利用軟體驅動、安全的預測性馬達維護提升生產力

作者:ADI嵌入式軟體與產品品質總監


為何需要預測性維護?

在現今的工廠中,由於系統故障,僅在美國就發生了1400萬小時的意外停機,造成數十億美元的損失。為了防止此類事件發生,工廠通常採用昂貴的基於路徑的方法,讓專家收集資料以評估設備的健康狀況,或使用一系列次優檢測解決方案,無法可靠檢測系統中可能發生的所有潛在故障。

現在,工業4.0(也稱為工業物聯網或IIoT)浪潮正如火如荼,工業客戶更專注於部署解決方案以增加設備正常執行時間,降低營運成本,延長設備壽命,提升工人生產率。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生產率提升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。很多產業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路絡的解決方案。

智慧馬達感測器(SMS)及其工作原理

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),其結合了ADI軟體、硬體和馬達領域的專業知識,為馬達的預測性維護創建一種安全的可擴展產品。

Figure 1. End-to-end predictive maintenance solution for electric motors.

圖1. 馬達的端對端預測性維護解決方案

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,應用內會就關鍵事件發出通知和警報。雲端託管儀錶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的詳細資訊和視覺化以及基於人工智慧(AI)的分析,以檢測馬達中常見的故障。

Figure 2. An overview of the ADI OtoSense™ Smart Motor Sensor.

圖2. ADI OtoSense智慧馬達感測器概覽

電池供電的SMS元件結合了ADI的MEMS感測器、精密轉換器和訊號鏈。SMS元件中嵌入的韌體擷取馬達的各種參數(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送到後端雲端進行處理。雲端上運行並整合到Web應用中的人工智慧(AI)引擎分析資料並監控馬達的運行狀況。

該系統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。

感測器到雲端軟體建構模組

圖3展示了ADI的感測器到雲端軟體框架,該框架用於建構SMS解決方案的必要軟體。感測器到雲端安全軟體框架有助於滿足對完整解決方案的需求,消除與組建完整系統以從實際資料中擷取可行洞察相關的挫敗感和複雜性。

Figure 3. Sensor-to-cloud secure software framework.

圖3. 感測器到雲端安全軟體框架

該框架還實現了更高的複用性,有助於縮短上市時間,允許軟體團隊專注於為給定產品交付領域特定的解決方案。

除了功能和可擴展性外,規範的最佳實踐和流程也是框架的重要組成部分,以確保提供強大且安全的解決方案。該軟體框架是建議最佳實踐和經過驗證的流程的體現,它從以用戶為中心的角度接納每個新客戶,並將DevOps原則自動化以實現高效率和合規性。

SMS雲和Web

OtoSense SMS雲端後端建立在安全軟體框架之上,並對其進行了擴展。圖4顯示了雲端基礎設施的元件。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。合作夥伴只需按一下幾下即可無縫創建新租戶,所有必要的架構都會自動產生,同時會向客戶發送電子郵件邀請其入駐。

Figure 4. SMS cloud components from a secure software framework.

圖4. 來自安全軟體框架的SMS雲端元件

Figure 5. Multitenancy ensuring customer data segregation.

圖5. 多租戶確保客戶資料隔離

SMS行動應用

ADI OtoSense SMS行動應用在架構時優先考慮了代碼複用。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。

Figure 6. Mobile applications architecture.

圖6. 行動應用架構

這些模組代表了可以在所有客製化標籤合作夥伴應用中複用的全部內容。對於每個新的客製化標籤應用,都會創建一個新的配置集,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團隊能夠快速輕鬆地創建新的合作夥伴應用,並高效地為所有合作夥伴應用發佈新功能和更新。

SMS AI引擎

ADI OtoSense AI平台可以解決任何感測解譯挑戰。該平台已被用於實現智慧馬達感測器解決方案的機器學習組件。

ADI在馬達方面的深厚知識已被用於創建馬達最佳化的數位藍圖,其中涵蓋了全部負載、轉速和溫度範圍。然而,每台馬達一旦售出,就會偏離這個初始模型。環境、使用和維護操作使它獨一無二。

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創建一個獨特的數位孿生。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位孿生進行比較。如果實際馬達與其數位孿生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。

該系統能夠檢測以下9個常見問題:

  • 馬達電源系統故障,這可能導致馬達電流不對稱。
  • 馬達旋轉零件的重心位移導致的機器轉子不平衡。
  • 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。
  • 定子和轉子之間的同心度未得到保持而引發的馬達故障。
  • 在馬達有獨立通風的情況下,馬達散熱系統出現問題,例如通風口阻塞或風扇停轉。
  • 轉子故障,例如轉子活動零件(如轉子條或短路環)不連續,或銅轉子的焊縫發生問題。
  • 軸承故障,例如缺少潤滑或內外圈、保持架、滾動元件存在缺陷。
  • 將馬達固定到操作台的系統存在問題,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(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送到後端雲端進行處理。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框架建構的。此框架由模組化、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,以支援其他物聯網應用複用。它還使應用開發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整合到產品中。圖7為該框架的功能框圖。

Figure 7. Secure firmware framework functional blocks.

圖7. 安全韌體框架功能框圖

端對端安全性

ADI OtoSense SMS採用業界優秀的安全協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(感測器資料、洞察、帳號資訊等)都使用客戶ID作為頂級分區鍵進行分區。對客戶資料的存取僅限於客戶帳戶的成員,存取授權由主要雲端服務提供者提供的身份和存取管理服務強制執行。

使用者帳戶創建、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儀錶板安全可靠地登錄。

SMS元件和Web應用之間的會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協定進行加密和傳輸,包括感測器資料、發送到SMS元件的命令以及傳輸到已部署SMS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、精密轉換器、訊號鏈和馬達專業知識,為馬達的預測性維護提供了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,提升員工生產率。

欲瞭解有關智慧馬達感測器的更多資訊,請瀏覽: otosense.analog.com/predictive-maintenance

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