狀態(tài)監(jiān)測傳感器和系統(tǒng)故障注意事項

狀態(tài)監(jiān)測是一種重要的技術(shù)手段，用于確保機械設(shè)備或系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。其工作原理基于對目標(biāo)對象連續(xù)不斷的監(jiān)控，以及從該過程中獲取到的信息進(jìn)行分析判斷。

首先，在實施狀態(tài)監(jiān)測之前，需要確定哪些指標(biāo)對于評價設(shè)備的狀態(tài)最為關(guān)鍵。這通常包括但不限于溫度、壓力、振動水平等物理量。選定好監(jiān)測項目后，會在相應(yīng)位置安裝傳感器或其他類型的數(shù)據(jù)采集裝置。這些裝置能夠以高精度捕捉所需信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以便進(jìn)一步處理。

接下來，通過有線或者無線的方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制系統(tǒng)。這里使用了先進(jìn)的通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全與準(zhǔn)確。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器端，就會啟動一系列復(fù)雜的算法對其進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)分析的目的在于識別出任何可能指示即將發(fā)生故障的趨勢或模式。例如，如果一臺機器的振動幅度突然增加，則可能是內(nèi)部零件磨損嚴(yán)重的表現(xiàn);而異常高溫則往往意味著冷卻系統(tǒng)存在故障。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)潛在問題時，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)會立即發(fā)出警報，提醒相關(guān)人員及時介入調(diào)查并解決問題。此外，根據(jù)歷史記錄及當(dāng)前狀況，系統(tǒng)還可以預(yù)測未來一段時間內(nèi)可能出現(xiàn)的問題及其可能性大小，幫助企業(yè)做出更加合理的維修計劃安排。這種基于狀態(tài)監(jiān)測的主動式維護策略相比于傳統(tǒng)定期檢修方式具有明顯優(yōu)勢：不僅可以減少不必要的停機時間，還能有效延長設(shè)備使用壽命。

總之，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)通過持續(xù)跟蹤重要性能參數(shù)的變化情況，為用戶提供了一種科學(xué)有效的健康管理方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析能力的不斷提升，狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴大，成為推動各行業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型的重要力量。

?數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)?：獲得的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理和分析，以提取出有用的信息和特征。常見的數(shù)據(jù)處理和分析方法有濾波、降噪、特征提取、故障診斷等。濾波能夠去除數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，保留有效的信息。降噪則是通過信號處理方法，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)中的無用信息，提高信號的可靠性和準(zhǔn)確性。特征提取是將原始數(shù)據(jù)中的有用特征提取出來，常用的方法有傅里葉變換、小波變換、時頻分析等。故障診斷則是通過分析數(shù)據(jù)中的異常，判斷對象或系統(tǒng)是否存在故障并定位故障原因?1。

?數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)控技術(shù)?：數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控是狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果的可視化和管理。通過合適的圖表和界面，可以直觀地展示對象或系統(tǒng)的狀態(tài)信息和變化趨勢。數(shù)據(jù)監(jiān)控則是實時地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，能夠及時報警或采取相應(yīng)措施。數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控不僅能夠方便用戶理解和管理數(shù)據(jù)，也能夠幫助他們迅速反應(yīng)和處理對象或系統(tǒng)的狀態(tài)變化?1。

?通信與數(shù)據(jù)分析?：在實施狀態(tài)監(jiān)測之前，需要確定哪些指標(biāo)對于評價設(shè)備的狀態(tài)最為關(guān)鍵。這些指標(biāo)通常包括溫度、壓力、振動水平等物理量。選定好監(jiān)測項目后，會在相應(yīng)位置安裝傳感器或其他類型的數(shù)據(jù)采集裝置。這些裝置能夠以高精度捕捉所需信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以便進(jìn)一步處理。通過有線或無線的方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制系統(tǒng)，使用先進(jìn)的通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全與準(zhǔn)確。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器端，就會啟動一系列復(fù)雜的算法對其進(jìn)行分析，識別出任何可能指示即將發(fā)生故障的趨勢或模式?2。

?人工智能與機器學(xué)習(xí)?：隨著技術(shù)的發(fā)展，人工智能和機器學(xué)習(xí)被引入狀態(tài)監(jiān)測中，使得系統(tǒng)能夠自主學(xué)習(xí)和識別設(shè)備的正常工作模式，及時發(fā)現(xiàn)偏離正常模式的信號，從而預(yù)測并警告潛在的設(shè)備故障。這種智能化的發(fā)展使得狀態(tài)監(jiān)測更加精準(zhǔn)和高效?3。

在振動檢測中，軸承缺陷和齒輪缺陷都需要振動傳感器的噪聲控制在100 μg/√Hz以下，同時帶寬需要在5kHz以上，否則就無法感知在軸承和齒輪上出現(xiàn)的故障，而且軸承缺陷檢測會額外要求更高的傳感器g值范圍。因為這種故障開始出現(xiàn)并不是很明顯，尤其是在早期，很難單單通過增加振動頻率來識別，必須將具備低噪聲和寬帶寬的振動傳感器與高性能信號鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對來進(jìn)行完全的監(jiān)控。

100 μg/√Hz以上的中等噪聲要求適用于不平衡以及為電機未對準(zhǔn)的檢測，這類故障檢測對帶寬的要求達(dá)到5×至10×基頻即可。不平衡以及為電機未對準(zhǔn)可能出現(xiàn)的故障會額外要求傳感器能進(jìn)行多軸檢測，其中不平衡的故障會需要振動傳感器對轉(zhuǎn)動緩慢的機器做出低頻響應(yīng)。

如何設(shè)計小型PoDL電路?

耦合電感和串聯(lián)電容，這些是PoDL工作所需的基本元件。此外，還需使用其他元件以確保魯棒性和容錯性。

由于PoDL耦合電感屬于非理想元件，因此會發(fā)生一定程度的差模至共模轉(zhuǎn)換。這種共模噪聲會降低信號質(zhì)量。將共模扼流圈連接到靠近電纜連接器的位置有助于減輕這種非理想特性，并保護設(shè)計免受電纜共模噪聲的影響。還需要檢查共模扼流圈載流量和DCR，確保其能夠為傳感器提供足夠的功率。

為防止極性電纜安裝錯誤(例如，將PSE PHY的24 VDC錯接到PD PHY的0 VDC)，建議使用橋式整流二極管。為了確保EMC魯棒性，需使用工作電壓大于24 VDC的TVS二極管。如果傳感器硬件設(shè)計體積較大，還可以使用其他EMC元件(例如，在信號線上配置高壓電容)。

最佳的PdM策略是：有效利用盡可能多的技術(shù)和傳感器來提早檢測故障，且檢測結(jié)果高度可信，如此則無需使用一刀切式的傳感器解決方案。本文嘗試闡明為什么預(yù)測性維護傳感器對于提早檢測PdM應(yīng)用中的故障至關(guān)重要，以及它們有哪些優(yōu)缺點。

系統(tǒng)故障時間線

圖1顯示了從安裝新電機到電機發(fā)生故障期間發(fā)生的事件的時間表，以及推薦使用的預(yù)測性維護傳感器類型。安裝新電機時，電機提供保修。幾年后，保修期將滿，此時會更加頻繁地執(zhí)行手動檢查。

預(yù)測性維護傳感器

有些傳感器能夠比其他傳感器更早地檢測某些故障，例如軸承損壞，如圖1所示。在這一節(jié)中，我們將討論常用于盡可能提早檢測故障的傳感器，一般是加速度計和麥克風(fēng)。表1顯示傳感器規(guī)格列表，以及它們可以檢測到的一些故障。大多數(shù)PdM系統(tǒng)只使用其中一些傳感器，因此必須確保除了使用合適的傳感器來檢測這些潛在的關(guān)鍵故障之外，還要深入了解這些故障。

傳感器和系統(tǒng)故障注意事項

工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中超過90%的旋轉(zhuǎn)機器都使用滾動軸承。3電機的故障部件分布如圖2所示，從中可以清楚看到，在選擇PdM傳感器時，需要特別關(guān)注軸承監(jiān)測。為了檢測、診斷和預(yù)測潛在故障，振動傳感器必須具有低噪聲和寬帶寬。

圖2. 電機部件出現(xiàn)故障的百分率。4

表2顯示與旋轉(zhuǎn)機器相關(guān)的部分常見故障，以及一些用于PdM應(yīng)用的相應(yīng)振動傳感器要求。為了盡早發(fā)現(xiàn)故障，PdM系統(tǒng)通常需要使用高性能傳感器。資產(chǎn)中使用的預(yù)測性維護傳感器的性能水平與在整個流程中持續(xù)可靠運行的資產(chǎn)的重要性相關(guān)，而不是與資產(chǎn)本身的成本相關(guān)。

根據(jù)電機振動或移動(峰值、峰峰值和rms)期間的能量，我們可以確定機器是否不平衡或未對準(zhǔn)等。有些故障(例如軸承或齒輪缺陷)不是很明顯，特別是在早期，不能單單通過增加振動頻率來識別或預(yù)測。解決這些故障通常需要將具備低噪聲(<100 μg/√Hz)和寬帶寬(>5kHz)的高性能預(yù)測性維護振動傳感器與高性能信號鏈、處理、收發(fā)器和后處理器配對。

基于狀態(tài)的監(jiān)控(CbM)涉及使用傳感器來測量當(dāng)前的健康狀態(tài)，以監(jiān)測機器或資產(chǎn)。預(yù)測性維護(PdM)涉及使用CbM、機器學(xué)習(xí)和分析等的技術(shù)組合來預(yù)測即將發(fā)生的機器或資產(chǎn)故障。在監(jiān)測機器的健康狀況時，需選擇最合適的傳感器，以確保能夠檢測、診斷甚至預(yù)測故障，這點至關(guān)重要。目前有許多傳感器被用于檢測旋轉(zhuǎn)機器及其負(fù)載中的故障，從而避免意外停機。由于許多旋轉(zhuǎn)機器(電機、齒輪、泵和渦輪機)以及非旋轉(zhuǎn)機器(閥門、斷路器和電纜)監(jiān)控都用到了PdM技術(shù)，所以很難對每個傳感器進(jìn)行排序。