开源工具包支持预测性维护

智能状态监测盒 (iCOMOX) 是一个开源开发平台，用于对设备、资产和工业设施进行状态监测。该板的目标是监控设备表面的运行状况，以识别潜在故障并降低与设备运行和维护相关的风险。基于状态的监控可延长设备的使用寿命，同时最大限度地减少计划外停机时间和维护成本。因此，开源平台推进了工业 4.0 自动化的目标，即通过数字解决方案提高生产效率。

工业 4.0 的预测性维护

预测性维护是一项真正的战略，由智能物联网传感器和嵌入式控制解决方案提供支持，这些解决方案提供先进的商业模式，在公司和客户之间创造附加价值，并显着节省维护成本。传感器可用于持续监控关键设备，生产数据可实时记录并无线传输至云端进行预测性维护分析，以优化流程并增强安全性。咨询公司 McKinsey &Co. 估计，在工厂中有效使用预测性维护可以减少高达 50% 的停机时间，并节省 10% 至 40% 的设备维护成本。

预测性维护环境包括一个用于建模、模拟、测试和部署解决方案的平台。这些工具包括用于检测机器数据中的模式的工业数据集成和分析算法，以及用于确定要采取的纠正措施的根本原因分析工具。

振动、温度和压力只是可以指示设备状态和识别潜在故障的一些参数（图 1）。监测技术通常用于压缩机和泵等设备。

图 1：用于故障检测的振动频率分析（图片：Analog Devices）

由于振动是不平衡、不对中和其他异常的最常见症状，因此预测性维护通常基于旋转机械的振动分析。同时，温度传感器监控关键机器部件以检测操作条件的变化。

油颗粒传感器监测润滑系统中的颗粒污染水平；颗粒数量的增加表明机械磨损。电流传感器监控机器部件的功耗。一个典型的应用是监控电机的电流消耗以测量磨损。

图 2：预测性维护（图片：博世）

除了复杂的工业传感器，预测性维护模型的实施还需要控制技术（通常通过生产控制软件）。获取的数据通过 IO-Link 或其他控制系统发送到可编程逻辑控制器 (PLC)，目的是智能管理当前和未来的机器操作（图 2）。让我们回顾一下与 Arrow 合作的 Shiratech iCOMOX 板。

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精美呈现的 iCOMOX 套件提供两种设备：用于 SmartMesh 无线通信的实板和控制集线器（加密狗）。附送固件升级连接线和优化安装支撑结构（图3、图4）。

图 3：iCOMOX 套件
（图片：EE Times Europe）

图 4：用于 SmartMesh 控制的卡（顶部）和无线集线器（图片：EE Times Europe）

该平台配备了振动、磁场、温度和音频传感器（图 5）。它为振动分析提供了宽动态范围和出色的信噪比 (SNR)。此外，它还支持电机中的噪声发射检测和电流分析，以避免过热。 SmartMesh 通信支持低功耗无线通信。该板能够为每个传感器配置警告和警报级别。紧凑的外形以及 CE 和 FCC 认证完善了这些功能。

图 5：iCOMOX 板上传感器和组件的排列
（图片：Shiratech）

该系统的核心是 ADI ADuCM4050 超低功耗 Arm Cortex-M4F 处理器，通过 SensorStrobe 技术集成电源管理。 MCU 还拥有一组数字外设、SRAM 和内置闪存，以及一个提供时钟、复位和电源管理功能的模拟子系统。模数转换 (ADC) 子系统配有 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和用于数据采集的 1.8 Msps 八通道转换器（图 6）。

图 6：ADuCM4050 的框图（图片：Analog Devices）

Arm Cortex-M4F 处理器具有高达 52 MHz 的性能和 512 KB 带纠错码 (ECC) 的内置闪存，提供可选的 4 KB 缓存以降低活动功率和 128 KB 的系统 SRAM 奇偶校验。 ADuCM4050 具有加密硬件，支持高级加密标准 (AES)-128 和 AES-256 以及安全哈希算法 (SHA)-256 和以下模式：电子码本 (ECB)、块加密 (CBC)、计数器 (CTR) , 和块加密 (CCM/CCM)。

图 7：ADXL356 振动传感器的框图（图片：Analog Devices）

振动传感器是带有低噪声微机电系统 (MEMS) 加速度计的 Analog Devices ADXL356（图 7）。该 IC 在 –40°C 至 125°C 范围内提供出色的长期稳定性。博世 BMM150 三轴磁场传感器提供高精度和动态的绝对空间方向和运动矢量。

英飞凌科技的 IM69D130 是一款高性能数字 MEMS 麦克风，它采用英飞凌的双背板 MEMS 技术，提供 105 dB 的动态范围和高达 130 dBSPL 的输出线性度（图 8）。结果是水晶般清晰的音频信号、更长的接收距离以及对轻柔和响亮信号的敏感度 - 从耳语到摇滚音乐会。

图 8：IM69D130 数字麦克风（图片：Infineon Technologies）

平台中使用的温度传感器是 ADI 公司的 ADT7410，精度为 ±0.5°C，分辨率为 16 位。它测量的温度范围为 –55°C 至 150°C。

该板通过加密狗和 ADI 公司的 LTC5800 通过 SmartMesh 网络提供数据共享和管理。 LTC5800-IPM 片上系统采用 Dust Networks 的高度集成、低功耗无线电设计和 32 位 Arm Cortex-M3 微处理器，允许运行 SmartMesh IP 网络软件。集成到电路板中的 LTC5800-IPM SoC 具有一个芯片功率放大器 (PA) 和收发器，因此只需使用匹配电路将电源、晶体和天线去耦即可创建一个完整的无线节点。

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