設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)發(fā)展淺析

李 政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

0 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)越來越大型化、高速化、自動化，其生產(chǎn)率和自動化程度逐步提高的同時，特別是在航空航天、核工業(yè)、造紙、鋼鐵、食品、石油化工等部門中，機械裝備故障停機可能造成重大經(jīng)濟損失，甚至導致重大安全事故的發(fā)生。因此，現(xiàn)代裝備對安全性和可靠性提出越來越高的要求[1]。在現(xiàn)代設備中，要做到不出事故是很難的，最好的方法應該是努力爭取做到故障早期發(fā)現(xiàn)，防患于未然。對于現(xiàn)代裝備的安全性和可靠性而言，設備故障診斷技術(shù)顯得尤為重要。

1 設備故障的概念

所謂設備故障，一般是指設備在外界或自身干擾下，原來的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，此時由外界或自身干擾造成的損傷與自身抗損傷能量進行斗爭，表現(xiàn)為設備的某些零部件在功能、形態(tài)和結(jié)構(gòu)上的改變以及對環(huán)境的適應能力的下降，妨礙機器正常運行，并表現(xiàn)出一系列征兆，進而使機器功能、出力等受到影響，這就產(chǎn)生了故障。

故障在實際使用時常常與異常、事故等詞語混淆，設備管理人員必須把設備的異常狀態(tài)和故障狀態(tài)進行區(qū)分。

事故也屬于故障范疇，是基于安全環(huán)保與經(jīng)濟的考量。通常是指裝備處于非安全狀態(tài)或裝備受到非正常損壞，失去性能和功能等。

2 旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)研究的重點

目前，旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)研究的重點主要集中在以下3 個方面：

2.1 旋轉(zhuǎn)設備故障機理和診斷方法的研究

旋轉(zhuǎn)設備故障機理和診斷方法研究的目的，主要是為了掌握旋轉(zhuǎn)設備各種故障產(chǎn)生的原因和故障形成的機理，研究故障表征與故障信號之間的邏輯關系，通過對故障特征的深入研究，運用數(shù)學、物理、化學、機械動力學等基礎學科的理論和方法，建立科學的故障模型。這些是開展故障診斷技術(shù)的基礎[2]。

2.2 旋轉(zhuǎn)設備故障信號的提取與分析方法的研究

隨著各學科基礎理論和技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)設備故障信號的提取與處理技術(shù)得到極大提升，數(shù)據(jù)采集、信號處理技術(shù)手段日臻完善，從前無法和難以解決的故障診斷問題變得可能和容易起來。可以利用旋轉(zhuǎn)設備故障表征信號，更精確地判斷故障原因，更可靠地對旋轉(zhuǎn)設備或部件的壽命進行預測，做到對旋轉(zhuǎn)設備或部件進行全壽命周期運行的管理。旋轉(zhuǎn)設備故障信號的提取和再處理是旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)的基礎，對旋轉(zhuǎn)設備故障信號的分析，則是斷定旋轉(zhuǎn)設備故障源和故障類型及損壞程度的可靠工具。

3 旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

旋轉(zhuǎn)設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)應用領域從最早的軍事裝備，逐漸應用到石化、冶金、電力等工業(yè)大型關鍵機組、機泵群。近年來，已經(jīng)逐漸從單純的機械領域拓寬到其他應用領域，如在發(fā)電系統(tǒng)、水利系統(tǒng)、核能系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、遠洋船舶，交通運輸系統(tǒng)的監(jiān)控中，發(fā)揮了巨大的作用。旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)是多個學科交叉，綜合發(fā)展起來的新興學科，同時是一門綜合性的應用技術(shù)。國內(nèi)外近二三十年設備診斷技術(shù)的研究開發(fā)和應用非常活躍，發(fā)展迅猛，取得了出人意料的實效。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，這一技術(shù)將會得到更加廣泛和深入的應用。旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)正在變成計算機、控制、通信和人工智能的集成技術(shù)，不斷向故障診斷軟硬件的集成化；故障診斷機理模型化；故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)化；診斷信息數(shù)據(jù)化，故障診斷工程化的方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下4 個方面。

1）旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)吸收了大量現(xiàn)代科技成果，除了傳統(tǒng)的振動信號，還可以綜合利用噪聲、電流、溫度、壓力、流量、性能曲線等多種信息實施診斷，同時還可以利用幾種方法進行綜合診斷。同時，多種現(xiàn)代信號處理方法，如全息譜技術(shù)、小波分析、數(shù)據(jù)融合技術(shù)（Date Fusion）、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)（Date Mining）等前沿科技成果，也被運用于旋轉(zhuǎn)設備故障診斷領域。這種多種方法的融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，更能有效地判斷旋轉(zhuǎn)設備故障源及故障的信息，使得旋轉(zhuǎn)設備故障診斷的準確度和精確度得到了很大提高。

2）現(xiàn)代化工業(yè)要求生產(chǎn)裝備的高度自動化、集成化和大型化發(fā)展，越是復雜的工業(yè)裝備越是要具備高度的可靠性和防御故障的能力，以確保生產(chǎn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長期連續(xù)滿負荷優(yōu)化運行。因此，需要對現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中復雜的旋轉(zhuǎn)設備進行全方位、多維度的監(jiān)測與控制，便于對旋轉(zhuǎn)設備的實時運行狀態(tài)有全面的了解。同時，應對有些復雜情況早模擬，早研究，早認知，這樣可以在設備未發(fā)生故障之前制定處置預案，干預設備發(fā)生故障。而虛擬儀器技術(shù)綜合了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學科技術(shù)，是當今計算機領域的新技術(shù)之一。虛擬儀器可以直接模擬和研究仿真對象在環(huán)境變化中的變化與關系，為探索旋轉(zhuǎn)設備故障的發(fā)生、發(fā)展和發(fā)生故障以后所表現(xiàn)的特征、特性提供了一種全新的手段，可以把故障現(xiàn)象更形象、生動和具體地表達或呈現(xiàn)出來，幫助人們更直觀地對故障進行認知，提高了旋轉(zhuǎn)設備故障診斷的準確性。同時，實際生產(chǎn)實踐中，有很多旋轉(zhuǎn)設備故障不能在實驗臺進行模擬，而虛擬儀器可以進行模擬，彌補了某些旋轉(zhuǎn)設備故障、疊加故障難以實驗的不足。將虛擬儀器應用于旋轉(zhuǎn)設備故障診斷具有顯著的工程實踐應用價值，能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益，為旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供了良好的支撐。

3）在實際工業(yè)現(xiàn)場的應用中，從監(jiān)測到的故障信息去判別故障類型常常需要技術(shù)人員具有較高的專業(yè)水平和豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗，這一難題往往制約著旋轉(zhuǎn)設備故障診斷技術(shù)的推廣和應用。所以，必須使旋轉(zhuǎn)設備故障診斷儀器或故障診斷系統(tǒng)智能化。這樣，一方面可以降低使用者技術(shù)水平的限制，一方面還可以幫助技術(shù)人員儲備知識和積累豐富的經(jīng)驗，使已有的技術(shù)水平和經(jīng)驗數(shù)據(jù)化或固化。計算機及其軟件技術(shù)和專家的知識與經(jīng)驗，使旋轉(zhuǎn)設備故障診斷智能化，而神經(jīng)網(wǎng)絡、故障診斷專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、算法和模型等為實現(xiàn)人工智能診斷提供了技術(shù)支持[3]。發(fā)展具有旋轉(zhuǎn)設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷能力的綜合系統(tǒng)，并向智能化方向發(fā)展是目前一個時期的研究重點。

4）隨著Internet 和Intranet 技術(shù)的普及與應用，國內(nèi)外許多大型企業(yè)設備管理工作已向網(wǎng)絡化發(fā)展，旋轉(zhuǎn)設備狀態(tài)監(jiān)測和診斷網(wǎng)絡化發(fā)展的時代已經(jīng)到來。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)實時地監(jiān)測旋轉(zhuǎn)設備的實時運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)故障，提前干預處理，保證設備運行可靠性。

圖1 基于網(wǎng)絡的旋轉(zhuǎn)設備故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of rotating equipment fault diagnosis system based on network

基于網(wǎng)絡的旋轉(zhuǎn)設備故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，采用傳感器群對工業(yè)旋轉(zhuǎn)設備進行監(jiān)測，將旋轉(zhuǎn)設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，通過有線或無線與故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)、企業(yè)設備（資產(chǎn)）管理系統(tǒng)連接，使企業(yè)管理層實時獲取設備運行狀態(tài)信息，有利于更科學地對設備維護維修進行決策。通過網(wǎng)絡對設備集群實施在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，可以更大范圍地提供專家支援，網(wǎng)上會診，實現(xiàn)遠程故障診斷，為設備群狀態(tài)評估分析提供數(shù)據(jù)支持；預測設備故障原因和部位，綜合專家們在知識和經(jīng)驗上的優(yōu)勢，從而提高設備故障診斷水平，保證旋轉(zhuǎn)設備運行的可靠性。

4 總結(jié)

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)設備故障信號處理技術(shù)不斷突破，旋轉(zhuǎn)設備故障機理的不斷深入研究使旋轉(zhuǎn)設備故障診斷系統(tǒng)工程必將邁入新的發(fā)展階段。總之，旋轉(zhuǎn)設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)發(fā)展，必須依靠現(xiàn)代科學理論和技術(shù)水平的相互發(fā)展。企業(yè)生產(chǎn)部門、設備管理部門、技術(shù)部門要密切配合，才能將這一技術(shù)深入推廣應用，切實為企業(yè)的生產(chǎn)服務，推動企業(yè)設備管理水平踏上一個新臺階，為企業(yè)實現(xiàn)良好的經(jīng)濟、安全、環(huán)保及社會效益做出貢獻。