李占山（海裝重慶局，重慶 404100）

基于PHM的橋式起重機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李占山
（海裝重慶局，重慶 404100）

本文以橋式起重機(jī)為例，結(jié)合PHM技術(shù)，搭建了橋式起重機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的總體框架，設(shè)計(jì)了橋式起重機(jī)機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)模塊。建立的PHM系統(tǒng)能對(duì)橋式起重機(jī)重要部件、系統(tǒng)進(jìn)行全面的健康狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測(cè)、分析判斷處理，得出保障決策方法。

PHM；橋式起重機(jī)；預(yù)測(cè)與健康管理；故障診斷與預(yù)測(cè)

1 PHM簡(jiǎn)述

PHM（Prognostics and Health Management）即故障預(yù)測(cè)與健康管理。故障預(yù)測(cè)，即預(yù)計(jì)診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，包括確定部件的殘余壽命或正常工作的時(shí)間。預(yù)測(cè)技術(shù)是在發(fā)生災(zāi)難性故障之前能夠及時(shí)預(yù)知，并采取措施預(yù)防，根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息﹑可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策。經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，PHM技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)﹑齒輪箱﹑液壓系統(tǒng)﹑電子設(shè)備機(jī)上測(cè)試等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)可以有效降低維修保障成本，縮短維修保障時(shí)間，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高保障效率。

PHM系統(tǒng)一般應(yīng)具備如下功能：故障檢測(cè)﹑故障隔離﹑故障診斷﹑故障預(yù)測(cè)﹑健康管理和壽命追蹤。對(duì)于復(fù)雜裝備和系統(tǒng)，PHM應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同層次﹑不同級(jí)別的綜合診斷﹑預(yù)測(cè)和健康管理。

圖1 PHM一般方法

2 橋式起重機(jī)PHM的關(guān)鍵技術(shù)

2.1數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù)

確定可以表征設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)信息（直接表征或間接推理），是設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理的首要任務(wù)，也是PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 橋式起重機(jī)PHM系統(tǒng)

2.2通信技術(shù)

通信技術(shù)的目的主要是為了保證傳感器采集到的各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絇HM系統(tǒng)中的其它部分，以及確保PHM各個(gè)部分之間信息交流的正確﹑通暢﹑協(xié)調(diào)﹑安全，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)維修保障體系的信息化﹑網(wǎng)絡(luò)化﹑一體化。通常情況下，橋式起重機(jī)工作的環(huán)境都比較復(fù)雜，移動(dòng)性比較大，再加上需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)分布較散，因此采用無(wú)線通信較方便，安裝各種傳感器教容易。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)預(yù)處理就是在數(shù)據(jù)主要處理以前的處理，由于不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)﹑健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型的要求不同，因此需要對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行各種預(yù)處理，以使數(shù)據(jù)格式滿(mǎn)足后繼處理的要求，同時(shí)也便于傳輸和存儲(chǔ)。預(yù)處理包括模數(shù)轉(zhuǎn)換﹑去噪聲﹑高通濾波﹑壓縮﹑信號(hào)自相關(guān)等，數(shù)據(jù)處理方法包括數(shù)據(jù)清理﹑集成﹑變換﹑歸約等，數(shù)據(jù)預(yù)處理可以提高數(shù)據(jù)挖掘模式的效率。

2.4數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)各種信息源進(jìn)行處理﹑控制和決策的一體化過(guò)程。數(shù)據(jù)融合技術(shù)將各種信息源的有用信息進(jìn)行采集﹑傳輸﹑綜合﹑過(guò)濾及相關(guān)合成后輔助以驗(yàn)證﹑判斷，獲得的準(zhǔn)確的推論結(jié)果，可以提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)﹑健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)推理的準(zhǔn)確性，并能確定推理結(jié)果的置信度。

2.5狀態(tài)監(jiān)測(cè)﹑健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)﹑健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)是PHM系統(tǒng)的核心部分，在某種意義上它們都是一種推理過(guò)程，在實(shí)際構(gòu)建PHM系統(tǒng)時(shí)往往要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況采用一種或多種技術(shù)和方法，包括基于規(guī)則﹑案例和模型等的推理算法，能夠?qū)蚴狡鹬貦C(jī)狀態(tài)﹑故障狀況﹑維修能力等相關(guān)信息適時(shí)傳送至維修保障系統(tǒng)，并接受和執(zhí)行維修保障系統(tǒng)的控制調(diào)度。

2.6接口技術(shù)

考慮到PHM系統(tǒng)日后的更新或加入新的模塊以及與其它系統(tǒng)進(jìn)行信息交換和集成的能力，其接口采用具有“即插即用”能力的接口。其接口技術(shù)主要從以下幾個(gè)方面加以考慮：PHM系統(tǒng)各模塊之間，各模塊同PHM系統(tǒng)之間，部件級(jí)PHM同系統(tǒng)級(jí)PHM之間，人-機(jī)接口，PHM系統(tǒng)同其它決策支持﹑計(jì)劃﹑庫(kù)存﹑自動(dòng)化以及維修系統(tǒng)的接口。

3 橋式起重機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)的PHM系統(tǒng)可以分為兩部分：橋式起重機(jī)機(jī)上管理系統(tǒng)和地面控制室管理系統(tǒng)。橋式起重機(jī)在工作的過(guò)程中，機(jī)上部分將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳到駕駛室與地面控制室，駕駛室主要是在起重機(jī)監(jiān)控到故障時(shí)對(duì)起重機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)，如停車(chē)。而地面監(jiān)控室除了對(duì)故障做出反應(yīng)外，另一個(gè)任務(wù)就是判斷橋式起重機(jī)各部件以及系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)﹑故障的檢測(cè)和隔離，并把得出的結(jié)果反饋到駕駛室。建立的PHM系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集和傳輸﹑數(shù)據(jù)處理﹑狀態(tài)監(jiān)測(cè)﹑故障檢測(cè)﹑故障隔離﹑故障預(yù)測(cè)﹑剩余壽命預(yù)測(cè)﹑部件壽命跟蹤﹑性能降級(jí)趨勢(shì)分析和維修計(jì)劃等功能。根據(jù)上述分析，橋式起重機(jī)PHM系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為如圖2所示的框架圖。

3.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的任務(wù)主要是完成數(shù)據(jù)的采集及初步的預(yù)處理，為系統(tǒng)提供可靠可用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在對(duì)起重機(jī)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，主要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)﹑液壓系統(tǒng)﹑電氣系統(tǒng)﹑機(jī)械強(qiáng)度以及工況指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各部分采集的信息主要見(jiàn)表1。

表1 起重機(jī)數(shù)據(jù)采集信息

狀態(tài)監(jiān)測(cè)得到數(shù)據(jù)的可靠性很大一部分取決于選用傳感器的好壞。在建立橋式起重機(jī)的PHM系統(tǒng)時(shí)，由于傳感器面臨的工作環(huán)境比較惡劣，所以必須選用耐腐蝕﹑耐高溫高濕﹑耐沖擊﹑耐油霧的傳感器，另外也必須有較強(qiáng)的電磁抗干擾性能。針對(duì)起重機(jī)需要監(jiān)控的對(duì)象，以及監(jiān)控對(duì)象需要采集的參數(shù)，得到相應(yīng)物理特征所對(duì)應(yīng)的傳感器類(lèi)型，見(jiàn)表2。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊工作流程：如圖1所示，在接收起重機(jī)上傳感器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)前，必須對(duì)傳感器進(jìn)行驗(yàn)證，以保證傳感器是正常的，在系統(tǒng)中用傳感器驗(yàn)證子模塊來(lái)驗(yàn)證傳感器工作狀態(tài)是否正常，如傳感器有故障則啟用冗余傳感器更換或維修并不接受相關(guān)數(shù)據(jù)，防止因傳感器而造成的虛警。在驗(yàn)證完成后，傳感器傳來(lái)的原始數(shù)據(jù)不可能完全滿(mǎn)足后續(xù)工作的要求，所以的對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，得到隱含的﹑潛在的有用信息，最后為預(yù)測(cè)﹑診斷模塊提供可靠可用的數(shù)據(jù)。

表2 橋式起重機(jī)在線監(jiān)控所需傳感器

3.2預(yù)測(cè)﹑診斷模塊

在進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)上，橋式起重機(jī)PHM系統(tǒng)采用基于異?，F(xiàn)象信息的故障診斷與故障預(yù)測(cè)方法，觀測(cè)或偵測(cè)非正常工作狀態(tài)下所表現(xiàn)出來(lái)的異?，F(xiàn)象，如振動(dòng)﹑噪聲﹑溫度﹑磨損﹑電磁場(chǎng)等，進(jìn)行趨勢(shì)分析及故障預(yù)測(cè)，大部分機(jī)械產(chǎn)品多采用這種故障診斷與預(yù)測(cè)方式。基于異?，F(xiàn)象信息進(jìn)行故障診斷與故障預(yù)測(cè)的任務(wù)是：統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)﹑注入獲得的故障數(shù)據(jù)等信息，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象特征，自動(dòng)進(jìn)行故障程度判斷及預(yù)測(cè)。在建立異?，F(xiàn)象與故障損傷關(guān)系模型時(shí)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用ANN的非線性轉(zhuǎn)化特征以及智能學(xué)習(xí)機(jī)制，建立已監(jiān)測(cè)到的故障現(xiàn)象與故障損傷狀態(tài)之間的非對(duì)稱(chēng)性聯(lián)系。利用已知的特性與損傷或通過(guò)故障注入建立與特征分析結(jié)果關(guān)聯(lián)的退化軌跡，對(duì)ANN模型進(jìn)行“訓(xùn)練或?qū)W習(xí)”并對(duì)產(chǎn)品的故障損傷狀態(tài)進(jìn)行判斷。因?yàn)锳NN具有自適應(yīng)特征，因此，可以利用非顯式特征信息來(lái)進(jìn)行“訓(xùn)練或?qū)W習(xí)”及故障損傷判斷。

預(yù)測(cè)﹑診斷模塊工作流程：如圖1所示，狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)基于ANN趨勢(shì)分析模型建立起來(lái)的“訓(xùn)練或?qū)W習(xí)”故障診斷和故障預(yù)測(cè)模塊，與歷史的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)﹑橋式起重機(jī)的原始參數(shù)以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作比較，確定橋式起重機(jī)相應(yīng)部件﹑系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

3.3分析決策模塊

分析決策模塊作為橋式起重機(jī)PHM系統(tǒng)職能最終體現(xiàn)部分，PHM系統(tǒng)建立是否成功，主要從這部分體現(xiàn)出來(lái)，它主要包含綜合分析﹑保障決策﹑人機(jī)接口模塊三部分。

分析決策模塊的功能主要是：如圖1所示，綜合分析模塊和保障決策模塊把前面分析的結(jié)果進(jìn)一步綜合分析，做出與實(shí)際情況相符的決策；人機(jī)接口模塊把系統(tǒng)的決策信息顯示出來(lái)提供給使用維護(hù)人員，使用維護(hù)人員根據(jù)決策信息做出相應(yīng)的維修維護(hù)計(jì)劃，盡量做到視情維修。

3.4數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊主要是對(duì)PHM各部分產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，豐富系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步增加系統(tǒng)的工作的可靠性。如圖1所示，主要有三部分的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)，即上述的三個(gè)模塊的數(shù)據(jù)。

4 預(yù)期效果

一是提高設(shè)備的安全可靠性。起重機(jī)作為特種設(shè)備的一種，一旦發(fā)生事故將是非常致命的，所以安全可靠顯得異常的重要。在橋式起重機(jī)上安裝PHM后，可以實(shí)時(shí)得到橋式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和各部件變化趨勢(shì)，從而掌握整個(gè)變化過(guò)程，目前一些重要軍工行業(yè)應(yīng)用PHM的橋式起重機(jī)管理系統(tǒng)后保障效果顯著提升，設(shè)備故障率明顯降低。

二是降低設(shè)備的維修費(fèi)用﹑提高保障效率。利用PHM系統(tǒng)維修人員僅需按照維修方案完成規(guī)定的維修工作，從而最大程度地減少了錯(cuò)誤的維修動(dòng)作，確保起重機(jī)在最快的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)完好狀態(tài)。從根本上降低了保障響應(yīng)時(shí)間，提高了維修效能。

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