- 已发布 2025年2月28日
- 最后修改 2025年2月28日
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什么是状态监测？状态监测优势、状态监测原理和状态监测系统介绍
发布于2022年1月
将基于状态的监测纳入您的维护策略，将带来更高的生产效率并减少计划外的停机时间。
随着使用更多、更复杂的机器，状态监测在工业生产中的可靠性变得越来越重要。状态监测通过持续、无需检查的机器和系统的维护，为有效的预测性维护铺平了道路。通过这种方式，制造过程可以实现高性能，同时降低生产设备的整体成本。本文将向您展示如何实施状态监测。
什么是状态监测？
状态监测是指在工业生产中使用监测技术来监督机器和系统，及早发现错误并防止生产停机。传感器监控机器的各个参数，如振动和温度，并将结果报告给评估单元。这意味着可以在故障发生之前快速停止机器，希望能够在设备故障发生之前检测并纠正问题。状态监测主要应用于过程和制造工厂，特别是那些具有旋转或移动部件的机器，这些机器通常长时间运行，甚至连续运行。
预测性维护：始终领先一步
预测性维护并不是一个新概念，但它因工业4.0和工业物联网（IIoT）等技术的进步而加速发展。预防性维护以前是常见的维护方法，旨在通过定期维护保持机器的良好运行状态，以防止设备故障。
预测性维护的概念远远超出了这一点。预测性维护计划的目标是只在实际需要时进行维护。为了实现这一目标，使用数字传感系统来监控各种机器运行特性，如振动、热量和电流。利用这些状态数据，可以对何时需要进行干预以应对性能下降或磨损进行预测。预测性维护措施是基于这些预测启动的所有行动。
状态监测和预测性维护在各行业中扮演什么角色？
如今，许多行业全天候运行，并且不间断地以满负荷或接近满负荷运行，以实现成本效益。随着产能利用率的增加，需要更智能地维护机器，减少停机时间，并确保生产设施以高效和经济的方式运行。基于状态的监测是生产设施预测性维护中重要的工具之一。它以现代、数字化和通常自主的方式取代了经典的视觉维护检查，最大限度地利用机器，同时减少对日益紧张的维护团队的依赖。
只有配备传感器的监测技术才能实现基于过程和机器数据评估的预测性、无需检查的维护。这些数据收集器处理实时信息，这意味着您可以预测任何基于需求的维护，并在机器故障发生之前检测到它们。这有助于避免因意外故障导致的生产停机，从而节省成本。
除了数据收集、数字化和传输之外，关键焦点是存储、分析、评估以及某些故障模式和事件的预测计算。这就是云连接解决方案的完美之处，因为它们允许实时数据不断从传感器和监测网关流入分析工具，这些工具可以即时通知维护团队需要采取行动。
所有状态监测和预测性维护任务最终都会导致公司的成本优化和利润最大化。麦肯锡全球研究院关于物联网的一项研究表明，停机时间可以减少多达50%，维护成本可以减少多达40%。这相当于高达6300亿美元的节省潜力。
预测性维护与状态监测的优势：
- 精确的维护活动提前计划
- 减少维修工作
- 避免生产设施的意外故障
- 提高设备运行时间
- 延长设备的使用寿命
- 优化备件管理
- 更高效的人员管理
- 提高设备安全性
- 减少事故
状态监测工作原理
传感器可以以多种方式监控资产和机器，以尽早发现问题和错误来源。基于状态的维护传感器的关键特性包括：
- **振动分析和诊断：**振动传感器用于监控旋转机器上的轴和轴承。
- **检测液压油中的颗粒（油液状态分析）：**润滑油的成分可以用电子显微镜扫描。这使您能够确保机器的顺利运行，并及时订购新材料。
- **红外热监测（红外热成像）：**过度发热可能是部件故障的迹象，特别是电气电缆和接头。红外或热成像传感器可用于检测发热异常。
- **声学监测（超声波和声发射）：**数字超声波设备可以测量轴承上的高频信号，并将其评估为声学信号。这使得预测运动轴承中的摩擦和缺陷成为可能，这对于高速机械应用和高压流体尤为重要。
- **油液状态传感器：**传感器用于对油液成分进行光谱分析，以识别关键污染物。根据污染颗粒的类型，甚至可以确定原因并采取适当的对策。
传感器在状态管理中的应用
高效的状态监测需要通过传感器数据对机器及其各种物理组件进行监控。这可以包括振动、压力、温度和霍尔效应传感器，以及红外摄像头。
这导致了众多的应用可能性。我们列出了一些典型的例子：
- **叉车和注塑机：**传感器控制液压油的化学成分
- **离心机：**传感器监控旋转轴的振动、速度和转速，以在出现偏差时报告可能的故障
- **包装机：**状态监测使用压力和流量传感器来检查空气消耗、工作压力和伺服气动驱动系统轴的功能
- **往复式压缩机：**加速度和位移传感器测量十字头和气缸盖处的绝对振动以及任何材料磨损，例如支撑环上的磨损
- **冷却装置：**用于液体或气体介质的温度传感器提供测量值，以控制冷却回路中的温度
监控继电器的应用
这些继电器监控机器功能，并在检测到故障时触发断路器。
继电器常见的监控应用包括：
- 电压监控
- 相位监控
- 温度监控
- 电流监控
- 频率监控
- 速度监控
- 转速监控
- 带有热敏电阻的特殊继电器，用于覆盖电机温度
使用状态监测系统进行端到端监测
状态监测系统（CMS）不仅评估机器数据，还可以集中收集、对齐和检索任何终端设备上的数据。例如，公司可以为其员工提供关于个别机器状态（维护）、整个生产过程信息（过程管理）或故障原因和损坏统计评估（质量管理）的需求特定数据。除了机器数据外，您还可以集成建筑管理，并监控生产室的温度或安全门的状态，旨在系统地优化整个生产过程。
用于预测性维护的PLC编程软件
良好的编程软件是有效监控机器状态和评估通过PLC接口（可编程逻辑控制器）收集的数据的基础。 Schneider Electric的EcoStruxure Control™结合了物联网支持的自动化与开放的即插即用架构，集成在一个数字平台上。
主要特点：
- 所有IEC 61131语言（LD、IL、ST、SFC、FBD）和结构
- 可适应应用的多任务结构
- 易于使用XML、COM、DCOM进行导入/导出
- 调试、在线服务、SPS模拟器
- PL7和概念转换器
- 免许可库：PLCopen、Fuzzy、AGA等
无线CMS系统
通过工业物联网（工业4.0）增强的网络连接为工业企业的流程管理创造了新的可能性，例如生产工厂的端到端数字化、监控和评估（维护4.0）。
产品、流程和生产手段都配备了智能传感器并无线传输数据。这意味着电缆的任何损坏都不会影响数据评估，而且我们不再需要在凌乱的生产区域安装或铺设额外的电缆。配备无线技术的传感器可以直接安装在机器上，例如，将振动数据无线传输到评估单元。
监控未来：恰到好处，尽可能少
状态监测的使用程度是否值得升级，取决于公司想用实时数据采集做什么。机器和系统的完全电子控制以及建筑技术的成本很高，理论上，只有工业巨头才能获得回报。然而，中小型公司也不应该没有状态监测。相反，他们应该在适合他们的数据驱动框架内实施它，以便保持竞争力和面向未来。为了评估哪些机器或资产需要监控，我们将它们分为不同的类别。根据目的、停机时间和影响、维修工作、备件可用性、一般条件和安全方面，我们根据它们对生产过程的重要性进行优先级排序，并确定控制强度。然后，我们可以提出一个具有成本效益的个性化维护策略。
- **关键部件：**对生产过程不可或缺的机器应不断进行主动监控。
- **基本部件：**非关键机器很重要，但如果没有它们，生产过程仍然可以运行，可以进行状态监测。
- **标准部件：**对于常用且易于更换或维修的机器和部件，定期手动维护就足够了。
未来，远程源服务将发挥越来越重要的作用。随着系统变得越来越复杂，特定的故障排除知识也在增加。通过特殊应用，制造商可以直接评估监控系统检测到的错误，并在必要时远程自动解决。这进一步减少了监控工作，但需要第三方远程访问敏感数据。为了保护免受未经授权的访问，必须采取额外的IT安全措施。
在个别情况下，实施对公司来说是否真的值得，首先取决于安全级别。
整体设备效率是什么意思？
OEE（整体设备效率）是由日本工厂维护研究所实施的一项指标。这衡量了生产设备的附加值，并考虑了常见的生产力问题，如停机损失、功率损失和质量损失。OEE的计算以及其监控和改进是状态监控的一部分，与控制密切相关。它可以帮助分析相关的成本方面，如生产率、盈利能力和整体效率，并在考虑整个制造过程的情况下，使它们在公司整体层面上具有可比性。OEE值介于0和1或0%和100%之间。
OEE计算
OEE是生产设备附加值的百分比度量。计算方法如下：
利用率×效率×质量= OEE
- 利用率=运行时间/计划生产时间
- 效率=生产数量/计划生产数量
- 质量等级=完美产品/生产数量