机器状态监控让工厂保持运转

1901 年，Ransom E. Olds 获得了连续移动装配线的想法的专利，他用它来制造第一辆奥兹莫比尔汽车。 1913 年，亨利福特通过添加移动传送带改进了这一概念，通过这两项创新，组装汽车所需的时间从 1.5 天缩短到 1.5 小时。现代化的装配工厂诞生了。

在接下来的四年里，移动生产线的想法被许多行业采用，从收音机到剃须刀，从时钟到婴儿床，从钉子到报纸。二战期间，美国使用移动生产线制造了 300,000 架飞机。这一理念成为全球制造业的支柱，并且仍然是向大众市场提供产品的主要方式。

用于组装工作的工具和机械是任何生产线中最关键的部分。在 1950 年代，工厂设备的可靠性已成为运营的重要组成部分。如果一台机器停止工作，整条生产线将关闭，直到可以进行维修。闲置的机械和装配工降低了效率并影响了成本。维护变得很重要。

在整个 20 世纪后半叶，大多数工厂维护都包括定期的定期维护。这提高了机器的可靠性和使用寿命，但无助于工厂操作员预测和避免任何设备故障或计划外停机。在过去的二十年中，机器状态监测已成为工厂运营的重要组成部分。有时被称为智能工厂、工业物联网 (IIoT) 或工业 4.0，工厂正在添加传感器和分析系统，以密切关注制造设备的健康状况。

状态监测是为设备配备传感器的过程，该传感器可以识别表明即将发生故障或故障的显着参数变化。这些系统寻找两件事。第一：机器是否在其设计参数之外运行，需要快速响应？第二：预测机器何时需要维护、维修或更换的关键参数的长期趋势是什么。

工厂电动机

工厂中最普遍的机器之一是电动机。据估计，当今全球的制造工厂中有 3 亿台电机在运行。它们提供在工厂中制造、组装和移动产品的能力。单个电机的故障会导致生产线停止运转，每小时损失 10,000 美元。状态监测传感器和分析可以对问题进行早期预警。快速处理这些问题可以降低维护成本、减少工艺流程中断并提高设备操作员的安全性。

任何电机的健康状况都可以通过监测三个运行参数来确定：

• 振动 — 用加速度计测量。

• 温度——使用接触式温度传感器测量。

• 电流 — 使用电感式或分流式电流传感器测量。

加速度计提供有关电机机械健康状况的数据。温度传感器提供有关机械和电气健康状况的数据，而电流传感器则着眼于电气健康状况。传感器还可以提供有关连接到电机的设备和工具状况的数据。

加速度计

所有旋转电机都有一个由轴承悬挂并以各种速度旋转的电枢。电枢是平衡的，以便在旋转时不会振动。但是，不平衡或损坏的电枢会产生可能影响轴承的振动。如果振动处于与电机相连的其他设备的共振频率下，则损坏可能是严重而迅速的。电机的振动频率与电机的 RPM 一致，通常在几赫兹到 4 kHz 的范围内。加速度计适合测量这些振动。

加速度计还用作接触式麦克风，用于监听来自润滑已耗尽的轴承的高频噪音（尖叫声）。这些频率范围从 5kHz 到 15kHz。压电加速度计之所以能很好地工作，是因为它们具有宽广的频率响应，可以通过单个设备覆盖两个频率范围。

通常，使用快速傅里叶变换 (FFT) 来分析信号。 FFT 数据显示了每个振动频带及其强度。图2为典型电机的固有振动频率和振幅。

新电机的固有振动频率被记录下来并用作基线，以便与电机生命周期后期采集的数据进行比较。如果这些测量值与原始数据保持在同一范围内，则电机处于良好状态。如果频率或强度开始随时间变化，则表明电机部件磨损，故障可能迫在眉睫。因此，可以在故障发生之前安排维修。这消除了灾难性的生产线停机并提高了制造效率。

图 3 显示了 TE Con​​nectivity 传感器业务部的 8911 型振动传感器。它包含一个压电加速度计和一个微控制器，可将 FFT 转换为客户需要的格式。此外，该传感器由电池供电，并通过 LoRa 频率无线传输数据。这消除了硬接线。该传感器可以通过粘合剂、安装螺柱或磁性底座轻松安装到电机上。无需布线，安装简单，传感器可以在极短的时间内以极低的成本从开箱即用到全面运行。

温度传感器

受高温影响最大的电机的两个部分是轴承和定子绕组。为了有效，测量这些参数的传感器必须与感兴趣的电机部件紧密物理接触，因此电机应用通常需要独特的设计。

在运行中，电机轴承通常在 60° – 70°C (140° – 160°F) 之间运行。正确加载和润滑后，轴承可以具有极长的使用寿命。最常见的问题发生在润滑剂因泄漏而消失或因环境过热而失效时。这些故障模式可能会在相当长的运行周期内发生——数千小时。随着润滑剂的耗尽，轴承温度开始上升，并且可以通过温度传感器和分析软件轻松跟踪。

图 4 显示了一个弹簧加载的 NTC 或 RTD 型温度传感器，该传感器设计为与外轴承座圈直接接触。这种安装提供最准确的温度测量。轴承座的设计必须能够容纳温度传感器并提供接近轴承的通道。

温度传感器也用于测量定子电气绕组的温度。这些是产生磁场以推动电枢旋转的线圈。如果这些绕组因冲击或腐蚀而损坏，则导线的电阻会增加，并且它们的传导电流能力会降低。这会导致受影响的电线发热。它们可能会达到会熔化绝缘材料甚至引起火灾的温度。

图 5a 和 5b 显示了内置于电机定子绕组中的温度传感器（TE Con​​nectivity Sensors Business Unit）。传感器成为设备的永久组成部分。

与振动传感器一样，测量和记录初始工作温度。随着时间的推移，温度会定期测量并与基线进行比较。如果温度开始偏离正常值，则表明轴承存在机械问题或定子绕组存在电气问题。同样，可以在发生重大故障之前安排维护，防止意外停机。

电流传感器

虽然振动和温度传感器可以报告电机的物理健康状况，但电流传感器可以检查其电气健康状况。电流传感器有两种基本配置：分流或电感设计。每个都有优点和缺点。电机消耗的电流量受许多因素影响：外加电压、电机速度、电机轴上的负载以及电枢电刷的状况。超出范围的电流可能表示电源电压问题、定子或电枢绕组短路、电刷磨损或附加工具问题。

分流电流传感器是一个非常低值的功率电阻器，与电机的电力线串联放置。电阻上产生的电压与流过它的电流成正比。使用欧姆定律 (I =E/R) 并知道电压和电阻值，就可以计算出电流。分流器用于需要非常高精度的地方或高频无刷电机。图 6 为分流传感器原理图。

电感式电流传感器在电源线周围使用高介电常数环。通过导线的电流会在环 (Bin) 中感应出磁场。嵌入环中的霍尔效应传感器测量磁场，并通过环绕环的放大器和线圈感应反向磁场 (BF) 以抵消 Bin。产生 BF 场所需的电压是输出信号。两个磁场的净效应将在霍尔传感器上显示为零场。电源线中的电流越高，BF 电压就必须越高。 （见图7）

超越马达

通常，还可以监测连接到电机的设备的健康状况。图 8 显示了使用多槽旋转刀具将平面加工成工件的铣床示例。旋转刀具的状况对切削作业的质量非常重要。刀具上的凹槽越锋利，切割越精确，成品表面越好。随着每个长笛进行切割，电机电流增加以提供所需的功率。锋利的长笛需要较少的力量来切割金属。沉闷的长笛需要更多的力量。

通过监测这台铣床的电机电流，可以判断刀具上哪些槽是锋利的，哪些是钝的，需要修磨。

状态监测对 IIoT 的贡献

从生产线的发明到它引发的工业革命，无数的技术创新推动了制造业的进步。在过去的 70 年里，工厂的平均生产力每年提高 2.8%。电动工具、注塑成型、取放设备、自动测试和机器人等技术都做出了贡献。如今，机器状态监测也加入其中。成功的状态监测始于工厂机器上的传感器不断报告其健康和运行数据。通过使用实时分析，工厂操作员可以识别问题点并安排所需的维修和维护，而无需等待灾难性故障。这将为制造业带来生产力提升。然而，这一切都始于传感器。

本文由 TE Con​​nectivity Sensor Solutions - TES（瑞士沙夫豪森/宾夕法尼亚州伯温）销售和营销支持高级经理 Pete Smith 撰写。欲了解更多信息，请联系 Mr. Smith，此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问这里 .