本教程探討了增加正常運行時間的各種注意事項以及它們?nèi)绾斡绊懙拙€。這些包括工業(yè)設(shè)施的維護方法，例如工廠、商業(yè)設(shè)施、發(fā)電廠或其他安裝，在這些設(shè)施中，適當(dāng)?shù)木S護方法可以防止災(zāi)難性故障。但是，保持底線需要更多。還必須考慮可靠性、安全性、功耗、故障檢測和正確設(shè)計的設(shè)備，以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

介紹

如果您從事過商業(yè)或行業(yè)，您以前聽說過：最大化投資回報率 （ROI） 以保持您的業(yè)務(wù)健康和增長。這是一個簡單的目標(biāo)，但實現(xiàn)起來并不容易。為了最大限度地提高投資回報率，工業(yè)設(shè)施必須保持 24/7/365 的最大容量運行?！罢＿\行時間”現(xiàn)在是口頭禪，是功績因數(shù)。云服務(wù)器和關(guān)鍵軍事安全系統(tǒng)不僅必須滿足“五個9”或“六個9”（“五個9”意味著99.999%的可用性，相當(dāng)于每年約5分鐘的停機時間），而且這是現(xiàn)在對工廠，商業(yè)設(shè)施，發(fā)電廠以及任何設(shè)施的期望，其中資本投資和社區(qū)的需求使所有者和運營商努力在最大容量下實現(xiàn)最長的正常運行時間。

停機是生產(chǎn)力和收入的損失

我們都聽過“時間就是金錢”這句話。對于工業(yè)設(shè)施來說，這是前所未有的真實。工廠的意外停機可能代價高昂，因為產(chǎn)出損失會對收入產(chǎn)生直接的負(fù)面影響。此外，如果重新啟動的生產(chǎn)線不能立即生產(chǎn)符合規(guī)格的輸出，意外的工廠關(guān)閉可能會導(dǎo)致在制品 （WIP） 丟失、資源浪費以及潛在的未來損失。1一些生產(chǎn)設(shè)施在重新啟動后需要幾天時間才能穩(wěn)定下來，然后輸出產(chǎn)品才有資格發(fā)布。如果停機是由于災(zāi)難性故障造成的，則可能會造成間接的環(huán)境污染、附帶損害、法律后果、傷害甚至生命損失。

在離散制造中，單個項目在生產(chǎn)線上組裝或制造。這可以包括從手機到汽車的任何東西。當(dāng)然，其中一些生產(chǎn)線移動得非?？?，因此正常運行時間至關(guān)重要。

公共設(shè)施的停機可能導(dǎo)致不同但類似的有害后果。一個機場在照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障時關(guān)閉，將對成千上萬的人造成極大的破壞。

設(shè)備維護 — 使正常運行時間達到 100%

因此，毫不奇怪，今天，作為工業(yè)設(shè)施的運營商和這些設(shè)施的顧客，我們期望100%的正常運行時間。為了增加正常運行時間并最大限度地提高生產(chǎn)效率，必須選擇可靠性最高的設(shè)備并實施適當(dāng)?shù)木S護計劃，以保持設(shè)備以最佳性能運行。

工業(yè)通常使用各種方法進行設(shè)備維護。

反應(yīng)性維護或“運行到故障”提供最低的初始成本?；旧希瑳]有精力進行維護;設(shè)備只是運行，直到發(fā)生故障。雖然這聽起來可能被誤導(dǎo)，但它在無法維護或成本過高的應(yīng)用中占有一席之地，并且故障模式是可預(yù)測和預(yù)期的。具有低關(guān)鍵性的系統(tǒng)、某些冗余系統(tǒng)或不太可能發(fā)生故障的系統(tǒng)適用于此方法。

預(yù)防性維護是許多安裝中使用的標(biāo)準(zhǔn)方法，但它被證明是最昂貴的方法之一。盡管如此，它也有它的位置。這種方法只是基于使用時間、運行時間，甚至更粗略地基于自上次維護活動以來的日歷時間。一個典型的例子是汽車和里程的使用來確定何時更換機油。這種方法沒有考慮到一些汽車比其他汽車經(jīng)歷的惡劣駕駛條件少得多的事實。在大多數(shù)駕駛場景中，很有可能更換機油的時間比必要的要早——浪費時間、機油和金錢。我們接受這筆費用作為“保險單”，并且由于缺乏指示何時真正需要更換石油，因此物有所值。話雖如此，在許多情況下，設(shè)備（及其相關(guān)潤滑劑）可以預(yù)見地磨損或損壞。侵蝕和其他材料特性變化有時可能與服務(wù)時間直接相關(guān)，或者只是與老化有關(guān)。在這些情況下，需要預(yù)防性維護。2

預(yù)測性維護 （PdM） 或基于狀態(tài)的維護 （CbM） 在故障通常是隨機的或難以預(yù)測磨損率時有效。這兩種方法都基于跟蹤條件隨時間的變化。在大多數(shù)情況下，這兩種方法都比預(yù)防性維護更有效，可以增加正常運行時間，同時隨著時間的推移成本更低。然而，實施的前期成本更高，因為需要更多的人力和設(shè)備資源來收集機器狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為有用的信息。

連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測 （CCM） 使用永久安裝的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 來提供終極保護并確保正常運行時間。實施該計劃的額外設(shè)備成本和相關(guān)的培訓(xùn)或合同費用相當(dāng)于相對較高的初始設(shè)置成本。回報來自于防止意外的設(shè)備故障。CCM 通常是最佳方法，其中故障在時間上是隨機的，并且可以安裝傳感器來檢測狀態(tài)變化，從而提供計劃停機所需的警告。

主動維護是一種前瞻性的維護理念。這種方法的核心是使用從維護歷史中學(xué)到的知識。通過專注于故障根本原因分析，可以進行更改以減少未來的維護需求。這里的目標(biāo)是最終改善設(shè)備或其操作環(huán)境，以便盡可能防止故障。

自我維護是最有前瞻性的方法?，F(xiàn)在機器或系統(tǒng)自我監(jiān)控;它可以自行診斷并可以自我校準(zhǔn)以繼續(xù)運行，直到方便停機。這種方法要求設(shè)備具有先進的智能化;自我監(jiān)控更多功能;并能夠閉環(huán)以自動和適當(dāng)數(shù)量地實施調(diào)整。最后，設(shè)備必須能夠檢測到這些自動調(diào)整范圍何時達到其極限，此時機器要求維護，并分配一些時間進行響應(yīng)。自我維護的結(jié)果顯然是更長的正常運行時間。這些系統(tǒng)已經(jīng)在一些設(shè)備上安裝到位。例如，高端汽車現(xiàn)在可以根據(jù)感知真實機油狀況來指示發(fā)動機油的狀況，而不僅僅是監(jiān)控發(fā)動機運行時間的記錄。對于更多的工業(yè)設(shè)備來說，這些功能的額外成本是合理的，這只是時間問題。

以可靠性為中心的維護 （RCM） 借鑒了上述所有維護類型，并意識到不同的方法適用于特定安裝中的不同設(shè)備和不同用途。這里的重點是維護方法的最佳組合，以最大限度地提高工廠效率。

可靠性、穩(wěn)健性、安全性和安全性的重要性

設(shè)備維護并不是工業(yè)正常運行時間的全部，也不是隨之而來的底線改進的全部。在某些情況下，維護操作的成本并不是推動正常運行時間決策的因素。例如，在釀造或制藥等批處理過程中，可以在批次之間進行維護。然而，對于一個過程來說，在批次中間下降可能是非常昂貴的，或者更重要的是，很危險。此時，安全監(jiān)控設(shè)備和故障安全系統(tǒng)對于系統(tǒng)正常運行時間變得至關(guān)重要。

在生產(chǎn)設(shè)施中，設(shè)備可能暴露在許多常見的環(huán)境條件下：高壓瞬變、電纜損壞、修改或維修期間的接線錯誤、極端溫度、苛刻的電磁干擾 （EMI）/射頻干擾 （RFI）、腐蝕性或爆炸性環(huán)境、高振動、濕度和灰塵。如果這些條件損害了設(shè)備傳感器和傳感器信號調(diào)理電子設(shè)備的精度，則可能會出現(xiàn)錯誤的讀數(shù)或錯誤的控制信號。這充其量會導(dǎo)致較差的結(jié)果，最壞的情況是災(zāi)難性的失敗。這些問題顯然超出了正常的設(shè)備維護范圍。

在無法證明冗余系統(tǒng)的工業(yè)環(huán)境中，必須設(shè)計高可靠性系統(tǒng)。在設(shè)備設(shè)計和開發(fā)過程中，可以使用FMEA（故障模式影響分析），F(xiàn)MECA（故障模式影響和臨界分析）或FMEDA（故障模式影響和檢測分析）來確保預(yù)測所有故障模式。3FMEA 的通過結(jié)果確認(rèn)系統(tǒng)檢測、正確響應(yīng)并降低系統(tǒng)中每個可能故障的嚴(yán)重性。IEC 61508等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也適用于用于執(zhí)行安全功能的設(shè)備，例如一些可編程邏輯控制器（PLC），用于在檢測到問題時監(jiān)控和關(guān)閉危險過程。這些要求通常會導(dǎo)致額外的電子設(shè)備來監(jiān)控原始信號路徑或電源系統(tǒng)。這對于可靠性、魯棒性、安全性和安全性都有好處，但這種增加的電路加劇了縮小尺寸、降低功耗并最終簡化設(shè)計這一始終存在的挑戰(zhàn)。

自監(jiān)控電路延長工業(yè)正常運行時間

通過在IC上實現(xiàn)自我監(jiān)控功能，新器件可以標(biāo)記問題，以提醒系統(tǒng)發(fā)生異常。對這些警告的響應(yīng)由系統(tǒng)程序員或操作員自行決定，但至少捕獲了有關(guān)事件的數(shù)據(jù)。此外，新的電源管理IC可以盡可能降低功耗。這些高度集成解決方案的參考設(shè)計縮短了快速上市所需的設(shè)計時間。讓我們考慮一些例子。

示例：低功耗工業(yè)數(shù)字輸入串行器

當(dāng)今的一個常見問題是，數(shù)字輸入模塊必須消耗大量功率才能處理24V信號電平。當(dāng)試圖縮小這些模塊時，外殼中耗散的功率會導(dǎo)致熱量積聚，從而限制最大工作溫度范圍。同時，如果設(shè)備放置在機器附近，則需要較高的工作溫度范圍。反過來，這需要更低功耗的解決方案。

MAX31911工業(yè)、八通道、數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換器/串行器與傳統(tǒng)的分立電阻分壓器方法相比，可將輸入模塊的功耗降低多達60%。它符合 IEC 61131-2 PLC 標(biāo)準(zhǔn)，適用于數(shù)字輸入類型 1、2 和 3。它對八個輸入進行串行化，并將其轉(zhuǎn)換為CMOS兼容的5V電平?？烧{(diào)低通濾波可實現(xiàn)靈活的去抖動。串行SPI輸出減少了光耦合器的數(shù)量，從而進一步降低了功耗、尺寸和成本。為了確保SPI接口上的有效數(shù)據(jù)，每8位數(shù)據(jù)生成一個CRC代碼。類似的器件MAX31910采用先進的技術(shù)提供更低的輸入功率。與已經(jīng)很低的MAX40相比，該器件的功耗降低了31911%。

對于超過31910路輸入的系統(tǒng)，多個MAX31911和MAX1可以很容易地菊花鏈連接。圖16所示為采用兩個MAX31911的<>通道方案。請注意，無需額外的隔離通道或SPI芯片選擇。

圖1.在菊花鏈配置中，用于增強EMC魯棒性的外部元件不需要為電路板上的每個器件復(fù)制。此處顯示了一個16輸入應(yīng)用電路。

對于任何并行輸入到串行輸出系統(tǒng)，第一個問題是，“在保持有效數(shù)據(jù)和吞吐量的同時，它能以多快的速度對輸入通道進行采樣？最快的模式是選擇無去抖動。在0s去抖動時，沒有濾波，因此1個內(nèi)部比較器的輸出被鎖存到片選（）下降沿的串行器中。此后的每個時鐘邊沿將輸出對應(yīng)于每個輸入的 1 位。在這種情況下，速度受到8MHz輸入帶寬的限制，因此以1MHz時鐘串行器將提供每通道8Mbps的吞吐量（在32位模式下）。如果為32輸入應(yīng)用以菊花鏈方式連接四個芯片，則串行器的最大時鐘速度將限制吞吐量。這是因為以25MHz的最大SPI時鐘速率從串行器中輸出25位，每個通道的吞吐量為32MHz/0 = 8.1Mbps（而不是上一個示例中的<>Mbps）。如果啟用篩選，吞吐量將進一步受到使用的去抖動時間的限制。CS

為了支持工業(yè)應(yīng)用，MAX31911在所有現(xiàn)場輸入端內(nèi)置±15kV ESD高保護（HBM），額定工作結(jié)溫高達+150°C。它采用 6.5mm x 9.8mm x 1.1mm 28 引腳 TSSOP-EP 封裝。

示例：安全協(xié)處理器和安全身份驗證器

互聯(lián)網(wǎng)連接工業(yè)設(shè)備的趨勢提供了許多好處，但增加的安全風(fēng)險是真實的。事實上，網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)是對正常運行時間和底線的真正威脅。

新的安全解決方案需要提供硅級、基于標(biāo)準(zhǔn)的加密、身份驗證和安全密鑰存儲，不需要人工遵循復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理規(guī)則和程序來維護設(shè)施防火墻。Maxim Integrated的新解決方案可防止未經(jīng)授權(quán)的通信，并對暴露在IC外部的通信進行加密。他們積極應(yīng)對一長串的物理和電氣攻擊。大大降低了惡意軟件感染的風(fēng)險、加密密鑰被盜的風(fēng)險以及克隆授權(quán)設(shè)備的風(fēng)險。這些經(jīng)過驗證的解決方案已在自動取款機和銷售點 （POS） 終端中使用多年，成功保護了金融交易和個人身份。有了這些內(nèi)置的安全設(shè)備，入侵系統(tǒng)幾乎是不可能的。

我們可以研究由兩個IC組成的新型SHA-256認(rèn)證方案：用于主機的安全協(xié)處理器DS2465和用于從器件的DS28E15 1-Wire SHA-256安全認(rèn)證器。它們通過單線通信，并啟用質(zhì)詢/響應(yīng)身份驗證過程。該算法拒絕任何未計算正確結(jié)果的新連接模塊;計算正確結(jié)果的唯一方法是知道內(nèi)部密鑰。主站和從站都需要在哈希算法中使用此密鑰以及隨機數(shù)質(zhì)詢。如果質(zhì)詢和響應(yīng)結(jié)果不相同，則身份驗證失敗，并且新連接的設(shè)備無法通信。?

DS2465內(nèi)置1-Wire主機，用于處理1-Wire總線時序。它還為用戶提供EEPROM和經(jīng)過加密行業(yè)審查的SHA-256哈希算法，因此系統(tǒng)主機處理器無需承擔(dān)這些任務(wù)。一個簡單的I2C接口將其連接到主機。1-Wire IO線路具有高±8kV ESD保護（HBM），器件額定工作溫度范圍為-40°C至+85°C。 它采用小型 4.0mm x 4.45mm x 1.5mm 6 引腳 TSOC 封裝。

DS28E15結(jié)合了基于FIPS180-3安全哈希算法（SHA-256）的安全質(zhì)詢和響應(yīng)認(rèn)證。它具有512位用戶EEPROM，額外的安全存儲器保存密鑰。每個器件都有一個唯一的 64 位 ROM ID 號，出廠編程到芯片中。沒有兩個設(shè)備是相同的。安全、低成本的工廠服務(wù)可用于對設(shè)備數(shù)據(jù)進行預(yù)編程，包括機密（如果需要）。即使在合同制造環(huán)境中，也有各種不同的方法來完全控制機密。圖 2 顯示了實現(xiàn)的簡單程度。

圖2.DS2465 SHA-256協(xié)處理器和三個DS28E15安全從機的典型方案采用1-Wire總線。

在圖2中，每個從器件只需要嵌入一個DS28E15。連接到主機時，將啟動質(zhì)詢/響應(yīng)過程。只有當(dāng)從站計算出正確的結(jié)果時，模塊才會被允許與主站通信。

結(jié)論

在過程自動化、樓宇自動化和電機控制應(yīng)用中，迫切需要最大限度地延長正常運行時間，以幫助最大限度地提高利潤。這里討論的各種維護方法在這方面有所幫助。盡管如此，僅靠設(shè)備維護并不能讓工廠運營商實現(xiàn)最長的正常運行時間，也無法確保其運營的最佳安全性。

這就是設(shè)備設(shè)計師發(fā)揮重要作用的地方和方式。在為工業(yè)市場開發(fā)產(chǎn)品時，我們需要牢記正常運行時間、安全性和安保目標(biāo)。當(dāng)像上面討論的那樣高度集成的解決方案可供工業(yè)使用時，它們肯定會降低系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性、尺寸和功耗。最終，這些集成系統(tǒng)成為幫助我們的客戶增加正常運行時間不可或缺的一部分。這保護了底線。

審核編輯：郭婷