作者： Shankar Malladi、Jason Griffin和 Sebastien Christian
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為什麼要進行預測性維護？
在當今的工廠中，僅在美國就有 1400 萬小時因系統故障而發生意外停機，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線的方法，專家收集數據以評估設備的健康狀況，或使用一系列不能可靠檢測這些系統中可能發生的所有潛在故障的次優傳感解決方案。
既然工業 4.0（也稱為工業物聯網或 IIoT）浪潮正在如火如荼地進行，工業客戶更專注於部署能夠增加設備正常運行時間、降低運營成本、延長設備使用壽命和提高工人生產力的解決方案。預測性維護解決方案結合傳感技術來收集設備數據，並採用先進的分析和算法來得出對設備健康狀況的可行見解。因此，這種方法有望將整體工業生產率提高 30% 以上。
一個普遍的需求是需要一個完整的交鑰匙無線解決方案，它結合了硬體和軟體，並且易於安裝和使用。企業需要一種不需要專家手動收集數據和/或安裝和維護專用網絡的解決方案。
智能馬達傳感器 (SMS) 及其工作原理
智能馬達傳感器 (SMS) 是一種靈活、開箱即用的端到端安全無線預測性維護 (PdM) 解決方案（圖 1），它結合了 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安全的可擴展產品。
圖 1. 馬達的端到端預測性維護解決方案。
智能馬達傳感器 (SMS) 與 Android 和 iOS 移動應用程序一起使用，可輕鬆設置傳感器、部署數據的可見性以及關鍵事件的應用內通知和警報。雲端託管儀表板提供機器健康診斷和故障檢測的完整概述，其中包含每個馬達狀態的詳細信息和可視化以及基於人工智能的分析，以檢測馬達中常見的故障。
圖 2. ADI OtoSense ™智能馬達傳感器概覽。
電池供電的 SMS 設備結合了 ADI 的 MEMS 傳感器、精密轉換器和信號鏈。SMS 設備中嵌入的固件可捕獲馬達的各種參數（如振動、溫度、速度和磁通量），並通過 Wi-Fi 連接將這些數據安全地發送到後端雲進行處理。在雲上運行並集成到 Web 應用程序中的人工智能 (AI) 引擎分析數據並監控馬達的運行狀況。
該系統可以預測馬達中常見的九種不同的電氣和機械故障，並在檢測到一種故障後，發送推送通知或電子郵件以通知用戶要採取的適當措施。智能馬達傳感器產品套件可作為端到端解決方案或通過 REST API 直接提供給客戶。
傳感器到雲軟體構建塊
圖 3 展示了 ADI 的傳感器到雲軟體框架，該框架用於為 SMS 解決方案構建必要的軟體。傳感器到雲的安全軟體框架有助於滿足對完整解決方案的需求，而無需將完整的系統組合在一起以從真實世界數據中獲取可操作的洞察力，從而帶來挫敗感和復雜性。
圖 3. 傳感器到雲的安全軟體框架。
該框架還具有更高的可重用性，有助於縮短上市時間，並允許軟體團隊專注於為任何給定產品交付特定領域的解決方案。
除了功能和可擴展性之外，規範的最佳實踐和流程也是框架的關鍵部分，以確保提供最強大和最安全的解決方案。該軟體框架是推薦的最佳實踐和經過驗證的流程的體現，從以用戶為中心的角度處理每個新客戶參與到 DevOps 原則的自動化以實現效率和合規性。
短訊雲和網絡
OtoSense 短訊雲後端建立在安全軟體框架之上並對其進行了擴展。圖 4 描述了雲基礎架構的組件。該應用程序是多租戶的，以支持加入多個客戶並確保數據隔離，如圖 5 所示。獨特的自定義標籤合作夥伴版本還允許汽車維修車間、汽車經銷商等客戶輕鬆添加他們的LOGO和品牌並銷售 SMS直接給他們的客戶。合作夥伴只需單擊幾下即可無縫創建新的客戶租戶，並且在向客戶發送入職電子郵件邀請時會自動生成所有必要的架構。
圖 4. 來自安全軟體框架的 SMS 雲組件。
圖 5. 確保客戶數據隔離的多租戶。
短訊移動應用
ADI OtoSense SMS 移動應用程序在構建時優先考慮代碼重用。核心應用程序由幾個模塊組成，包括短訊通訊模塊、API 通訊模塊和核心應用程序模塊（視圖和導航），如圖 6 所示。
圖 6. 移動應用架構。
這些模塊代表了可以在所有自定義標籤合作夥伴應用程序中重複使用的所有內容。對於每個新的自定義標籤應用程序，都會創建一個新的配置集，其中包含合作夥伴的品牌 UI 組件和 API 配置。這種軟體架構使移動應用程序開發團隊能夠快速輕鬆地創建新的合作夥伴應用程序，並有效地為所有合作夥伴應用程序發布新功能和更新。
短訊人工智慧引擎
ADI OtoSense AI 平台可以解決任何傳感解釋挑戰。該平台已被用於實施智能馬達傳感器解決方案的機器學習組件。
ADI 在馬達方面的深入知識已被用於創建馬達在所有負載、轉速和溫度範圍內的最佳行為的數字藍圖。然而，每台馬達一旦售出，都會偏離這個初始模型。它的環境、使用和維護操作使其獨一無二。
在馬達上安裝後，ADI OtoSense SMS 最初會獲取數據以了解該馬達與藍圖有何不同，並為 SMS 邊緣設備所連接的馬達創建一個獨特的數位孿生。從那裡，OtoSense SMS 將來自該馬達的數據與其在完全相同的操作條件下運行的數位雙胞胎進行比較。如果物理馬達與其數位雙胞胎之間的行為存在顯著差異，OtoSense SMS 會分析這種差異以確定導致這種差異的最可能的根本原因，並告知用戶故障的存在、原因以及採取的措施執行以解決它。
該系統能夠檢測以下九個常見問題：
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馬達電源系統中可能導致馬達電流不對稱的故障。
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由於任何馬達旋轉部件的重心位移導致的機器轉子不平衡。
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馬達和馬達負載之間失去對齊。
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馬達定子中引起的故障，導致馬達電流不對稱。
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當定子和轉子之間的同心度未保持時，馬達故障。
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在馬達獨立通風的情況下，馬達冷卻系統出現問題，例如通風口阻塞或風扇停止。
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轉子故障，例如轉子活動部分的不連續性，例如轉子條或短路環，或銅轉子的焊縫問題。
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軸承故障，例如缺少潤滑或內外圈、保持架或滾動體存在缺陷。
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馬達與操作台的固定係統存在問題，例如腳軟/鬆動。
短訊固件
嵌入在 SMS 中的硬體會捕獲它所連接的馬達的各種參數（振動、溫度、速度、磁通量），並通過 Wi-Fi 連接將這些數據安全地發送到後端雲進行處理。SMS 硬體通過 Wi-Fi 接口與 iOS 或 Android 智能手機連接，以啟用設備安裝和配置。該固件提供了用於在部署期間和之後對設備進行故障排除的診斷信息，並且可以通過無線方式安全地更新。
SMS 硬體是利用基於可移植服務架構的框架構建的。該框架由模塊化、可重用的功能塊組成，這些功能塊包裹在與應用程序無關的服務 API 中，以支持其他物聯網應用程序的重用。它還使應用程序開發人員能夠輕鬆地將特定於應用程序的信號處理功能和算法以及服務 API 集成到產品中。圖 7 顯示了框架的功能塊。
圖 7. 安全固件框架功能塊。
端到端安全性
ADI OtoSense SMS 採用業界最佳的安全協議和控制進行端到端設計，可確保 SMS 數據和見解保持其準確性和精確度、可靠處理、無中斷傳輸，並且始終且只能由授權的 OtoSense 訪問短訊用戶。
每個 SMS 客戶在 OtoSense Cloud 上都有一個專用帳戶，所有數據（傳感器數據、見解、帳號訊息等）都使用客戶 ID 作為頂級分區鍵進行分區。對客戶數據的訪問僅限於客戶帳戶的成員，並且通過主要雲服務提供商提供的身份和訪問管理服務強制執行訪問授權。
用戶帳戶創建、管理和用戶名/密碼登錄安全（包括密碼重置功能）利用來自主要身份和登錄服務提供商的可信用戶管理和身份驗證服務，確保用戶從移動應用程序和 Web 儀表板安全可靠地登錄。
SMS 設備和 Web 應用程序之間的會話僅通過相互驗證的 TLS 建立。所有進出 SMS 設備的數據都通過 MQTT-over-TLS 協議進行加密和傳輸。這包括傳感器數據、發送到 SMS 設備的命令以及傳輸到已部署 SMS 設備的無線更新。
結論
所有軟體模塊，結合 ADI 的先進技術，如 MEMS 傳感器、精密轉換器和信號鏈以及電機專業知識，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。端到端安全解決方案旨在提供值得信賴的洞察力，以增加設備正常運行時間、降低運營成本、延長設備使用壽命並提高員工生產力。
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