差檢測(cè)過程的命中數(shù)。使用其它傳感器類型時(shí)，甚至可以獲得更多信息，例如檢測(cè)溫度、濕度或壓力。當(dāng)傳感器彼此聯(lián)網(wǎng)時(shí)，這種組合提供了最大的好處。然而，這不僅增加了傳感器和連接的成本，而且還導(dǎo)致數(shù)據(jù)量和評(píng)估工作量的增加。因此，如果存在相應(yīng)的潛在損壞，例如由于皮帶故障或生產(chǎn)錯(cuò)誤引起的損壞，甚至可能在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)未被注意到，則使用幾個(gè)傳感器的組合是有價(jià)值的。這對(duì)于偏遠(yuǎn)地點(diǎn)的系統(tǒng)也是有用的，例如，海上風(fēng)電場(chǎng)，因?yàn)樵谶@里不必要的工程師呼叫會(huì)導(dǎo)致高昂的成本。特別推薦對(duì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測(cè)，例如汽車制動(dòng)系統(tǒng)。

2 用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦蜔o線技術(shù)

根據(jù)應(yīng)用類型，各個(gè)傳感器必須首先將其測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)采集器。具有集成無線電接口和集成AD轉(zhuǎn)換器的微控制器，即所謂的無線SoC器件，非常適合這個(gè)用途。通常無線電堆棧已經(jīng)免費(fèi)提供并且為微控制器量身定制，因此只需要使用應(yīng)用程序，將模擬數(shù)值進(jìn)行數(shù)字化并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集器，這仍然需要使用幾條程序線來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)收集器現(xiàn)在可以在本地評(píng)估數(shù)據(jù)，并且僅將其網(wǎng)關(guān)功能用于軟件更新或臨時(shí)報(bào)告。在這種情況下，LTE是足夠快的互聯(lián)網(wǎng)連接方式，并在未來數(shù)年內(nèi)都具備安全的基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于云中的時(shí)間關(guān)鍵性數(shù)據(jù)分析，需要在幾毫秒內(nèi)完成反饋，5G技術(shù)將會(huì)綽綽有余。傳感器與數(shù)據(jù)采集器的連接并不總能通過電纜來實(shí)現(xiàn)。

無線電技術(shù)通常更便宜、更靈活和更耐用。使用Nordic Semiconductor的nRF52840器件（如圖2），你可以輕松選擇藍(lán)牙m(xù)esh、ZigBee或用于星形拓?fù)涞拿赓M(fèi)開源堆棧Gazell。NFC使傳感器能夠簡(jiǎn)便地連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集器。這是第一次，可以通過集成的USB端口使用筆記本電腦來校準(zhǔn)傳感器。從一開始就決定只使用藍(lán)牙5或藍(lán)牙m(xù)esh的用戶也可以切換到更便宜的產(chǎn)品型款，例如nRF52810。最新藍(lán)牙5型款器件可在遠(yuǎn)程模式下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)一公里的傳輸范圍。這使得該技術(shù)即使在先前1 GHz以下技術(shù)不可或缺的情況下也很有用。

新的LTE類別適用于不使用數(shù)據(jù)采集器的傳感器，或者由于通過邊緣計(jì)算進(jìn)行了強(qiáng)大數(shù)據(jù)壓縮而僅需要將少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集器。它們無需單獨(dú)的網(wǎng)關(guān)就可以建立從傳感器到云的直接互聯(lián)網(wǎng)連接，并將測(cè)量數(shù)值傳輸?shù)皆啤?/p>

3 全新LTE類別

最新的LTE類別NB1和M1(也稱為NB-IoT和LTE M1或LTE-M)非常適合預(yù)測(cè)性維護(hù)等需要在單獨(dú)情況下傳輸少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

Nordic Semiconductor的nRF91系列同時(shí)支持LTE-M和NB-IoT。高度集成的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)配備了ARM-Cortex M33微控制器，可對(duì)應(yīng)用、傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行定制編程。其計(jì)算能力使得應(yīng)用能夠以更復(fù)雜的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這意味著：無線模塊根據(jù)傳感器提供的測(cè)量數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)生成信息，因此只需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)。這可以優(yōu)化整體能量平衡并將在線數(shù)據(jù)消耗保持在較低水平。除傳感器外，還可以通過32個(gè)GPIO連接LED，例如，如果傳感器檢測(cè)到的數(shù)值過高，則LED用作現(xiàn)場(chǎng)警報(bào)，也可以連接按鈕或開關(guān)繼電器。

例如，如果需要，傳感器點(diǎn)可以關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，或者用戶可以確認(rèn)機(jī)器狀態(tài)。

nRF91 SiP（如圖3）仍可提供集成輔助GPS。通過使用NB-IoT或LTE-M，這能夠在冷啟動(dòng)期間快速定位位置以監(jiān)控車輛或其它移動(dòng)設(shè)備。

4 防止數(shù)據(jù)盜竊

由于傳感器的測(cè)量值可以提供有關(guān)機(jī)器、系統(tǒng)和設(shè)備使用狀況的大量信息，因此應(yīng)該保護(hù)它們免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。在這種情況下，nRF91還包含一個(gè)解決方案：帶有TrustZone的主機(jī)處理器在CPU和系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可信執(zhí)行環(huán)境，從而有助于提高應(yīng)用程序數(shù)據(jù)、固件和連接的外圍設(shè)備的安全性。ARM CryptoCell可確保安全的內(nèi)存訪問，而TLS和SSL可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉思用堋RF91也非常適合與nRF52進(jìn)行交互，正如nRF91開發(fā)套件所實(shí)現(xiàn)的方案。因此，這款多核雙芯片解決方案可同時(shí)用于傳感器連接的短程無線電網(wǎng)絡(luò)和用于互聯(lián)網(wǎng)連接的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。如果你選擇nRF52系列的nRF52840，它還具有ARM TrustZone和CryptoCell技術(shù)。

5 成功因素 ——數(shù)據(jù)分析

從傳感器傳輸數(shù)據(jù)后，最棘手的任務(wù)是數(shù)據(jù)分析。當(dāng)滾子軸承的頻率發(fā)生變化時(shí)，這意味著什么？這是否有發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，是否只是生產(chǎn)過程改變了，還是周末機(jī)器停止運(yùn)作了？或者是進(jìn)行改變的干預(yù)因素？哪些偏差仍屬于正常波動(dòng)？最后：損壞發(fā)生的概率有多高，何時(shí)必須干預(yù)？

這導(dǎo)致特定的配置文件，其相應(yīng)的參數(shù)和閾值存儲(chǔ)在軟件中。在第一次實(shí)際測(cè)試后可能需要重新調(diào)整。預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)還需要在生產(chǎn)變更、機(jī)器變更或類似變更的情況下進(jìn)行調(diào)整。如果你將所有這些要點(diǎn)考慮在內(nèi)，就離成功不遠(yuǎn)了：再也不會(huì)因未發(fā)現(xiàn)的老化系統(tǒng)而出現(xiàn)意外的機(jī)器損壞、停機(jī)或皮帶故障。維護(hù)工作的支出可以更好地提前進(jìn)行計(jì)劃，而只有實(shí)際需要的備件才會(huì)自動(dòng)保持庫存。這不僅有利于用戶，也有利于機(jī)器制造商。如果他們將預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)集成到產(chǎn)品中，可以通過更高的機(jī)器可用性為客戶提供真正的附加價(jià)值。此外，他們可以使用經(jīng)過評(píng)估的現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步開發(fā)產(chǎn)品。

6 什么是預(yù)測(cè)性維護(hù)？

與預(yù)防性維護(hù)相比，預(yù)測(cè)性維護(hù)不是基于固定維護(hù)周期，而是利用現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)收集的測(cè)量數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)評(píng)估進(jìn)行的基于需求導(dǎo)向的維護(hù)操作。預(yù)測(cè)性維護(hù)記錄機(jī)器、系統(tǒng)和設(shè)備的振動(dòng)或變化噪音，而這些可能在實(shí)際損壞發(fā)生前的一段很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)就提示出機(jī)器運(yùn)行存在問題。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第22頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處

關(guān)鍵詞： 201606 預(yù)測(cè)性維護(hù) 群體智能 傳感器 NB-IoT