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如何影響底線。這些包括工業設施的維護方法，例如工廠、商業設施、發電廠或其他安裝，在這些設施中，適當的維護方法可以防止災難性故障。但是，保持底線需要更多。還必須考慮可靠性、安全性、功耗、故障檢測和正確設計的設備，以滿足行業標準。

介紹

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

停機是生產力和收入的損失

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

在離散制造中，單個項目在生產線上組裝或制造。這可以包括從手機到汽車的任何東西。當然，其中一些生產線移動得非常快，因此正常運行時間至關重要。

公共設施的停機可能導致不同但類似的有害后果。一個機場在照明系統出現故障時關閉，將對成千上萬的人造成極大的破壞。

設備維護 — 使正常運行時間達到 100%

因此，毫不奇怪，今天，作為工業設施的運營商和這些設施的顧客，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效率，必須選擇可靠性最高的設備并實施適當的維護計劃，以保持設備以最佳性能運行。

工業通常使用各種方法進行設備維護。

反應性維護或“運行到故障”提供最低的初始成本。基本上，沒有精力進行維護;設備只是運行，直到發生故障。雖然這聽起來可能被誤導，但它在無法維護或成本過高的應用中占有一席之地，并且故障模式是可預測和預期的。具有低關鍵性的系統、某些冗余系統或不太可能發生故障的系統適用于此方法。

預防性維護是許多安裝中使用的標準方法，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歷的惡劣駕駛條件少得多的事實。在大多數駕駛場景中，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，設備（及其相關潤滑劑）可以預見地磨損或損壞。侵蝕和其他材料特性變化有時可能與服務時間直接相關，或者只是與老化有關。在這些情況下，需要預防性維護。2

預測性維護 （PdM） 或基于狀態的維護 （CbM） 在故障通常是隨機的或難以預測磨損率時有效。這兩種方法都基于跟蹤條件隨時間的變化。在大多數情況下，這兩種方法都比預防性維護更有效，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備資源來收集機器狀態數據并將其轉換為有用的信息。

連續狀態監測 （CCM） 使用永久安裝的傳感器和數據采集系統 （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備成本和相關的培訓或合同費用相當于相對較高的初始設置成本。回報來自于防止意外的設備故障。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。這里的目標是最終改善設備或其操作環境，以便盡可能防止故障。

自我維護是最有前瞻性的方法。現在機器或系統自我監控;它可以自行診斷并可以自我校準以繼續運行，直到方便停機。這種方法要求設備具有先進的智能化;自我監控更多功能;并能夠閉環以自動和適當數量地實施調整。最后，設備必須能夠檢測到這些自動調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。自我維護的結果顯然是更長的正常運行時間。這些系統已經在一些設備上安裝到位。例如，高端汽車現在可以根據感知真實機油狀況來指示發動機油的狀況，而不僅僅是監控發動機運行時間的記錄。對于更多的工業設備來說，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、穩健性、安全性和安全性的重要性

設備維護并不是工業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，安全監控設備和故障安全系統對于系統正常運行時間變得至關重要。

在生產設施中，設備可能暴露在許多常見的環境條件下：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）、腐蝕性或爆炸性環境、高振動、濕度和灰塵。如果這些條件損害了設備傳感器和傳感器信號調理電子設備的精度，則可能會出現錯誤的讀數或錯誤的控制信號。這充其量會導致較差的結果，最壞的情況是災難性的失敗。這些問題顯然超出了正常的設備維護范圍。

在無法證明冗余系統的工業環境中，必須設計高可靠性系統。在設備設計和開發過程中，可以使用FMEA（故障模式影響分析），FMECA（故障模式影響和臨界分析）或FMEDA（故障模式影響和檢測分析）來確保預測所有故障模式。3FMEA 的通過結果確認系統檢測、正確響應并降低系統中每個可能故障的嚴重性。IEC 61508等行業標準也適用于用于執行安全功能的設備，例如一些可編程邏輯控制器（PLC），用于在檢測到問題時監控和關閉危險過程。這些要求通常會導致額外的電子設備來監控原始信號路徑或電源系統。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計這一始終存在的挑戰。

自監控電路延長工業正常運行時間

通過在IC上實現自我監控功能，新器件可以標記問題，以提醒系統發生異常。對這些警告的響應由系統程序員或操作員自行決定，但至少捕獲了有關事件的數據。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計縮短了快速上市所需的設計時間。讓我們考慮一些例子。

示例：低功耗工業數字輸入串行器

當今的一個常見問題是，數字輸入模塊必須消耗大量功率才能處理24V信號電平。當試圖縮小這些模塊時，外殼中耗散的功率會導致熱量積聚，從而限制最大工作溫度范圍。同時，如果設備放置在機器附近，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、八通道、數字輸入轉換器/串行器與傳統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 標準，適用于數字輸入類型 1、2 和 3。它對八個輸入進行串行化，并將其轉換為CMOS兼容的5V電平。可調低通濾波可實現靈活的去抖動。串行SPI輸出減少了光耦合器的數量，從而進一步降低了功耗、尺寸和成本。為了確保SPI接口上的有效數據，每8位數據生成一個CRC代碼。類似的器件MAX31910采用先進的技術提供更低的輸入功率。與已經很低的MAX40相比，該器件的功耗降低了31911%。

對于超過31910路輸入的系統，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制。此處顯示了一個16輸入應用電路。

對于任何并行輸入到串行輸出系統，第一個問題是，“在保持有效數據和吞吐量的同時，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

為了支持工業應用，MAX31911在所有現場輸入端內置±15kV ESD高保護（HBM），額定工作結溫高達+150°C。它采用 6.5mm x 9.8mm x 1.1mm 28 引腳 TSSOP-EP 封裝。

示例：安全協處理器和安全身份驗證器

互聯網連接工業設備的趨勢提供了許多好處，但增加的安全風險是真實的。事實上，網絡戰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、基于標準的加密、身份驗證和安全密鑰存儲，不需要人工遵循復雜的數據處理規則和程序來維護設施防火墻。Maxim Integrated的新解決方案可防止未經授權的通信，并對暴露在IC外部的通信進行加密。他們積極應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險、加密密鑰被盜的風險以及克隆授權設備的風險。這些經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。有了這些內置的安全設備，入侵系統幾乎是不可能的。

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

DS2465內置1-Wire主機，用于處理1-Wire總線時序。它還為用戶提供EEPROM和經過加密行業審查的SHA-256哈希算法，因此系統主機處理器無需承擔這些任務。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結合了基于FIPS180-3安全哈希算法（SHA-256）的安全質詢和響應認證。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。沒有兩個設備是相同的。安全、低成本的工廠服務可用于對設備數據進行預編程，包括機密（如果需要）。即使在合同制造環境中，也有各種不同的方法來完全控制機密。圖 2 顯示了實現的簡單程度。

圖2.DS2465 SHA-256協處理器和三個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，將啟動質詢/響應過程。只有當從站計算出正確的結果時，模塊才會被允許與主站通信。

結論

在過程自動化、樓宇自動化和電機控制應用中，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，僅靠設備維護并不能讓工廠運營商實現最長的正常運行時間，也無法確保其運營的最佳安全性。

這就是設備設計師發揮重要作用的地方和方式。在為工業市場開發產品時，我們需要牢記正常運行時間、安全性和安保目標。當像上面討論的那樣高度集成的解決方案可供工業使用時，它們肯定會降低系統的成本、復雜性、尺寸和功耗。最終，這些集成系統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