趙中敏，王茂凡

（1.淮海工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，江蘇 連云港 222005;

2.亞翔系統(tǒng)集成科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215126）

設(shè)備健康管理(EHM，equipment health management)是通過整合設(shè)備管理規(guī)章制度和業(yè)務(wù)流程，緊密結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測、維修、使用和環(huán)境等信息，對涉及設(shè)備健康的因素進(jìn)行全面過程控制，對維修活動進(jìn)行計劃和優(yōu)化。EHM與狀態(tài)維修CBM(condition based maintenance)的主要區(qū)別在于，有效的設(shè)備健康管理擴(kuò)展到超出設(shè)備監(jiān)控和修理的范圍，而深入到設(shè)備的規(guī)范化、科學(xué)化和智能化管理之中，即從傳統(tǒng)的以修為主轉(zhuǎn)變到以管為主。二者之間的關(guān)系是：CBM是EHM的重要基礎(chǔ)和支撐條件；EHM拓展了CBM的外延，有機(jī)地將維修活動和管理活動結(jié)合在一起。

一、健康管理技術(shù)

健康管理是一種對設(shè)備及其部件健康狀態(tài)的影響因素進(jìn)行全面管理的過程。設(shè)備管理模式是對企業(yè)充分利用各種管理職能、技術(shù)手段，優(yōu)化組合人員、技術(shù)、信息等因素，實現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)高效率運行過程的抽象描述。

為實現(xiàn)設(shè)備健康管理確定的目標(biāo)，提出了設(shè)備健康管理的核心思想，即以簡單、高效、實用、科學(xué)為原則，整合設(shè)備管理規(guī)章制度和業(yè)務(wù)流程；以設(shè)備健康評估為載體，建立設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及評價的指標(biāo)體系；以狀態(tài)維修、定期維修等活動為手段，開展設(shè)備全程全員健康管理(圖1)。

二、大型復(fù)雜設(shè)備健康管理系統(tǒng)的設(shè)計

1.大型復(fù)雜設(shè)備健康管理系統(tǒng)的組成及功能

以數(shù)控設(shè)備為監(jiān)測對象，構(gòu)建健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備各子系統(tǒng)的狀態(tài)評估、壽命預(yù)測、故障預(yù)警和故障診斷(圖2)。

(1)監(jiān)測對象：健康管理系統(tǒng)監(jiān)測對象包括數(shù)控設(shè)備的主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌副、絲杠副、潤滑系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等各子系統(tǒng)。

(2)信號采集系統(tǒng)：設(shè)備各子系統(tǒng)的狀態(tài)變化及故障信息采用振動傳感器、電流傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器獲取，多傳感器信號經(jīng)采集系統(tǒng)輸入工控機(jī)進(jìn)行信號分析、特征提取與優(yōu)化選擇。

(3)性能退化模型：多個性能退化模型建立不同部件性能狀態(tài)與敏感特征的非線性映射關(guān)系，實現(xiàn)部件性能退化趨勢預(yù)測。

(4)壽命預(yù)測模型：綜合考慮時間、加工參數(shù)等因素，協(xié)同性能退化模型對部件當(dāng)前條件下的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。

(5)故障預(yù)報系統(tǒng)：故障預(yù)報系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的非線性閾值與部件性能退化狀態(tài)提前判定故障發(fā)生的概率。

(6)各子系統(tǒng)及整機(jī)性能評估及壽命預(yù)測：各子系統(tǒng)的狀態(tài)評估、故障預(yù)警與診斷、壽命預(yù)測均通過壽命預(yù)測模型、故障預(yù)警模型和維修專家數(shù)據(jù)庫協(xié)同作用完成，最終實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備整機(jī)的狀態(tài)評估與智能診斷。

(7)維修專家數(shù)據(jù)庫：預(yù)測及診斷結(jié)果同時送入維修專家數(shù)據(jù)庫進(jìn)行知識更新、規(guī)則補(bǔ)充和解決方案添加。

(8)數(shù)據(jù)服務(wù)器：各個部件的大量信息存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，以確保數(shù)據(jù)的安全性。

(9)管理服務(wù)器：通過管理軟件調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，可以對數(shù)控設(shè)備各個子系統(tǒng)的運動狀態(tài)、性能參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)控。

(10)管理用戶層：車間的設(shè)備管理及工藝人員作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，可以遠(yuǎn)程獲取數(shù)控設(shè)備的各種加工信息和狀態(tài)信息，從而對設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確合理的調(diào)度及維護(hù)。

為提高數(shù)控設(shè)備的使用效率，及時解決設(shè)備在生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種問題，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的三級管理體系，包括工控機(jī)（底層）、數(shù)據(jù)服務(wù)器、管理服務(wù)器及用戶。

2.大型數(shù)控設(shè)備健康管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

針對監(jiān)測對象的特點，選擇不同的傳感器對各個部件的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)數(shù)控系統(tǒng)：運行參數(shù)通過軟件直接讀取，系統(tǒng)故障代碼顯示各種報警信息。

(2)電氣控制系統(tǒng)：采用PLC直讀技術(shù)獲取PLC點位信息，構(gòu)成狀態(tài)矩陣，并采用圖形化方式將電氣原理圖進(jìn)行對照輸出，以便快速診斷和維修故障。

(3)導(dǎo)軌副：X向、Y向和Z向?qū)к壊捎没瑒訉?dǎo)軌，在滑動體上安裝三向振動傳感器監(jiān)測導(dǎo)軌的變形及磨損。

(4)絲杠副：在X向、Y向及Z向滾珠絲杠副的絲母座上分別安裝1個三向振動傳感器，監(jiān)測絲杠由于磨損、偏心、絲杠滾道表面缺陷及滾珠缺陷等導(dǎo)致的振動及沖擊脈沖。絲杠兩側(cè)的支撐端分別安裝1個單向振動傳感器，監(jiān)測由于絲杠彎曲、前后支架不同心、軸承故障等導(dǎo)致的振動形態(tài)變化。在絲母座及兩個軸承座上分別安裝1個貼片式溫度傳感器，監(jiān)測性能變化導(dǎo)致的溫度增加。

(5)主軸系統(tǒng)：在主軸前端安裝聲發(fā)射傳感器和振動傳感器，在齒輪箱上安裝振動傳感器，監(jiān)測主軸的運動精度、軸承狀態(tài)及齒輪嚙合狀態(tài)。

(6)伺服系統(tǒng)：采用3個電流傳感器分別監(jiān)測主軸電機(jī)和2個進(jìn)給電機(jī)的實際負(fù)載狀況及功率變化。

(7)潤滑系統(tǒng)：壓力及流量分別采用壓力傳感器和流量傳感器實時監(jiān)測，油箱機(jī)油溫度和液位高度采用溫度傳感器和液位傳感器獲取，防止異常狀況和漏油的發(fā)生。

上述傳感器信號通過模／數(shù)(A/D，analogue/digital)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入工控機(jī)進(jìn)行分析與計算，分析獲得的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲，同時在設(shè)備的人機(jī)界面HMI上實時滾動顯示，便于操作人員掌握設(shè)備各個部件的運行及狀態(tài)信息。

三、設(shè)備健康管理流程

設(shè)備健康狀態(tài)管理通過采集設(shè)備的各種狀態(tài)信息對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在對這些監(jiān)測信息進(jìn)行統(tǒng)計、分析的基礎(chǔ)上，對設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，并結(jié)合設(shè)備健康狀態(tài)的退化規(guī)律，對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，最終做出設(shè)備維修決策，實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)的全程管理(圖4)。

1.健康狀態(tài)監(jiān)測

設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測首先要確定監(jiān)測參數(shù)，并按參數(shù)的重要程度選定有限的、最具代表性的參數(shù)作為健康狀態(tài)管理的基本參數(shù)進(jìn)行信息采集。設(shè)備狀態(tài)信息應(yīng)是多層次、多方面和動態(tài)的，既可以是實時監(jiān)測信息，也可以是定期檢測信息。可通過健康檢查、離線狀態(tài)檢測或在線狀態(tài)監(jiān)測等技術(shù)手段獲取設(shè)備健康狀態(tài)信息，并通過信號處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合等方法處理設(shè)備健康狀態(tài)信息。

2.健康狀態(tài)評估

圖4 設(shè)備健康管理流程

健康狀態(tài)評估利用在線監(jiān)測系統(tǒng)或離線檢測系統(tǒng)獲得的設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，定期或不定期地對設(shè)備狀態(tài)做出評估，主要評估被監(jiān)測系統(tǒng)或者分系統(tǒng)、部件等的健康狀態(tài)，確定設(shè)備的健康等級，并向相關(guān)的設(shè)備使用人員、維修人員或管理人員報警。

3.健康狀態(tài)預(yù)測

設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測的主要目的是確定設(shè)備退化規(guī)律，明確設(shè)備未來健康狀態(tài)，并對設(shè)備及時進(jìn)行診斷、治療，避免設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)一步惡化。設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測可綜合利用各部分的數(shù)據(jù)信息，對被監(jiān)測系統(tǒng)未來的健康狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)測，并做出科學(xué)的設(shè)備維修決策。設(shè)備健康狀態(tài)管理可以通過各種預(yù)測方法(如灰色預(yù)測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)預(yù)測設(shè)備或部件未來的健康狀態(tài)，保證在設(shè)備嚴(yán)重停機(jī)事故發(fā)生之前，有足夠的時間制訂和實施維修計劃。

4.設(shè)備維修決策

根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)的診斷和預(yù)測結(jié)果進(jìn)行判斷，如果其在正常范圍內(nèi)，可對設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)；如果其健康狀態(tài)退化，則可由設(shè)備保障部門開具維修任務(wù)單，準(zhǔn)備材料(包括備品備件等)和工具，選擇維修方案，制定具體的維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下發(fā)到維修分隊或維修人員手中，由維修人員根據(jù)維修任務(wù)單對設(shè)備進(jìn)行維修或調(diào)整，把可能造成設(shè)備故障的狀態(tài)參數(shù)值調(diào)節(jié)或恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。如果設(shè)備健康狀態(tài)的退化屬于設(shè)計制造方面的系統(tǒng)問題，則在進(jìn)行維修的同時，還應(yīng)將設(shè)備健康狀態(tài)退化情況反饋到設(shè)備研制生產(chǎn)管理部門，為設(shè)備型號的改進(jìn)發(fā)展提供依據(jù)。

四、設(shè)備健康管理的主要關(guān)鍵技術(shù)

1.融合技術(shù)

從健康管理的角度看，綜合健康管理對不同來源的數(shù)據(jù)、特征、信息進(jìn)行融合的目的是為了提高檢測精度、魯性，以及異常檢測、故障診斷和檢測技術(shù)的整體效能。融合在復(fù)雜系統(tǒng)綜合健康管理系統(tǒng)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域有3方面：數(shù)據(jù)融合，用于融合來自傳感器陣列的數(shù)據(jù)，確認(rèn)傳感器信號的合理性并抽取特征；特征融合，對數(shù)據(jù)融合得到的特征進(jìn)行智能綜合，以獲得最可信的診斷信息；信息融合，綜合經(jīng)驗信息和信號信息，提高預(yù)測精度。

融合技術(shù)重點在于解決以下兩個方面的問題：不同層次功能的融合問題。從信息分層和物理分層角度，權(quán)衡復(fù)雜系統(tǒng)綜合健康管理中的融合級別與實現(xiàn)；開發(fā)一種適合復(fù)雜系統(tǒng)的融合體系結(jié)構(gòu)，如集中式融合、自主融合、混合融合體系結(jié)構(gòu)等，并考慮與綜合健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中其他功能的協(xié)同。

2.預(yù)測技術(shù)

預(yù)測是對尚未發(fā)生、或者目前還不明確的事物進(jìn)行預(yù)先估計和推測，是在現(xiàn)時對事物將要發(fā)生的結(jié)果進(jìn)行探討和研究。預(yù)測方法從本質(zhì)上可以分成基于物理模型的預(yù)測、基于規(guī)則的預(yù)測和基于統(tǒng)計模型的預(yù)測3種。對于復(fù)雜系統(tǒng)言，前兩種方法存在困難，第3種方法可以很好地綜合多種預(yù)測技術(shù)，解決傳統(tǒng)方法的不足。因此，要實現(xiàn)復(fù)雜的加工設(shè)備綜合健康管理，就必須研究開發(fā)一種通用的預(yù)測框架。預(yù)測框架就是一種系統(tǒng)級的預(yù)測管理程序，用于綜合不同的診斷或預(yù)測數(shù)據(jù)源，獲得有用的信息，為不同人員提供一種通用的信息交換格式。

3.決策支持技術(shù)

決策支持技術(shù)主要用來解決非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問題，以區(qū)別于處理結(jié)構(gòu)化問題的信息系統(tǒng)。在復(fù)雜系統(tǒng)健康管理中，決策支持技術(shù)需要解決的問題有任務(wù)的形式化描述、確定決策模型、選擇決策模式、確定決策類型、確定不同決策的優(yōu)先級和決策調(diào)度。

五、結(jié)語

復(fù)雜設(shè)備健康管理是一項任重道遠(yuǎn)的工作，目前各種健康管理系統(tǒng)已逐步在部分關(guān)鍵的系統(tǒng)和部件中得到應(yīng)用。此外，如何正確有效地評估、預(yù)測復(fù)雜設(shè)備的健康狀態(tài)，并做出優(yōu)化的維修決策還需要做大量的研究工作。

[1]涂憶柳，李曉東.維修工程管理研究與發(fā)展綜述[J].工業(yè)工程與管理，2004，(4):7－12.

[2]李行善，高占寶等.航空航天中的綜合運載器健康管理[J].電氣時代，2003，l(11):84-85.

[3]龍兵，孫振明，姜興渭.航天器集成健康管理系統(tǒng)研究[J].航天控制，2003，(2):56-61.

[4]張寶珍，曾天翔.先進(jìn)的故障預(yù)測與狀態(tài)管理技術(shù)[J].測控技術(shù)，2003，22(11):4－6.

[5]朱紅萍，莉敏.復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測與綜合健康管理技術(shù)的研究[J].機(jī)電一體化，2009，(7):32-34.