基于網絡環境的設備動態故障診斷與預測維修

譚顯坤

(重慶交通大學國際學院，重慶 400074)

基于網絡環境的設備動態故障診斷與預測維修

譚顯坤

(重慶交通大學國際學院，重慶 400074)

為了克服故障發生后導致設備必須強制維修的弊端，探討了基于網絡環境的設備故障診斷與預測維修。基于對事后維修、預防維修與預測維修等3種制度的比較，指出了單機故障診斷系統的局限性，研究了故障診斷方法，探討了基于網絡環境的設備故障診斷技術。以電力設備預測維修為例，驗證了預測維修制度的優勢。研究結果表明:基于網絡環境的設備故障診斷方法是可行與合理的，有利于預防設備事故的發生，可提高系統運行的可靠性、安全性和有效性。

設備故障;遠程監測;故障診斷;預測維修

1986年，前蘇聯切爾諾貝利核電站4號機組核泄漏事故導致直接經濟損失30億美元，死亡2000多人;2011年，日本福島第一核電站1號反應堆核泄漏事故對全球造成的直接與間接危害更是有目共睹。每年大量的類似報道讓人觸目驚心，因此如何將設備事故防患于未然就顯得十分重要。盡管某些設備事故是因為不可抗力因素導致的，但是絕大多數設備事故是可以事前發現的。一旦某個設備有異常現象出現，基于先進的技術手段，可及時采取技術措施對設備進行維修以預防事故的發生。當然，上述預期目標的實現有賴于對設備故障診斷技術的應用與設備維修制度的合理選擇，這方面已經取得許多研究成果［1－5］。

1 維修制度與設備故障診斷系統

1.1 維修制度

為了確保系統的安全可靠運行，必須保證設備的健康狀況良好。一旦設備出現不良征兆，必須對設備進行維修，恢復其正常的規定功能。隨著檢測技術的進步，設備維修制度先后經歷了事后維修制度(breakdown maintenance，BM)、預防維修制度(preventive maintenance，PM)和預測維修制度(predictive maintenance，PRM)3個階段。BM是一種早期的維修制度，在運行過程中只要設備能夠運行，就不會關心設備的健康狀況，其顯著特征表現為“不壞不修，壞了再修”，顯然是一種很落后的維修制度。盡管該方法落后，但對系統中某些非關鍵部位的小型設備仍然采用這種維修方法。PM是一種靜態維修制度，如對系統中某些設備規定一個使用期限，設備運行一個季度或半年后就進行中修與大修，即運行到規定的使用時間設備必須停產維修。預防維修制度的特點是當設備運行到達計劃規定期限或人為指定的態勢時必須對設備進行強制維修。PM制度與BM制度相比較，無疑前者比后者前進了一大步，對充分保障設備的完好率與工作人員人身安全起到了積極的作用。PRM制度的特點在于:它基于對設備運行狀態的在線監測，按照設備運行狀態實際劣化程度決定是否對設備進行維修，如果有必有對設備進行維修，那么再進一步確定設備的維修時間和維修規模。顯然PRM是一種比較理想的動態維修制度，但是該維修方式必須有強大的技術支撐，是基于設備故障診斷技術與設備在線運行狀態監控的。PRM維修制度不僅可減少可能發生的事故損失和延長檢修周期以降低系統停機帶來的負面影響，同時它創造的經濟效益也是相當可觀的。如英國對2 000個工廠的調查發現:實施PRM維修制度每年可節約3億英鎊，扣除診斷費用0.5億英鎊后可獲凈利2.5億英鎊，因此PRM維修制度是一種值得推廣的設備維修制度。

1.2 設備故障診斷系統

鑒于系統設備故障的分散性、復雜性、隱蔽性、隨機性與模糊性等特征，用單一信息反映設備的狀態行為往往是不完備的。為了避免對同一設備為單一故障信號診斷可能導致的誤警及虛警現象，有必要從多個側面獲取多維的故障冗余信息，通過多方面的綜合分析與對比研究，提取出有效的診斷信息，才有可能對設備的狀態行為做出更可靠、更精確的監測和診斷。

至今，設備故障診斷技術已經歷了3個階段:

1)人工離線監測與診斷系統。主要特征是以監測儀器作為輔助工具，對設備進行人工巡檢，憑借監測人員的經驗對設備的狀態行為及其發展趨勢做出簡單判斷。因此診斷結果的準確性有賴于監測人員的責任心和經驗、技能與智慧，常常受人為主觀因素的影響。對于復雜的高、精、尖設備，這種方式是不可取的。

2)基于集中式的單機在線監測與診斷系統。該系統以配有工況監測、信號分析處理、故障診斷模塊的計算機為中心，設備的所有傳感監測信息都傳送到該中心，由計算機對設備故障進行分析診斷。其主要特征在于集主要功能于一體，有利于重要主體設備的集中監控與診斷，相對地投資較少并且維護方便，但單機監測的設備數目有限，系統診斷功能受到較多限制。

3)基于網絡環境的設備故障診斷系統。該系統以設備的狀態維修為目標，可形成一個完整的診斷網絡，從多角度對系統進行診斷，更有利于解析冗余故障動態診斷方法的綜合利用，在更大范圍內共享系統故障診斷資源。分布式的下位機用于設備狀態行為的數據采集與實時在線監測和信號預處理，信號分析和數據管理由上位機負責，借助網絡可對每臺機組的采樣數據進行精密分析和邏輯判斷，從而給出對設備健康狀況的診斷建議。

2 故障動態診斷方法

動態系統故障檢測與診斷涉及眾多應用學科，只有充分利用已有的各種知識與被診斷系統的各種狀態信息，才能對系統運行狀態和故障狀況作出正確的綜合評價。診斷方法包括了基于解析模型、信號處理與基于知識的方法，還采用了涵蓋主元分析、支持向量機、小波變換與分形等在內的多種新理論和方法。

基于解析模型的故障診斷方法就是對可測信息與系統先驗信息的比較殘差進行分析和處理以實現對設備故障的診斷技術。針對殘差產生形式的不同又可以細分為參數估計法、等價空間法與狀態估計方法。基于信號處理的故障診斷方法包括絕對值校驗和趨勢校驗、基于信號模態與基于自適應滑動窗格形濾波器的方法、δ算子方法以及利用Kullback信息準則檢測故障診斷方法，此外它還包括了新近出現的主元分析法、小波變換法、分形法等基于信號處理的故障診斷方法。基于知識的故障診斷方法包括了基于癥狀與基于定性模型的方法，其主要顯著特征在于該方法無需建立數學模型，可以充分利用有關診斷對象的全面信息和領域專家的診斷知識，適用于復雜大型系統與非線性系統的故障診斷。在基于癥狀的診斷方法中有專家系統、模糊推理、基于神經網絡、范例推理、灰色理論與支持向量機等故障診斷的方法，各種方法都有其應用的局限性，但是相互之間可以互補，具體方法的選取與被診斷對象特性和實現診斷所具備的技術條件有關。關于基于定性模型的設備故障診斷可以歸納成3種方法:即基于帶符號有向圖、故障樹和定性仿真的設備故障診斷方法。

隨著人工智能和信號處理等學科的發展，故障診斷技術正在向更高層次的智能故障診斷與集成故障診斷方向發展，例如引入遺傳算法等新方法，研究故障診斷中的知識表示和知識自動獲取、實用化和通用化故障診斷軟件與遠程分布式故障診斷等。鑒于實際工程中設備故障診斷問題的復雜性，任何單一的診斷方法都有其應用的特定范圍與局限性，不可能解決所有的設備故障診斷問題。因此，正確的方法是將多種方法相互融合，充分發揮各種診斷方法的優勢，在不斷吸取其他領域學科新成果的基礎上，將最新研究成果盡可能地應用于設備故障診斷技術，這正是當前故障診斷技術發展的整體趨勢［6－10］。

3 基于網絡環境的故障診斷系統構建

設備故障監測診斷系統直接服務于設備的維修、管理與生產調度，它是以設備的狀態維修為主要目標，因此有別于一般監控系統，已經獲得了廣泛的應用［11－14］。

3.1 基于LAN的設備故障診斷系統

基于LAN的網絡化監測和故障診斷系統如圖1所示。該診斷方式的地理范圍相對較小，可對企業內部設備的運行狀態行為進行監測，對其設備故障實施診斷。通訊采用TCP/IP協議實現，因此兼容性好，程序實現方便，通訊安全簡單。

圖1 基于LAN的設備故障診斷

3.2 設備遠程監測診斷系統

圖2為該系統的網絡體系結構。其中，遠程監測診斷中心為某個企事單位或者某一領域的故障診斷專家組成的虛擬診斷中心，其職責是對異地傳輸來的監測數據信息進行分析處理，綜合各診斷領域的專家意見，并對診斷結果給出具有可操作性的措施對策;然后借助診斷網絡將診斷結果反饋至被診斷設備的生產現場，以指導實際診斷問題的解決。機電設備的實時監測與監測數據信息的采集、存儲和處理由現場監測系統完成，信息傳輸采用遠距離網絡實現。

圖2 遠程診斷系統

系統運行模式有實時診斷和電子信函診斷2種方式。實時診斷專家可以借助電話會議、視頻方式與現場監測人員和相關領域專家一起實時監測，共同完成對設備故障的診斷。電子信函會診基于監測系統傳輸信息作分析判斷，其診斷結果以電子信函返回監測現場。該系統除了硬件設施外，其軟件系統結構如圖3所示，遠程診斷中心應用軟件包括硬件驅動程序、數據接收、數據分析、診斷推理、診斷信息反饋、故障數據庫等。

圖3 遠程診斷軟件結構

3.3 基于Internet的設備故障診斷

在關鍵設備的恰當位置上設置數據采樣點以采集設備的動態運行狀態信息，借助Internet技術就可實施異地的遠程故障診斷。基于Internet技術的優勢在于:可以充分共享數據與獲得異地專家的技術支持，Web相關技術的應用可為遠程信號分析與故障診斷提供強大的技術后援。這里有C/S和B/S 2種結構模式，基于B/S提供了跨平臺的瀏覽環境，相比于C/S模式，可實現應用環境和開發環境的分離。因此，有利于應用程序的開發，便于系統管理與維護，可擴展性好、遠程診斷效率高。

1)C/S結構模式

C/S 2層結構模式的結構體系如圖4所示。其應用程序邏輯通常分布在客戶和服務器兩端，數據資源請求由客戶端發出，服務器端負責將設備故障診斷結果返回客戶端。邏輯上可分為表示、業務、事務和數據邏輯等4個部分，表示與業務邏輯位于客戶端，事務與數據邏輯位于服務器端。

圖4 C/S 2層結構模型

對于小型的部門級應用該結構是可行的，一旦客戶端數目增加時，在客戶端的業務邏輯層會導致整個故障診斷系統的安全性、可擴充性與可維護性變得非常差，如果此時將其置于服務器端又將增加服務器的實現難度和負載。其解決辦法是將業務邏輯層放置于位于客戶端和服務器端之間的另外一層，因此C/S結構分成了3層。

圖5表示了3層C/S體系結構的模型。系統的部分應用邏輯功能、用戶界面輸入與服務請求由客戶端軟件實現，客戶請求由服務器提供服務，并將故障診斷結果返回給客戶。該體系中，由服務器實現與數據存取有關的模塊功能，其優勢在于可減少網絡通信流量，在網絡上傳輸的主要是診斷結果信息，信息處理過程由服務器完成，無需網絡進行數據交換。由于數據庫放在單獨的服務器上，可清晰方便地將軟件設計任務作分工處理，因此降低了對客戶機的要求，保證了數據的安全性，避免了第三方數據訪問對數據庫的非法操作。

圖5 C/S 3層體系結構圖

盡管C/S 3層體系結構有較好的專業性和安全性，但是劣勢也是顯而易見的。它必須為客戶安裝特定的應用程序，因此缺乏應用的靈活性。在該模式下，客戶機服務器模型中的客戶應用軟件不具有通用性，其應用軟件只能用于特定的環境，導致客戶應用程序中的任何修改都將引起客戶機應用程序的改變。這將帶來繁重的系統維護負擔，在現代遠程故障診斷中，已很難滿足實際應用的需要。

2)B/S結構模式

以Web為中心的現代企業網絡，以HTTP為傳輸協議，采用TCP/IP技術，客戶端是瀏覽器訪問Web以及與Web相連的后臺數據庫，這種結構形式被稱為B/S模式。組成3層B/S模式的系統結構圖如圖6所示，其診斷的信息流程是:用戶瀏覽器向Web服務器提交請求，Web服務器處理請求，查詢數據庫，并將查詢到的結果組織成HTML頁面發送到客戶，其診斷結果在用戶的瀏覽器上顯示。與C/S模型比較可知:它以瀏覽器作為統一的客戶端，簡化了客戶端軟件。在該體系結構中，由服務器端負責所有軟件的開發、維護和升級工作，它使系統更加易于維護和管理，實現系統的升級只需修改服務器端軟件即可。在B/S 3層結構下，瀏覽器放置在表示層，數據服務層由數據庫提供服務，整個軟件體系的重點在業務邏輯層。

圖6 B/S模式3層結構模型

具有B/S結構模式的優勢主要體現在:利用了HTML規范，可將表示邏輯設計成HTML頁，有數量更多、應用范圍更廣的潛在用戶;無須開發客戶端軟件，易擴充與升級，更易于實現應用系統的管理。在該模型下，任何地域的計算機都具有良好的跨平臺特性，無任何地點限制。客戶機只需安裝瀏覽器軟件，不需安裝其它任何客戶端應用程序，非常適合設備遠程診斷系統的開發與應用。因為復雜應用程序全部移到了服務器，客戶端變“瘦”了。就瀏覽器而言，只需知道它們的URL即可，無需清楚程序和數據的具體位置，更便于現場設備故障診斷人員的使用。

4 結束語

現代生產系統結構愈來愈復雜，其設備維護難度也愈來愈大。隨著自動化與數字化程度的提高，愈來愈有利于網絡環境下基于設備狀態監測的故障自動診斷系統的構建。基于設備預測維修制度可將設備事故防患于未然以提高設備的安全運行周期。以變壓器維修為例，它是電力變電站的核心設備，為了提高其運行的可靠性，一般采用預防維修制度，設備運行按照規定的期限使用，到規定的使用時間后，必須停產維護或維修，以預防電力系統事故的發生。為了驗證狀態維修的優越性，某變電站搭建了一個基于LAN的設備故障診斷系統，對變壓器設備的運行參數進行實時狀態監測，經過2個維修周期的觀察，系統參數都在規定參數范圍內，沒有發現任何異常，因此也沒有停產維護。這足以說明基于設備預測維修制度能克服維修制度的缺陷，突顯設備預測維修制度的優勢。

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(責任編輯 何杰玲)

Equipment Dynamic Fault Diagnosis and Predictive Maintenance Based on Computer Network Environment

TAN Xian－kun
(International School，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In order to overcome the malpractice leaded to compulsory maintenance of equipment for preventing the occurrence of fault，the paper explored the equipment fault diagnosis and the predictive maintenance based on computer network environment.In the paper，it conducted the comparison research based on three sorts of breakdown maintenance(BM)，preventive maintenance(PM)and predictive maintenance(PRM)system，pointed out the boundedness of the single fault diagnosis system，researched on the fault diagnosis method，and explored the equipment fault diagnosis technology based on computer network environment.It took the predictive maintenance of power equipment as an example，and demonstrated the superiority of predictive maintenance(PRM)system.The research result shows that it is feasible and reasonable to the equipment fault diagnosis method based on computer network environment，conducive to the prevention of accidents，and can greatly improve the reliability，safety and effectiveness of system operating.

equipment fault;remote monitoring;fault diagnosis;predictive maintenance

TP273

A

1674－8425(2014)03－0098－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.018

2014－02－10

教育部科技項目(2012－LJZY06－01)

譚顯坤(1969—)，男，重慶人，講師，主要從事機電液系統智能自動化方面的教學與科研工作。

譚顯坤.基于網絡環境的設備動態故障診斷與預測維修［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(3):98－102.

format:TAN Xian－kun.Equipment Dynamic Fault Diagnosis and Predictive Maintenance Based on Computer Network Environment［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):98－102.