預測性維護解決方案結合感測技術來收集設備資料，並採用先進的分析和演算法來得出設備健康狀態(tài)，透過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、安全的預測性維護馬達設備運作來提升生產(chǎn)效能。
為何需要預測性維護？
在現(xiàn)今的工廠中，由於系統(tǒng)故障，僅在美國就發(fā)生了1400萬小時的意外停機，造成數(shù)十億美元的損失。為了防止此類事件發(fā)生，工廠通常採用昂貴的路徑方法，讓專家收集資料以評估設備的健康狀況，或使用一系列次優(yōu)檢測解決方案，無法可靠檢測系統(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備正常執(zhí)行時間，降低營運成本，延長設備壽命，提升工人生產(chǎn)率。預測性維護解決方案結合感測技術來收集設備資料，並採用先進的分析和演算法來得出關於設備健康狀況的可行洞察。其結果是，這種方法有望將整體工業(yè)生產(chǎn)率提升30%以上。
一個常見需求是結合了硬體和軟體且易於安裝和使用的完整交鑰匙無線解決方案。很多產(chǎn)業(yè)需要一種不要求專家手動收集資料和/或安裝並維護私人網(wǎng)絡的解決方案。
智慧馬達感測器工作原理
智慧馬達感測器（SMS）是一種彈性、開箱即用的端對端安全無線預測性維護（PdM）解決方案（圖1），其結合ADI軟體、硬體和馬達領域的專業(yè)知識，為馬達的預測性維護建立一種安全的可擴展產(chǎn)品。
智慧馬達感測器（SMS）與Android和iOS行動應用一起使用，可輕鬆設定感測器，提供對部署資料的可見性，在應用時會針對關鍵事件發(fā)出通知和警報。雲(yún)端託管儀表板提供機器健康狀況診斷和故障檢測的完整概覽，其中包含每個馬達狀態(tài)的詳細資訊和視覺化，以及人工智慧（AI）分析，用以檢測馬達中常見的故障。
| 圖2 : ADI OtoSense智慧馬達感測器概覽 |
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電池供電的SMS元件結合ADI的MEMS感測器、精密轉(zhuǎn)換器和訊號鏈。SMS元件中嵌入的韌體擷取馬達的各種參數(shù)（如振動、溫度、速度和磁通量），並透過Wi-Fi連接將這些資料安全地發(fā)送到後端雲(yún)端進行處理。雲(yún)端上運行並整合到Web應用中的人工智慧（AI）引擎分析資料，並且監(jiān)控馬達的運行狀況。
該系統(tǒng)可以預測馬達中常見的9種電氣和機械故障，若檢測到故障，就會推送通知或電子郵件，告知使用者要採取的適當措施。智慧馬達感測器產(chǎn)品套件既可作為端到端解決方案提供給客戶，也可透過REST API供客戶使用。
感測器到雲(yún)端軟體建構模組
圖3展示ADI的感測器到雲(yún)端軟體架構，該架構用於建構SMS解決方案的必要軟體。感測器到雲(yún)端安全軟體架構有助於滿足對完整解決方案的需求，消除與組建完整系統(tǒng)，藉以從實際資料中擷取可行洞察相關的挫敗感和複雜性。
該架構還實現(xiàn)了更高的複用性，有助於縮短上市時間，允許軟體團隊專注於為設定產(chǎn)品交付領域特定的解決方案。
除了功能和可擴展性外，規(guī)範的最佳實踐和流程也是架構的重要組成部分，以確保提供強大且安全的解決方案。該軟體架構是建議最佳實踐和經(jīng)過驗證的流程的體現(xiàn)，它從以用戶為中心的角度接納每個新客戶，並將DevOps原則自動化以實現(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之上，並對其進行擴展。圖4顯示雲(yún)端基礎設施的元件。該應用是多租戶的，支援多個客戶入駐並能確保資料隔離，如圖5所示。
獨特的客製化標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）輕鬆增加其徽標和品牌，並將SMS直接銷售給其客戶。合作夥伴只需按個幾下即可無縫建立新租戶，所有必要的架構都會自動產(chǎn)生，同時會向客戶發(fā)送電子郵件邀請其入駐。
| 圖4 : 來自安全軟體架構的SMS雲(yún)端元件 |
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SMS行動應用
ADI OtoSense SMS行動應用在架構時優(yōu)先考慮了代碼複用。核心應用由幾個模組組成，包括SMS通訊模組、API通訊模組和核心應用模組（視圖和導航），如圖6所示。
這些模組代表可以在所有客製化標籤合作夥伴應用中複用的全部內(nèi)容。對於每個新的客製化標籤應用，都會建立一個新的配置集，其中包含合作夥伴的品牌UI元件和API配置。這種軟體架構使得行動應用開發(fā)團隊能夠快速輕鬆地建立新的合作夥伴應用，並為所有合作夥伴應用發(fā)佈新功能和更新。
SMS AI引擎
ADI OtoSense AI平臺可以解決任何感測解譯挑戰(zhàn)，該平臺已使用於實現(xiàn)智慧馬達感測器解決方案的機器學習組件。
ADI在馬達方面的技術知識已使用於建立馬達最佳化的數(shù)位藍圖，其中涵蓋全部負載、轉(zhuǎn)速和溫度範圍。然而每臺馬達一旦售出就會偏離初始模型，環(huán)境、使用和維護操作使其獨一無二。
在馬達上安裝之後，ADI OtoSense SMS最初會獲取資料以瞭解此馬達與藍圖有何不同，並為SMS邊緣元件所連接的馬達建立一個獨特的數(shù)位分身。然後，OtoSense SMS將來自該馬達的資料與在完全相同的工作條件下運行的數(shù)位分身進行比較。如果實際馬達與其數(shù)位分身之間的行為存在明顯差異，OtoSense SMS則會分析這種差異，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、原因和因應措施。
該系統(tǒng)能夠檢測以下9個常見問題：
? 馬達電源系統(tǒng)故障，這可能導致馬達電流不對稱。
? 馬達旋轉(zhuǎn)零件的重心位移導致的機器轉(zhuǎn)子不平衡。
? 馬達和馬達負載之間未對準。
? 馬達定子引起的故障，導致馬達電流不對稱。
? 定子和轉(zhuǎn)子之間的同心度未得到保持而引發(fā)的馬達故障。
? 在馬達有獨立通風的情況下，馬達散熱系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如通風口阻塞或風扇停轉(zhuǎn)。
? 轉(zhuǎn)子故障，例如轉(zhuǎn)子活動零件（如轉(zhuǎn)子條或短路環(huán)）不連續(xù)，或銅轉(zhuǎn)子的焊縫發(fā)生問題。
? 軸承故障，例如缺少潤滑或內(nèi)外圈、保持架、滾動元件存在缺陷。
? 將馬達固定到操作臺的系統(tǒng)存在問題，例如支撐腳不堅固或鬆動。
SMS韌體
SMS中嵌入的韌體擷取相連馬達的各種參數(shù)（如振動、溫度、速度和磁通量），並透過Wi-Fi連接將這些資料安全地發(fā)送到後端雲(yún)端進行處理。SMS韌體透過Wi-Fi介面與iOS或Android智慧手機連接，以支援設備安裝和配置。在部署期間和之後，該韌體提供診斷資訊以便對設備進行故障排除，並且可以透過無線方式安全地更新。
SMS韌體是利用基於可移植服務架構的架構建構的。此架構由模組化、可複用的功能模組組成，這些功能模組包裝成與應用無關的服務API，以支援其他物聯(lián)網(wǎng)應用複用。它讓應用開發(fā)人員能夠輕鬆地將應用特定的訊號處理功能和演算法以及服務API整合到產(chǎn)品中。圖7為該架構的功能圖。
端對端安全性
ADI OtoSense SMS採用業(yè)界的安全協(xié)議和控制進行端對端設計，確保SMS資料和洞察保持準確性和精準性，得到可靠的處理，無中斷傳輸，並且始終且只能由授權的OtoSense SMS用戶存取。
每個SMS客戶在OtoSense Cloud上都有一個專用帳戶，所有資料（包括感測器資料、洞察、帳號資訊等）都使用客戶ID作為頂級分區(qū)鍵進行分區(qū)。對客戶資料的存取僅限於客戶帳戶的成員，存取授權由主要雲(yún)端服務提供者提供的身份和存取管理服務強制執(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），利用來自主要身份和登錄服務提供者的可信使用者管理和身份驗證服務，確保使用者從行動應用和Web儀表板安全可靠地登錄。
SMS元件和Web應用之間的對話，僅透過相互驗證的TLS建立。所有進出SMS元件的資料，都透過MQTT-over-TLS協(xié)定進行加密和傳輸，包括感測器資料、發(fā)送到SMS元件的命令以及傳輸?shù)揭巡渴餝MS元件的無線更新。
結論
所有軟體建構模組，結合ADI的先進技術，如MEMS感測器、精密轉(zhuǎn)換器、訊號鏈和馬達專業(yè)知識，為馬達的預測性維護提供一個完整的開箱即用解決方案。端對端安全解決方案目的在於提供值得信賴的洞察力，從而增加設備正常運作時間，降低營運成本，延長設備使用壽命，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技術解決方案總監(jiān)、3產(chǎn)品線總監(jiān)）
