预测性维护解决方案结合感测技术来收集设备资料，并採用先进的分析和演算法来得出设备健康状态，透过这种方法有望大幅提升整体工业生产率。本文描述如何利用软体驱动、安全的预测性维护马达设备运作来提升生产效能。


为何需要预测性维护？

在现今的工厂中，由于系统故障，仅在美国就发生了1400万小时的意外停机，造成数十亿美元的损失。为了防止此类事件发生，工厂通常採用昂贵的路径方法，让专家收集资料以评估设备的健康状况，或使用一系列次优检测解决方案，无法可靠检测系统中可能发生的所有潜在故障。


现在，工业4.0（也称为工业物联网或IIoT）浪潮正如火如荼，工业客户更专注于部署解决方案以增加设备正常执行时间，降低营运成本，延长设备寿命，提升工人生产率。预测性维护解决方案结合感测技术来收集设备资料，并採用先进的分析和演算法来得出关于设备健康状况的可行洞察。其结果是，这种方法有望将整体工业生产率提升30%以上。


一个常见需求是结合了硬体和软体且易于安装和使用的完整交钥匙无缐解决方案。很多产业需要一种不要求专家手动收集资料和/或安装并维护私人网络的解决方案。


智慧马达感测器工作原理

智慧马达感测器（SMS）是一种弹性、开箱即用的端对端安全无缐预测性维护（PdM）解决方案（图1），其结合ADI软体、硬体和马达领域的专业知识，为马达的预测性维护建立一种安全的可扩展产品。



图1 : 马达的端对端预测性维护解决方案
图1 : 马达的端对端预测性维护解决方案

智慧马达感测器（SMS）与Android和iOS行动应用一起使用，可轻松设定感测器，提供对部署资料的可见性，在应用时会针对关键事件发出通知和警报。云端託管仪表板提供机器健康状况诊断和故障检测的完整概览，其中包含每个马达状态的详细资讯和视觉化，以及人工智慧（AI）分析，用以检测马达中常见的故障。



图2 : ADI OtoSense智慧马达感测器概览
图2 : ADI OtoSense智慧马达感测器概览

电池供电的SMS元件结合ADI的MEMS感测器、精密转换器和讯号链。SMS元件中嵌入的韧体撷取马达的各种参数（如振动、温度、速度和磁通量），并透过Wi-Fi连接将这些资料安全地发送到后端云端进行处理。云端上运行并整合到Web应用中的人工智慧（AI）引擎分析资料，并且监控马达的运行状况。


该系统可以预测马达中常见的9种电气和机械故障，若检测到故障，就会推送通知或电子邮件，告知使用者要採取的适当措施。智慧马达感测器产品套件既可作为端到端解决方案提供给客户，也可透过REST API供客户使用。


感测器到云端软体建构模组

图3展示ADI的感测器到云端软体架构，该架构用于建构SMS解决方案的必要软体。感测器到云端安全软体架构有助于满足对完整解决方案的需求，消除与组建完整系统，藉以从实际资料中撷取可行洞察相关的挫败感和复杂性。



图3 : 感测器到云端安全软体架构
图3 : 感测器到云端安全软体架构

该架构还实现了更高的复用性，有助于缩短上市时间，允许软体团队专注于为设定产品交付领域特定的解决方案。


除了功能和可扩展性外，规范的最佳实践和流程也是架构的重要组成部分，以确保提供强大且安全的解决方案。该软体架构是建议最佳实践和经过验证的流程的体现，它从以用户为中心的角度接纳每个新客户，并将DevOps原则自动化以实现高效率和合规性。


SMS云和Web

OtoSense SMS云端后端建立在安全软体架构之上，并对其进行扩展。图4显示云端基础设施的元件。该应用是多租户的，支援多个客户入驻并能确保资料隔离，如图5所示。


独特的客制化标籤合作伙伴版本还允许客户（如汽车维修厂、汽车经销商和其他客户）轻松增加其徽标和品牌，并将SMS直接销售给其客户。合作伙伴只需按个几下即可无缝建立新租户，所有必要的架构都会自动产生，同时会向客户发送电子邮件邀请其入驻。



图4 : 来自安全软体架构的SMS云端元件
图4 : 来自安全软体架构的SMS云端元件

图5 : 多租户确保客户资料隔离
图5 : 多租户确保客户资料隔离

SMS行动应用

ADI OtoSense SMS行动应用在架构时优先考虑了代码复用。核心应用由几个模组组成，包括SMS通讯模组、API通讯模组和核心应用模组（视图和导航），如图6所示。



图6 : 行动应用架构
图6 : 行动应用架构

这些模组代表可以在所有客制化标籤合作伙伴应用中复用的全部内容。对于每个新的客制化标籤应用，都会建立一个新的配置集，其中包含合作伙伴的品牌UI元件和API配置。这种软体架构使得行动应用开发团队能够快速轻松地建立新的合作伙伴应用，并为所有合作伙伴应用发佈新功能和更新。


SMS AI引擎

ADI OtoSense AI平台可以解决任何感测解译挑战，该平台已使用于实现智慧马达感测器解决方案的机器学习组件。


ADI在马达方面的技术知识已使用于建立马达最佳化的数位蓝图，其中涵盖全部负载、转速和温度范围。然而每台马达一旦售出就会偏离初始模型，环境、使用和维护操作使其独一无二。


在马达上安装之后，ADI OtoSense SMS最初会获取资料以瞭解此马达与蓝图有何不同，并为SMS边缘元件所连接的马达建立一个独特的数位分身。然后，OtoSense SMS将来自该马达的资料与在完全相同的工作条件下运行的数位分身进行比较。如果实际马达与其数位分身之间的行为存在明显差异，OtoSense SMS则会分析这种差异，以确定造成不一致的最可能根本原因，并告知使用者故障的存在、原因和因应措施。


该系统能够检测以下9个常见问题：


‧ 马达电源系统故障，这可能导致马达电流不对称。


‧ 马达旋转零件的重心位移导致的机器转子不平衡。


‧ 马达和马达负载之间未对准。


‧ 马达定子引起的故障，导致马达电流不对称。


‧ 定子和转子之间的同心度未得到保持而引发的马达故障。


‧ 在马达有独立通风的情况下，马达散热系统出现问题，例如通风口阻塞或风扇停转。


‧ 转子故障，例如转子活动零件（如转子条或短路环）不连续，或铜转子的焊缝发生问题。


‧ 轴承故障，例如缺少润滑或内外圈、保持架、磙动元件存在缺陷。


‧ 将马达固定到操作台的系统存在问题，例如支撑脚不坚固或松动。


SMS韧体

SMS中嵌入的韧体撷取相连马达的各种参数（如振动、温度、速度和磁通量），并透过Wi-Fi连接将这些资料安全地发送到后端云端进行处理。SMS韧体透过Wi-Fi介面与iOS或Android智慧手机连接，以支援设备安装和配置。在部署期间和之后，该韧体提供诊断资讯以便对设备进行故障排除，并且可以透过无缐方式安全地更新。


SMS韧体是利用基于可移植服务架构的架构建构的。此架构由模组化、可复用的功能模组组成，这些功能模组包装成与应用无关的服务API，以支援其他物联网应用复用。它让应用开发人员能够轻松地将应用特定的讯号处理功能和演算法以及服务API整合到产品中。图7为该架构的功能图。



图7 : 安全韧体架构功能图
图7 : 安全韧体架构功能图

端对端安全性

ADI OtoSense SMS採用业界的安全协议和控制进行端对端设计，确保SMS资料和洞察保持准确性和精准性，得到可靠的处理，无中断传输，并且始终且只能由授权的OtoSense SMS用户存取。


每个SMS客户在OtoSense Cloud上都有一个专用帐户，所有资料（包括感测器资料、洞察、帐号资讯等）都使用客户ID作为顶级分区键进行分区。对客户资料的存取仅限于客户帐户的成员，存取授权由主要云端服务提供者提供的身份和存取管理服务强制执行。


使用者帐户建立、管理和用户名/密码登录安全性（包括密码重置功能），利用来自主要身份和登录服务提供者的可信使用者管理和身份验证服务，确保使用者从行动应用和Web仪表板安全可靠地登录。


SMS元件和Web应用之间的对话，仅透过相互验证的TLS建立。所有进出SMS元件的资料，都透过MQTT-over-TLS协定进行加密和传输，包括感测器资料、发送到SMS元件的命令以及传输到已部署SMS元件的无缐更新。


结论

所有软体建构模组，结合ADI的先进技术，如MEMS感测器、精密转换器、讯号链和马达专业知识，为马达的预测性维护提供一个完整的开箱即用解决方案。端对端安全解决方案目的在于提供值得信赖的洞察力，从而增加设备正常运作时间，降低营运成本，延长设备使用寿命，提升员工生产率。


（本文作者Shankar Malladi1、Jason Griffin2、Sebastien Christian3为ADI1嵌入式软体与产品品质总监、2技术解决方案总监、3产品缐总监）