預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案結(jié)合感測(cè)技術(shù)來(lái)收集設(shè)備資料，並採(cǎi)用先進(jìn)的分析和演算法來(lái)得出設(shè)備健康狀態(tài)，透過(guò)這種方法有望大幅提升整體工業(yè)生產(chǎn)率。本文描述如何利用軟體驅(qū)動(dòng)、安全的預(yù)測(cè)性維護(hù)馬達(dá)設(shè)備運(yùn)作來(lái)提升生產(chǎn)效能。
為何需要預(yù)測(cè)性維護(hù)？
在現(xiàn)今的工廠中，由於系統(tǒng)故障，僅在美國(guó)就發(fā)生了1400萬(wàn)小時(shí)的意外停機(jī)，造成數(shù)十億美元的損失。為了防止此類事件發(fā)生，工廠通常採(cǎi)用昂貴的路徑方法，讓專家收集資料以評(píng)估設(shè)備的健康狀況，或使用一系列次優(yōu)檢測(cè)解決方案，無(wú)法可靠檢測(cè)系統(tǒng)中可能發(fā)生的所有潛在故障。
現(xiàn)在，工業(yè)4.0（也稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或IIoT）浪潮正如火如荼，工業(yè)客戶更專注於部署解決方案以增加設(shè)備正常執(zhí)行時(shí)間，降低營(yíng)運(yùn)成本，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提升工人生產(chǎn)率。預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案結(jié)合感測(cè)技術(shù)來(lái)收集設(shè)備資料，並採(cǎi)用先進(jìn)的分析和演算法來(lái)得出關(guān)於設(shè)備健康狀況的可行洞察。其結(jié)果是，這種方法有望將整體工業(yè)生產(chǎn)率提升30%以上。
一個(gè)常見(jiàn)需求是結(jié)合了硬體和軟體且易於安裝和使用的完整交鑰匙無(wú)線解決方案。很多產(chǎn)業(yè)需要一種不要求專家手動(dòng)收集資料和/或安裝並維護(hù)私人網(wǎng)絡(luò)的解決方案。
智慧馬達(dá)感測(cè)器工作原理
智慧馬達(dá)感測(cè)器（SMS）是一種彈性、開(kāi)箱即用的端對(duì)端安全無(wú)線預(yù)測(cè)性維護(hù)（PdM）解決方案（圖1），其結(jié)合ADI軟體、硬體和馬達(dá)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，為馬達(dá)的預(yù)測(cè)性維護(hù)建立一種安全的可擴(kuò)展產(chǎn)品。
| 圖1 : 馬達(dá)的端對(duì)端預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案 |
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智慧馬達(dá)感測(cè)器（SMS）與Android和iOS行動(dòng)應(yīng)用一起使用，可輕鬆設(shè)定感測(cè)器，提供對(duì)部署資料的可見(jiàn)性，在應(yīng)用時(shí)會(huì)針對(duì)關(guān)鍵事件發(fā)出通知和警報(bào)。雲(yún)端託管儀表板提供機(jī)器健康狀況診斷和故障檢測(cè)的完整概覽，其中包含每個(gè)馬達(dá)狀態(tài)的詳細(xì)資訊和視覺(jué)化，以及人工智慧（AI）分析，用以檢測(cè)馬達(dá)中常見(jiàn)的故障。
| 圖2 : ADI OtoSense智慧馬達(dá)感測(cè)器概覽 |
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電池供電的SMS元件結(jié)合ADI的MEMS感測(cè)器、精密轉(zhuǎn)換器和訊號(hào)鏈。SMS元件中嵌入的韌體擷取馬達(dá)的各種參數(shù)（如振動(dòng)、溫度、速度和磁通量），並透過(guò)Wi-Fi連接將這些資料安全地發(fā)送到後端雲(yún)端進(jìn)行處理。雲(yún)端上運(yùn)行並整合到Web應(yīng)用中的人工智慧（AI）引擎分析資料，並且監(jiān)控馬達(dá)的運(yùn)行狀況。
該系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)馬達(dá)中常見(jiàn)的9種電氣和機(jī)械故障，若檢測(cè)到故障，就會(huì)推送通知或電子郵件，告知使用者要採(cǎi)取的適當(dāng)措施。智慧馬達(dá)感測(cè)器產(chǎn)品套件既可作為端到端解決方案提供給客戶，也可透過(guò)REST API供客戶使用。
感測(cè)器到雲(yún)端軟體建構(gòu)模組
圖3展示ADI的感測(cè)器到雲(yún)端軟體架構(gòu)，該架構(gòu)用於建構(gòu)SMS解決方案的必要軟體。感測(cè)器到雲(yún)端安全軟體架構(gòu)有助於滿足對(duì)完整解決方案的需求，消除與組建完整系統(tǒng)，藉以從實(shí)際資料中擷取可行洞察相關(guān)的挫敗感和複雜性。
| 圖3 : 感測(cè)器到雲(yún)端安全軟體架構(gòu) |
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該架構(gòu)還實(shí)現(xiàn)了更高的複用性，有助於縮短上市時(shí)間，允許軟體團(tuán)隊(duì)專注於為設(shè)定產(chǎn)品交付領(lǐng)域特定的解決方案。
除了功能和可擴(kuò)展性外，規(guī)範(fàn)的最佳實(shí)踐和流程也是架構(gòu)的重要組成部分，以確保提供強(qiáng)大且安全的解決方案。該軟體架構(gòu)是建議最佳實(shí)踐和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的流程的體現(xiàn)，它從以用戶為中心的角度接納每個(gè)新客戶，並將DevOps原則自動(dòng)化以實(shí)現(xiàn)高效率和合規(guī)性。
SMS雲(yún)和Web
OtoSense SMS雲(yún)端後端建立在安全軟體架構(gòu)之上，並對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。圖4顯示雲(yún)端基礎(chǔ)設(shè)施的元件。該應(yīng)用是多租戶的，支援多個(gè)客戶入駐並能確保資料隔離，如圖5所示。
獨(dú)特的客製化標(biāo)籤合作夥伴版本還允許客戶（如汽車維修廠、汽車經(jīng)銷商和其他客戶）輕鬆增加其徽標(biāo)和品牌，並將SMS直接銷售給其客戶。合作夥伴只需按個(gè)幾下即可無(wú)縫建立新租戶，所有必要的架構(gòu)都會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)向客戶發(fā)送電子郵件邀請(qǐng)其入駐。
| 圖4 : 來(lái)自安全軟體架構(gòu)的SMS雲(yún)端元件 |
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SMS行動(dòng)應(yīng)用
ADI OtoSense SMS行動(dòng)應(yīng)用在架構(gòu)時(shí)優(yōu)先考慮了代碼複用。核心應(yīng)用由幾個(gè)模組組成，包括SMS通訊模組、API通訊模組和核心應(yīng)用模組（視圖和導(dǎo)航），如圖6所示。
| 圖6 : 行動(dòng)應(yīng)用架構(gòu) |
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這些模組代表可以在所有客製化標(biāo)籤合作夥伴應(yīng)用中複用的全部?jī)?nèi)容。對(duì)於每個(gè)新的客製化標(biāo)籤應(yīng)用，都會(huì)建立一個(gè)新的配置集，其中包含合作夥伴的品牌UI元件和API配置。這種軟體架構(gòu)使得行動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠快速輕鬆地建立新的合作夥伴應(yīng)用，並為所有合作夥伴應(yīng)用發(fā)佈新功能和更新。
SMS AI引擎
ADI OtoSense AI平臺(tái)可以解決任何感測(cè)解譯挑戰(zhàn)，該平臺(tái)已使用於實(shí)現(xiàn)智慧馬達(dá)感測(cè)器解決方案的機(jī)器學(xué)習(xí)組件。
ADI在馬達(dá)方面的技術(shù)知識(shí)已使用於建立馬達(dá)最佳化的數(shù)位藍(lán)圖，其中涵蓋全部負(fù)載、轉(zhuǎn)速和溫度範(fàn)圍。然而每臺(tái)馬達(dá)一旦售出就會(huì)偏離初始模型，環(huán)境、使用和維護(hù)操作使其獨(dú)一無(wú)二。
在馬達(dá)上安裝之後，ADI OtoSense SMS最初會(huì)獲取資料以瞭解此馬達(dá)與藍(lán)圖有何不同，並為SMS邊緣元件所連接的馬達(dá)建立一個(gè)獨(dú)特的數(shù)位分身。然後，OtoSense SMS將來(lái)自該馬達(dá)的資料與在完全相同的工作條件下運(yùn)行的數(shù)位分身進(jìn)行比較。如果實(shí)際馬達(dá)與其數(shù)位分身之間的行為存在明顯差異，OtoSense SMS則會(huì)分析這種差異，以確定造成不一致的最可能根本原因，並告知使用者故障的存在、原因和因應(yīng)措施。
該系統(tǒng)能夠檢測(cè)以下9個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：
? 馬達(dá)電源系統(tǒng)故障，這可能導(dǎo)致馬達(dá)電流不對(duì)稱。
? 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)零件的重心位移導(dǎo)致的機(jī)器轉(zhuǎn)子不平衡。
? 馬達(dá)和馬達(dá)負(fù)載之間未對(duì)準(zhǔn)。
? 馬達(dá)定子引起的故障，導(dǎo)致馬達(dá)電流不對(duì)稱。
? 定子和轉(zhuǎn)子之間的同心度未得到保持而引發(fā)的馬達(dá)故障。
? 在馬達(dá)有獨(dú)立通風(fēng)的情況下，馬達(dá)散熱系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，例如通風(fēng)口阻塞或風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。
? 轉(zhuǎn)子故障，例如轉(zhuǎn)子活動(dòng)零件（如轉(zhuǎn)子條或短路環(huán)）不連續(xù)，或銅轉(zhuǎn)子的焊縫發(fā)生問(wèn)題。
? 軸承故障，例如缺少潤(rùn)滑或內(nèi)外圈、保持架、滾動(dòng)元件存在缺陷。
? 將馬達(dá)固定到操作臺(tái)的系統(tǒng)存在問(wèn)題，例如支撐腳不堅(jiān)固或鬆動(dòng)。
SMS韌體
SMS中嵌入的韌體擷取相連馬達(dá)的各種參數(shù)（如振動(dòng)、溫度、速度和磁通量），並透過(guò)Wi-Fi連接將這些資料安全地發(fā)送到後端雲(yún)端進(jìn)行處理。SMS韌體透過(guò)Wi-Fi介面與iOS或Android智慧手機(jī)連接，以支援設(shè)備安裝和配置。在部署期間和之後，該韌體提供診斷資訊以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障排除，並且可以透過(guò)無(wú)線方式安全地更新。
SMS韌體是利用基於可移植服務(wù)架構(gòu)的架構(gòu)建構(gòu)的。此架構(gòu)由模組化、可複用的功能模組組成，這些功能模組包裝成與應(yīng)用無(wú)關(guān)的服務(wù)API，以支援其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用複用。它讓?xiě)?yīng)用開(kāi)發(fā)人員能夠輕鬆地將應(yīng)用特定的訊號(hào)處理功能和演算法以及服務(wù)API整合到產(chǎn)品中。圖7為該架構(gòu)的功能圖。
端對(duì)端安全性
ADI OtoSense SMS採(cǎi)用業(yè)界的安全協(xié)議和控制進(jìn)行端對(duì)端設(shè)計(jì)，確保SMS資料和洞察保持準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)性，得到可靠的處理，無(wú)中斷傳輸，並且始終且只能由授權(quán)的OtoSense SMS用戶存取。
每個(gè)SMS客戶在OtoSense Cloud上都有一個(gè)專用帳戶，所有資料（包括感測(cè)器資料、洞察、帳號(hào)資訊等）都使用客戶ID作為頂級(jí)分區(qū)鍵進(jìn)行分區(qū)。對(duì)客戶資料的存取僅限於客戶帳戶的成員，存取授權(quán)由主要雲(yún)端服務(wù)提供者提供的身份和存取管理服務(wù)強(qiáng)制執(zhí)行。
使用者帳戶建立、管理和用戶名/密碼登錄安全性（包括密碼重置功能），利用來(lái)自主要身份和登錄服務(wù)提供者的可信使用者管理和身份驗(yàn)證服務(wù)，確保使用者從行動(dòng)應(yīng)用和Web儀表板安全可靠地登錄。
SMS元件和Web應(yīng)用之間的對(duì)話，僅透過(guò)相互驗(yàn)證的TLS建立。所有進(jìn)出SMS元件的資料，都透過(guò)MQTT-over-TLS協(xié)定進(jìn)行加密和傳輸，包括感測(cè)器資料、發(fā)送到SMS元件的命令以及傳輸?shù)揭巡渴餝MS元件的無(wú)線更新。
結(jié)論
所有軟體建構(gòu)模組，結(jié)合ADI的先進(jìn)技術(shù)，如MEMS感測(cè)器、精密轉(zhuǎn)換器、訊號(hào)鏈和馬達(dá)專業(yè)知識(shí)，為馬達(dá)的預(yù)測(cè)性維護(hù)提供一個(gè)完整的開(kāi)箱即用解決方案。端對(duì)端安全解決方案目的在於提供值得信賴的洞察力，從而增加設(shè)備正常運(yùn)作時(shí)間，降低營(yíng)運(yùn)成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提升員工生產(chǎn)率。
（本文作者Shankar Malladi1、Jason Griffin2、Sebastien Christian3為ADI1嵌入式軟體與產(chǎn)品品質(zhì)總監(jiān)、2技術(shù)解決方案總監(jiān)、3產(chǎn)品線總監(jiān)）
