工廠自動化和整體效率理所當然地受到極大的關注，不僅因為產量的小幅增加也能帶來好處，而且還因為減少或消除設備停機的嚴重成本同樣重要的潛力。現在，不再依靠對可用統計數據的識別能力的進步來預測維護需求，或者僅僅依靠訓練有素的技術人員，而是可以通過傳感和無線傳輸的進步進行真正的實時分析和控制。

精密工業過程越來越依賴于電機和相關機械的高效和一致運行。機械中的不平衡、缺陷、配件松動和其他異常通常會轉化為振動，然后是精度損失以及安全問題。當這些問題得不到解決時，除了性能和安全問題外，生產力損失就不可避免地要發生，因為設備需要離線進行維修。即使是通常難以及時預測的設備性能的微小變化，也會迅速轉化為可衡量的生產力損失。

過程監控和基于狀態的預測性維護是避免生產力損失的已知且經過驗證的方法，但這些方法的價值與其復雜性相匹配。現有方法存在局限性，特別是在分析振動數據（無論如何收集）和隔離誤差源時。

典型的數據收集方法包括安裝在機器上的簡單壓電傳感器和手持式數據收集工具。這些方法有許多局限性，特別是與可以嵌入機器上或機器中并自主行動的完整檢測和分析系統的理想解決方案相比。這些局限性以及與理想（自主和無線嵌入式傳感器）的比較將在這里進一步探討。對實現完全嵌入式和自主傳感元件的復雜系統目標的選項分析可以分為十個獨立的問題，包括進行高度可重復的測量，準確評估捕獲的數據以及適當的文檔和可追溯性，下面將討論可用方法與理想方法。

準確且可重復的測量

現有的手持式振動探頭提供了一些實現優勢，包括不需要對終端設備進行任何修改，以及它們相對高度集成，鑒于其大（磚）尺寸，允許足夠的處理和存儲。然而，一個主要的限制是測量缺乏可重復性。探頭位置或角度的微小差異會產生不一致的振動曲線，使時間比較不準確。因此，維護技術人員面臨的問題是，觀察到的任何振動偏移是由于機器內部的實際變化，還是僅僅是測量技術的變化。理想情況下，傳感器既緊湊又集成，足以允許直接和永久嵌入感興趣的設備中，從而消除測量位置偏移的任何問題，并允許完全靈活地安排測量。

測量的頻率和調度

過程監控在高價值設備的生產設施中特別有價值，例如，在敏感電子元件的制造中。在這種情況下，裝配線上的細微變化不僅可能導致工廠產量下降，還可能導致終端設備關鍵規格的轉變。手持式探頭方法的一個明顯局限性是缺乏對麻煩振動偏移的實時通知。大多數基于壓電陶瓷的傳感器也是如此，這些傳感器通常處于非常低的集成度（在某些情況下僅為傳感器），數據傳輸到其他地方以供以后分析。這些設備需要外部干預，因此為錯過事件/班次提供了機會。另一方面，自主傳感器處理系統，包括傳感器、分析、存儲和報警功能，并且仍然足夠小，可以嵌入，提供最快的振動偏移通知，以及顯示基于時間的趨勢的最佳能力。

了解數據

如上所述，只有采用頻域分析，才能從嵌入式傳感器發出實時通知。任何給定的設備通常具有多個振動源（軸承缺陷、不平衡、齒輪嚙合），包括那些設計使然的來源，例如在其正常運行過程中產生振動的鉆頭或機械壓力機。對設備進行基于時間的分析會產生復雜的波形，將多個源組合在一起，在FFT分析之前提供很少的可識別信息。大多數基于壓電陶瓷的傳感器解決方案依賴于FFT的外部計算和分析。這不僅消除了實時通知的可能性，而且還給設備開發人員帶來了巨大的額外設計負擔。通過在傳感器上嵌入FFT分析，可以立即將振動偏移隔離到特定來源。鑒于完全集成和自主傳感器的完整性和簡單性，這種完全集成的傳感器元件還可以將設備設計人員的開發時間縮短 12 到 <> 個月。

數據訪問和傳輸

雖然嵌入式傳感是實現準確和實時趨勢數據的理想選擇，但這確實使將數據傳輸到通常由遠程過程控制器或操作員的任務復雜化。嵌入式FFT分析顯然還假設模擬傳感器數據已經過調理并轉換為數字數據，以支持簡化的數據傳輸。事實上，目前使用的大多數振動傳感器解決方案都是模擬輸出，導致傳輸過程中信號衰減，更不用說已經討論過的離線數據分析的復雜性。鑒于大多數需要振動監測的工業設備往往存在于嘈雜、移動、難以接近甚至危險的環境中，人們強烈希望不僅要降低接口布線的復雜性，還要在源頭執行盡可能多的數據分析，以盡可能準確地捕獲設備振動的表示。無線傳感器節點不僅便于即時訪問，而且大大簡化了傳感器網絡的部署，并大大降低了成本。

數據方向性

許多現有的傳感器解決方案都是單軸壓電傳感器。這些壓電傳感器不提供方向性信息，因此限制了對設備振動曲線的理解。缺乏方向性意味著需要非常低噪聲的傳感器來實現必要的辨別，這也會影響成本。基于多軸MEMS的傳感器的可用性，如果跨軸精確對齊，可以顯著提高隔離振動源的能力，同時也有可能降低成本。

傳感器的位置和分布

設備振動曲線復雜、時移，并且容易受到設備材料和位置差異的影響。傳感器的放置位置當然至關重要，但也高度依賴于設備類型、環境甚至設備的生命周期。由于現有的高成本傳感器元件將探測點的數量限制在幾個或一個，這個問題更為關鍵。這意味著要么需要大量額外的前期開發時間，要么通過實驗確定最佳放置，要么在大多數情況下會導致要捕獲的數據量和質量有所妥協。以現有成本的一小部分存在更完全集成的傳感器探頭，可以允許每個系統放置多個探頭，減少前期開發時間/成本，或者只是更少和更便宜的傳感器。

適應生命周期變化

雖然手持式監控系統方法也許可以根據隨時間的變化（周期性、數據量等）進行定制，但在嵌入式傳感器中提供基于相同生命周期的定制需要在設計和部署期間預先關注，以實現所需的可調性。無論技術如何，傳感器元件當然都很重要，但通常更關鍵的是圍繞傳感器的傳感器調節和處理。信號/傳感器調節和處理不僅特定于獨特的設備，還特定于設備的生命周期。這轉化為傳感器設計中的幾個重要考慮因素。首先，早期的模數轉換（在傳感器頭，而不是關閉設備）允許在系統內進行配置/調諧。理想的傳感器將提供一個簡單的可編程接口，通過快速基線數據捕獲、過濾操作、警報編程和不同傳感器位置的實驗來簡化設備設置。對于現有的簡單傳感器，只要其中任何一個都可以在設備設置中配置，則必須在傳感器設置中做出一些妥協，以適應設備生命周期內維護問題的變化。例如，當設備故障的可能性較小時，是否應將傳感器配置為早期使用;還是壽命結束，當故障不僅可能而且可能更有害時？首選方法是系統內可編程傳感器，允許對生命周期的變化進行配置。例如，在早期使用期間相對不頻繁的監控（用于最低功耗），然后重新配置為頻繁（用戶編程的周期）監控，一旦觀察到偏移（警告閾值），除了連續監控和中斷驅動的通知，用戶編程的報警閾值。

識別績效變化/趨勢

使傳感器適應設備生命周期的變化在某種程度上取決于對基線設備響應的了解。即使是簡單的模擬傳感器也可以做到這一點，假設操作員進行測量，進行離線分析，并將這些數據離線存儲，以某種方式正確標記到特定設備和探頭位置。一種首選且不易出錯的方法將允許在傳感器頭存儲基線FFT，從而消除任何錯放數據的可能性?；€數據還有助于建立警報級別，理想情況下，該級別將直接在傳感器上進行編程，因此，在任何后續數據分析/捕獲中，檢測到警告或故障條件并可以生成實時中斷。

數據可追溯性和文檔記錄

在出廠設置中，適當的振動分析程序可以通過手持式探頭或嵌入式傳感器監測數十甚至數百個位置。在給定設備的生命周期中，這可能需要捕獲數千條記錄。預測性維護計劃的完整性取決于傳感器收集點的位置和時間的正確映射。為了獲得最低風險和最有價值的數據，除了嵌入式存儲外，傳感器還應具有唯一的序列號和為數據添加時間戳的能力。

可靠性

上述討論重點介紹了改進與過程控制和預測性維護相關的現有基于傳感器的振動監測方法的方法。本著容錯和監測的精神，應該仔細檢查傳感器本身。如果傳感器出現故障（性能偏移）而不是設備，該怎么辦？或者，當使用完全自主的傳感器（如理想狀態）運行時，我們對傳感器繼續工作有多大信心？對于許多現有的傳感器，例如基于壓電陶瓷的傳感器，這帶來了嚴重的限制，因為它們無法提供任何類型的系統內自檢。隨著時間的推移，人們總是對記錄的數據的一致性缺乏信心，在壽命結束的關鍵監控階段，實時故障通知對時間和成本至關重要（更不用說一個重大的安全問題），總是擔心傳感器可能變得無法正常工作。高置信度過程控制程序的一個基本要求是能夠遠程自檢傳感器。幸運的是，這可以通過一些基于MEMS的傳感器來實現。因此，嵌入式數字自檢功能彌補了可靠振動監測系統的最后差距。

ADI公司的ADIS16229是一款完全自主的無線頻域振動監測器示例，具有上述十個關鍵問題中概述的所有優勢。ADIS16229具有嵌入式頻域處理、512點實值FFT和板載存儲功能，能夠識別和分類各個振動源，監控其隨時間的變化，并對可編程閾值電平做出反應。該器件提供可配置的頻譜報警頻段和窗口選項，允許通過配置六個頻段（Alarm1（警告閾值）和 Alarm2（故障閾值）來分析全頻譜，以便更早、更準確地檢測問題。其核心是基于MEMS的多軸寬帶寬傳感器，具有可配置的采樣率（高達20 kSPS）和平均/抽取選項，可以更準確地評估微小的振動曲線變化。MEMS傳感器提供數字自檢模式，為功能和數據完整性提供持續的信心。該設備完全嵌入且可編程，可以放置在靠近振動源的位置，并以可重復的方式早期檢測小信號，避免由于測量之間的位置/耦合差異而導致的數據差異，使用手持設備時可能就是這種情況。

862 MHz/928 MHz專有無線協議接口允許遠程定位ADIS16229傳感器節點，并由單獨的網關節點ADIS16000（見圖3）提供支持，該節點為任何系統控制器器件提供標準SPI接口。如圖4所示，最多可以通過網關控制六個遠程傳感器節點。

圖3.基于MEMS的傳感器節點（ADIS16229），具有928 MHz至網關控制器的RF鏈路（ADIS16000）。

圖4.六個遠程傳感器節點自主檢測/收集/處理數據，并以無線方式傳輸到中央控制器節點。

完全集成且可靠的振動傳感器具有自主和可配置操作的能力，使過程控制和預測性維護程序開發人員能夠顯著提高數據收集過程的質量和完整性，而不受過去振動分析方法的限制和妥協。憑借高集成度和簡化的可編程和無線接口，這些傳感器還可以通過降低采用這一關鍵工具的障礙來實現更普遍的振動傳感部署，而這種工具以前僅限于少數具有數十年機器振動分析經驗的高技能技術人員。這種完全集成的傳感器不依賴于改造的布線/基礎設施，并且可以更精確、更可靠地檢測性能變化，從而大大降低前期和經常性維護成本。

審核編輯：郭婷