经过深思熟虑的工业工厂运营和监控策略对于其安全和盈利运营至关重要。除了强有力的政策和程序外，对建筑物、操作设备、员工、物流的安保和安全的监控以及对任何新出现的问题的实时响应是可靠和成功工厂运营的核心。

“工业物联网”、“工业4.0”或简称“智能制造”是近年来出现的术语。这些反映了微电子和微加工的技术进步和突破，导致高性能、智能和具有成本效益的传感器的开发和采用。这些传感器为工业工厂的转型做出了巨大贡献。它们在生成和收集数据方面至关重要。传感器影响了工厂运营的每一步，并改变了有效制造的各个方面。

传感器是安全、高效和高产的工业工厂的基石。结合创新的软件解决方案，这些传感器支持数据收集和分析，使工厂更安全、更高效。操作员和技术人员可以评估和诊断工厂和设备的健康状况。由此，他们可以采取适当的措施来防止潜在的安全问题并最大限度地减少停机时间。

现代工业工厂是一项复杂的操作，公司通常会监控许多方面，以确保安全和高效的环境。工厂的实时监控和检测关键参数对于成功执行工厂战略至关重要。

最成功的最先进的智能工厂发现自动化、机器学习 （ML） 和人工智能 （AI） 是必不可少的构建块。这些模块通过监控流程、产品和资产来帮助工厂通过传感器收集数据。然后，他们首先分析数据，建立一个知识库，使工厂和机器能够做出及时合理的决策。然后，这些决策可以帮助提高效率、降低成本并提高生产力。图 1 显示了具有关键组件的现代工厂的框图。

图1. 工厂中的传感器收集和分析数据以支持合理的决策。

最新的创新传感器配备了机器学习功能，可以感知和分析许多参数，并从这项工作中做出明智的决策。

振动

保持设备运行对于保持工厂的最佳产量和生产率至关重要。

机器的振动监测可以提供有关其运行条件的关键信息。振动监测作为状态监测和预测性维护的一部分，可以通过早期检测和处理潜在问题来帮助最大限度地减少生产线停机时间。

操作员可以部署传感器来捕获振动数据。他们可以使用软件工具和分析方法（如快速傅立叶变换（FFT），首先通过分析设备振动的频率分量来建立操作基线。一旦定义，恒定振动传感和分析就可以检测异常。图2显示了振动监测中涉及的步骤金字塔。

图2. 振动监测金字塔突出了整个工厂机器学习模型开发的各个阶段。

像意法半导体这样的传感器供应商已经开发出可以捕获高达几千赫兹带宽的振动频率的传感器。这些传感器智能、开放、准确，经济高效且功耗极低，适用于许多应用。理想情况下，传感器是具有三个自由轴的先进设备，可以捕获振动，而与设备的安装位置或方向无关。这些传感器中嵌入的功能可以简化振动监测算法（图3）。

图3.运行中的电动机的声音、温度和振动监测可以在故障之前识别潜在的关注区域。

平衡

平衡 - 机器的垂直和水平位置 - 通常是其使用中的重要规格，并直接影响其性能。与理想平衡位置的意外偏差（例如可能是由于振动或推挤）可能会导致可能导致生产停工的问题。为了避免不平衡故障，操作员通常可以实时监控机器的位置。这项任务由工人执行，成本高昂且效率低下。

近年来MEMS（微机电系统）技术的改进为微型高性能、高精度传感器打开了大门，这些传感器可以收集专用算法分析的数据以进行实时位置监控。这些传感器（例如静态倾角计）可以测量倾斜算法用于确定机器方向角的重力分量。另一方面，动态倾角仪可以在存在动态运动的情况下监测机器的平衡。动态倾角仪可以高速率确定方向变化，并可以测量机器在三维空间中的移动速度（图 4）。

图4. 动态倾角仪可有效监测工业机器人的位置和运动。

声音

机器在运行过程中产生的声音可能是性能下降的主要特征。此外，由于该声音的频率可以扩展到超声波范围，因此人类并不总是可以听到。由适当的传感器检测到的声音异常是操作员监控的重要指标。

例如，在输送化学气体的管道中进行早期泄漏检测对于避免灾难性损害至关重要。由于泄漏的声音通常从超声波范围开始，因此工厂应选择专用传感器来感测这些超声波。

最新的MEMS麦克风为灵敏的超声波检测提供了性能和成本优势。这些麦克风还可以支持语音命令应用 。MEMS麦克风的主要优点是易于系统集成、小尺寸、高信噪比、鲁棒性、可靠性和经济性。MEMS麦克风非常适合检测压缩流体泄漏、真空泄漏、蒸汽疏水阀故障、轴承状态监测、电弧/跟踪、风扇和电机不平衡的应用。

图 5 显示了典型机器状况随时间变化的轨迹，以及如何识别和检测这些变化。超声波范围内的噪音通常是表明机器状况开始发生变化的第一个信号。

图5. 超声波、振动和热量检测是监测设备运行时最关键的变化之一。

操作员还可以使用配备MEMS麦克风和语音识别算法的传感和监控解决方案，通过语音命令操作和控制设备。

热

所有工厂设备均设计为在预定义的温度范围内运行。机器中失效的机械部件产生的摩擦通常会产生不需要的热量，从而进一步损坏设备部件。如图5所示，机器故障轨迹中的热量非常接近其最终故障阶段。在最坏的情况下，这种加热可能会导致火花和火灾，从而摧毁资产，甚至可能破坏工厂。

红外热像仪和温度传感器可用于创建热配置文件。提供准确且经济实惠的温度传感器，并可安装在设备上，以在运行期间实时监控工作温度范围。然后，设备温度的突然升高会导致传感器产生中断信号。该信号清楚地表明存在潜在问题，并提醒工作人员采取必要措施避免设备故障。

感应存在

人员和/或设备的存在检测可以为企业资源规划提供关键信息（图6c）。传感器可以有效地检测工厂中人员和操作机器的数量和位置，以优化能耗并提高安全性。

存在探测器由硬件和软件工具组成，在现代工厂中可能是一项昂贵的投资。存在检测传感器的数量和类型将最终决定解决方案中的功能。了解存在检测的用例有助于公司证明开发成本作为整体企业资源规划解决方案的一部分。

智能 HVAC 控制和自动照明关闭使用存在检测来优化能源使用并实现显著节约（图6b）。已经提出了降低能耗的解决方案，包括使用多个热像仪。

使用红外检测的热成像是一种创新的存在检测解决方案。图 6a 显示了此解决方案的高级设计结构。能够在电磁频谱的5μm~20μm波长范围内工作的传感器可以通过准确感应传感器视野中物体发射的红外辐射量来检测人类的存在。然后，传感器收集的信息可以通过嵌入在微小芯片内的专用电路进行数字处理。该器件提供可编程性，以监控运动、存在或过热条件。在没有镜头的情况下，它可以检测到最远 4 米外的人类存在。

图6. 高级结构显示了用于占用和存在检测的创新红外传感器。

成功的存在检测器融合算法，将处理传感器数据与人工智能算法相结合，以满足 21 世纪工厂的需求。

未来趋势

在工业厂房中部署传感器可以连续收集实时数据，以监控产品和设备的运行状态和状况。

在效率最高的工厂中，公司正在使用传感器来优化效率、提高生产力、提高安全性和安全性。尽管如此，除了传感器之外，公司还需要继续添加用于数据分析的综合软件工具。专用解决方案将使用人工智能处理和分析传感器数据，以构建可以做出运营和生产决策的模型。边缘和云计算的技术和解决方案将在实施企业资源规划和执行解决方案方面发挥关键作用。

作者：Jay Esfandyari博士   意法半导体(ST)全球产品营销策略