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工業(yè)4.0盲點(diǎn)二：只重其形，不得要義

本文作者：任苙萍點(diǎn)擊： 2018-12-24 08:10

前言：

＂預(yù)知保養(yǎng)＂防患未然，復(fù)合式檢測相得益彰

工業(yè) 4.0 促使智慧機(jī)械趁勢而起，坊間已出現(xiàn)可依感測數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)定的工具機(jī)產(chǎn)品，另有鑒于塑料射出成型對溫度、壓力變化非常敏感，造成良率下降，臺灣廠商如全立發(fā)、百塑等亦開發(fā)智能型射出成型機(jī)，可監(jiān)測環(huán)境及制造狀態(tài)，并用以調(diào)整工藝參數(shù)。然而，臺灣科技大學(xué)機(jī)械工程系助理教授劉孟昆提出一個(gè)反思：精密傳感器代價(jià)高，且數(shù)據(jù)的收集、儲存、管理、聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用軟件皆是成本；如果業(yè)界僅單純想解決機(jī)械本身的問題，真需如此大費(fèi)周章？他認(rèn)為，＂過于注重工業(yè) 4.0 架構(gòu)而忽略產(chǎn)業(yè)真正需求，并不恰當(dāng)＂；必須洞悉產(chǎn)業(yè)特性，且基于足量且多樣化的數(shù)據(jù)建立演算模型，才能發(fā)揮效益。

照片人物：臺灣科技大學(xué)機(jī)械工程系助理教授劉孟昆

設(shè)備維護(hù)三層次：事發(fā)、預(yù)防、預(yù)知

劉孟昆指出，交流感應(yīng)馬達(dá) (Induction motor)、水泵等設(shè)備有配重限制，運(yùn)轉(zhuǎn)速度一快就會(huì)振動(dòng)；當(dāng)偵測到異常，可適時(shí)降速。但他強(qiáng)調(diào)，這是治標(biāo)不治本的作法，設(shè)備的維護(hù)、故障排除與節(jié)能考慮其實(shí)打從設(shè)計(jì)、組裝就開始。設(shè)備機(jī)臺的維護(hù)有三個(gè)層次：
1. 事發(fā)修復(fù) (run to failure)——由事件驅(qū)動(dòng)，等設(shè)備故障才設(shè)法改善或重新設(shè)計(jì)以延長使用壽命；
2. 預(yù)防保養(yǎng) (preventive maintenance)——可依循時(shí)間周期或設(shè)備狀態(tài)驅(qū)動(dòng)；
3. 預(yù)知保養(yǎng) (predictive maintenance)——架構(gòu)于預(yù)防保養(yǎng)上，配合生產(chǎn)工藝條件建立可預(yù)測異常失效的模型、預(yù)先規(guī)劃修正措施，在故障初期即可借微小變異預(yù)估設(shè)備剩余壽命并量化成本效益。

以構(gòu)造簡單、成本低廉、應(yīng)用廣泛的感應(yīng)馬達(dá)為例，正確的預(yù)知保養(yǎng)并排除設(shè)備的初期故障，可節(jié)省 5～20% 能耗。劉孟昆指出，理論上，馬達(dá)接近全載時(shí)效率最高，但實(shí)務(wù)上基于可靠度起見，寧可讓多臺馬達(dá)以 50% 效率同時(shí)平行運(yùn)轉(zhuǎn)，意謂有半數(shù)能源將被浪費(fèi)！據(jù)估計(jì)，感應(yīng)馬達(dá)在工業(yè)用電占比達(dá) 70%、占全國總用電量 40%，全天候開啟的能耗可觀；雖說馬達(dá)初期置換效率可提升三成左右，但現(xiàn)今馬達(dá)多半已是 IE3 或 IE4 級別，升級效率不到 5%。假如處于＂半載運(yùn)轉(zhuǎn)、但振動(dòng)未達(dá)極限值＂，效率會(huì)更低；且只量測振動(dòng)無法評估設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效能，須借助預(yù)知保養(yǎng)、依設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)。

圖1：不同階段之設(shè)備生命周期的維護(hù)重點(diǎn)
資料來源：聆特科技提供

此外，平行運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組故障的時(shí)間點(diǎn)相近

，越早預(yù)知狀態(tài)、計(jì)算效率，以便及時(shí)修護(hù)或置換，越有助于備料、估算排程并避免額外損失，偏偏早期振動(dòng)信號的微幅上升難以察覺——機(jī)臺剛裝機(jī)時(shí)因不可避免的磨耗，故障率最高，中段進(jìn)入穩(wěn)定期，但經(jīng)過歲月洗刷后，故障機(jī)率又會(huì)變高；唯有預(yù)知維護(hù)才能減少無預(yù)警停機(jī)。劉孟昆表示，預(yù)知保養(yǎng)的檢測技術(shù)眾多、莫衷一是，無法一招行遍天下，各家互有長短、相輔相成。其中，＂振動(dòng)特征分析＂常用于檢知機(jī)械運(yùn)作，目前業(yè)界大多參考ISO 10816，對于不同的設(shè)備功率及基座安裝型式，訂有對應(yīng)的振動(dòng)速度方均根值上限及安全等級。

振動(dòng)診斷：振動(dòng)量測 vs. 頻譜分析
典型作法是由廠務(wù)設(shè)備人員以手持式振動(dòng)量測儀定期巡檢，觀測振動(dòng)加速度或速度振幅的方均根值 (RMS) 是否有成長趨勢？是否超出訂定的閥值極限？此法可以概括的得知機(jī)臺的整體狀態(tài)，但無法進(jìn)一步確認(rèn)故障的成因，且無法預(yù)測突發(fā)式的故障。另一個(gè)方法是觀測振動(dòng)頻譜，更能辨識問題環(huán)節(jié)；也有人會(huì)在機(jī)臺安裝多個(gè)加速度計(jì) (Accelerometer) 量測，然后從廠務(wù)端拉線至中控臺、收集數(shù)據(jù)，但缺點(diǎn)是：硬件需求大、通信成本高、須慎選量測點(diǎn)位置并排除環(huán)境嘈雜的干擾因素。

圖2：常見的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)異常頻譜
資料來源：劉孟昆提供

振動(dòng)頻譜分析在操作上常遇到的困境是：量測多少會(huì)干擾制造工序或現(xiàn)場工作，需要作業(yè)人員的配合，但現(xiàn)場人員對于頻譜分析未必有經(jīng)驗(yàn)；當(dāng)然，也能選擇委托專業(yè)服務(wù)商處理，惟由于須長期監(jiān)控，委外代價(jià)恐不小。最重要的是，這些消極方式僅能檢測會(huì)隨時(shí)間惡化的故障情形，無法應(yīng)對突然跳機(jī)或已進(jìn)入故障／失效末期、須立即處置者，且異常信號易受干擾、數(shù)據(jù)分析需要專業(yè)奧援。于是，業(yè)界試圖從量測＂電信號＂、冀透過＂電壓／電流特征分析＂和以此為基礎(chǔ)的物理模型診斷設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)為可直接從中央控制端擷取數(shù)據(jù)、省下設(shè)備端部署成本。感應(yīng)馬達(dá)電信號診斷的相關(guān)規(guī)范，在 ISO 20958 中有明確定義。

劉孟昆表示，高溫、高壓、粉塵皆容易引發(fā)傳感器、致動(dòng)器零部件或設(shè)備機(jī)構(gòu)故障，可能是漸進(jìn)、突然、間歇性發(fā)生，假如觀測時(shí)間不夠長，很難從設(shè)備端擷取信號解析；因此，他主張以＂電流特征分析＂對轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)控，一旦檢知設(shè)備的異常情形，再輔以現(xiàn)場設(shè)備的＂振動(dòng)量測＂或＂頻譜分析＂進(jìn)行確認(rèn)。電流特征分析的運(yùn)作方式為：機(jī)臺振動(dòng)時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙會(huì)改變，進(jìn)而改變電流值；一旦軸承損壞，會(huì)反應(yīng)到轉(zhuǎn)子、再到電流。電信號十分敏感，且可估算能耗并回推電流負(fù)載率，監(jiān)測供電品質(zhì)。目前提供馬達(dá)電流診斷服務(wù)的有聆特科技等廠商。不過，信號式終究只能檢驗(yàn)設(shè)備機(jī)械異常，無法具體顯示異常狀況與能耗間的關(guān)系，用以維持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率；若欲獲悉更明確的信息或是早期預(yù)警，須輔以模型式診斷。

圖3：馬達(dá)異常可由振動(dòng)或電信號診斷
資料來源：聆特科技提供

電流特征＋建立模型＋巡檢定位，多方會(huì)診
一般而言，故障檢知層次越高、成本也越高，從低階到高階分別是：
1. 偵測 (Detection)：僅知故障，卻不知是何種類型；
2. 區(qū)隔 (Isolation)：能大致區(qū)分，但無法精確列示；
3. 辨別 (Identification)：確認(rèn)是哪個(gè)組件出錯(cuò)；
4. 預(yù)測 (Prediction)：預(yù)知即將故障；
5. 校正 (Correction)：根據(jù)預(yù)測結(jié)果自動(dòng)更正、不需人為介入，真正達(dá)到＂智慧機(jī)械＂境界，即使經(jīng)驗(yàn)傳承一時(shí)青黃不接，也不會(huì)完全束手無策。

使用電流輸出殘差值、系統(tǒng)模型參數(shù)變異和輸出頻譜特征可檢知異常；而經(jīng)由推算定額電壓下的理想電流輸出，將它與真實(shí)電流值相減可排除電源諧波等噪聲干擾，提升預(yù)測準(zhǔn)確率、減少預(yù)警誤報(bào)。電壓、電流亦可與振動(dòng)檢測并行不悖，前者用以做連續(xù)性監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)異常后，再用手持式設(shè)備定位確認(rèn)，遠(yuǎn)較在各機(jī)臺安裝許多加速度計(jì)更為實(shí)際。

順帶一提，＂電流特征分析＂可診斷機(jī)械和電性異常，亦可逆向從齒輪等機(jī)械規(guī)格反推正常頻譜落點(diǎn)范圍，可檢知的項(xiàng)目包括變頻器輸出的供電質(zhì)量是否異常 (諧波失真率)、對心不良、軸承損壞、底座松脫、轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡、氣隙偏心等。最后，劉孟昆還提到＂產(chǎn)學(xué)落差＂隱憂：學(xué)界未必熟稔領(lǐng)域知識、有能力解決工廠跳機(jī)問題；當(dāng)擷取的數(shù)據(jù)量不足或是沒有足夠的多樣性，則會(huì)造成分析上的困難，且架設(shè)傳感器及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)又會(huì)造成成本增加。這些，都是投身工業(yè) 4.0 不得不正視的議題。

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