文/褚福磊

防微杜漸 “設(shè)備醫(yī)生”大顯身手
——淺談設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

文/褚福磊

我國現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使機(jī)械設(shè)備日趨大型化、高速化、重載化和復(fù)雜化，功能日趨完善，自動(dòng)化程度越來越高。在此背景下，單個(gè)部件的故障會(huì)影響整個(gè)設(shè)備甚至整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。因此，設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就顯得越來越重要，其經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著。

褚福磊，清華大學(xué)機(jī)械工程系教授、博士研究生導(dǎo)師。英國南安普敦大學(xué)博士學(xué)位，主要從事機(jī)械故障診斷及機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究工作。為中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、故障診斷專業(yè)委員會(huì)副主任委員、總裝武器裝備振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)專家組成員、湖南省機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，Journal of Mechanical Engineering Science、《振動(dòng)工程學(xué)報(bào)》、《振動(dòng)與沖擊》等刊物編委。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障的動(dòng)力學(xué)機(jī)理、機(jī)械故障診斷方法、信號(hào)處理與故障特征提取等方面做了大量的研究工作，已負(fù)責(zé)或參加了30余項(xiàng)課題的研究，包括國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等。負(fù)責(zé)開發(fā)的狀態(tài)監(jiān)測和故障分析系統(tǒng)已安裝在大量的水輪發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組上。研究成果獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng)；入選教育部“跨世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃”，獲國家杰出青年科學(xué)基金、國務(wù)院政府特殊津貼。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是一種能夠了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。我國現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使機(jī)械設(shè)備日趨大型化、高速化、重載化和復(fù)雜化，功能日趨完善，自動(dòng)化程度越來越高。在此背景下，單個(gè)部件的故障會(huì)影響整個(gè)設(shè)備甚至整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。因此，設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就顯得越來越重要。

對設(shè)備開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷不但能夠防止惡性事故的發(fā)生，其經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著。據(jù)報(bào)道，英國對2000多個(gè)大型企業(yè)的調(diào)查表明，開展了故障診斷工作之后，每年節(jié)省維修費(fèi)用3億英鎊，而用于故障診斷的費(fèi)用僅為0.5億英鎊，收益為投入的6倍；我國瀘州天然氣化學(xué)工業(yè)公司在實(shí)施故障監(jiān)測與診斷的幾年中，使化肥生產(chǎn)機(jī)組在大修中的開缸率從89%降到57%，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)數(shù)千萬元；我國冶金行業(yè)每年用于設(shè)備維修的費(fèi)用達(dá)250億元，若推廣故障診斷技術(shù)，則每年可以減少事故50%～70%，節(jié)約維修費(fèi)用10%～30%。以下介紹我國目前設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀、作用和最新進(jìn)展。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

綜合多種新技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷可分為三個(gè)發(fā)展階段：最初僅依靠如異常振動(dòng)、異常噪聲、異常溫度等感官狀態(tài)，憑經(jīng)驗(yàn)判斷可能存在故障和隱患；第二階段則是以傳感器技術(shù)和動(dòng)態(tài)測試技術(shù)為手段，以信號(hào)處理和建模處理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代診斷技術(shù)，現(xiàn)在已在工程上得到廣泛應(yīng)用；第三階段是以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以人工智能為核心的智能診斷技術(shù)。至今仍不斷有新的技術(shù)被用于實(shí)際的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷當(dāng)中。

中國石油大港石化公司利用Peakvue技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承的早期故障診斷，利用軸承特征頻率成分、加速度時(shí)域波形的峰峰值和Peakvue加速度有效值的閾值實(shí)現(xiàn)軸承運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)警；中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司應(yīng)用ET診斷檢測軟件對其公司的不同種類的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的診斷分析；中海油技術(shù)監(jiān)測有限公司則利用振動(dòng)信號(hào)結(jié)合超聲信號(hào)、鍵相信號(hào)監(jiān)測，對往復(fù)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)做到準(zhǔn)確判斷，克服了油液監(jiān)測只能對各摩擦副的磨損狀態(tài)判斷的缺陷；中國鋁業(yè)青海分公司專業(yè)點(diǎn)檢人員采用VB1000數(shù)據(jù)采集儀器分四個(gè)階段實(shí)現(xiàn)了對滾動(dòng)軸承的故障診斷，并在實(shí)際工程中準(zhǔn)確地判斷出兩次軸承故障，保障了設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)：機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷對設(shè)備的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，從過去對設(shè)備的定期維護(hù)到現(xiàn)在廣泛采用的點(diǎn)檢定修，以及逐步向狀態(tài)監(jiān)測過度，無不是為了提高機(jī)械設(shè)備的利用率，減少設(shè)備檢修維護(hù)的費(fèi)用，節(jié)約成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。所以，需要做到時(shí)刻掌握設(shè)備的健康狀況，并根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)來制定合理的維修計(jì)劃。這樣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)就顯得非常有必要。國內(nèi)各行業(yè)的各大企業(yè)均競相應(yīng)用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，并取得了較大的效益。

廣州易茂科技發(fā)展有限公司引進(jìn)丹麥Rovsing公司開發(fā)的OPENpreditor系統(tǒng)并廣泛地應(yīng)用于我國各大電廠的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中；北京奧技異電器技術(shù)研究所開發(fā)了KDM平臺(tái)并廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)了對電廠生產(chǎn)過程中各類測量系統(tǒng)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和分析；揚(yáng)子石化先后將HART智能儀表實(shí)時(shí)管理與診斷系統(tǒng)應(yīng)用在揚(yáng)子石化烯烴廠乙烯裝置、乙烯裂解爐和化工廠PTA一線和二線上并獲得成功，每年為企業(yè)帶來上千萬元的經(jīng)濟(jì)效益；內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場與北京唐智科技發(fā)展有限公司聯(lián)合開發(fā)了以“廣義共振—共振解調(diào)故障診斷技術(shù)”為核心技術(shù)的JK07460風(fēng)電機(jī)組在線故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)與維修；神華集團(tuán)烏海能源公司西來峰煤化工分公司利用上海鳴志MS1000在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)對西來峰焦化13臺(tái)關(guān)鍵機(jī)組的重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測；蘇里格氣田應(yīng)用便攜式綜合分析儀9260ECR對氣田天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，成功地幫助實(shí)現(xiàn)了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)知維修，降低了維護(hù)費(fèi)用。

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷技術(shù)：基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷技術(shù)是指利用各種通信手段將故障診斷系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、企業(yè)管理系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使企業(yè)不同部門能同時(shí)獲得各部門、各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，也能對不同地區(qū)不同企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和診斷等。隨著機(jī)器設(shè)備朝著大型化、自動(dòng)化、高速化和復(fù)雜化方向發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程機(jī)械監(jiān)測與故障診斷在全世界范圍內(nèi)正迅猛發(fā)展。

在國外，西屋公司建立了遠(yuǎn)程診斷中心，對全美20多個(gè)電廠的設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測。本特利公司推出了商業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)DataManager2000，可以通過NetDDE(網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)向遠(yuǎn)程終端發(fā)送設(shè)備狀況數(shù)據(jù)。國內(nèi)類似的監(jiān)測系統(tǒng)也廣泛地應(yīng)用在各關(guān)鍵領(lǐng)域。例如三一重工集團(tuán)建立了遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對廣泛分布在全球150多個(gè)國家的多達(dá)10萬臺(tái)的在役工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；O(jiān)控和運(yùn)營。北京交通大學(xué)與南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的CRH2型動(dòng)車組遠(yuǎn)程診斷與虛擬維護(hù)系統(tǒng)。天津大學(xué)數(shù)字化制造與智能測控技術(shù)研究所針對數(shù)控裝備的監(jiān)測與診斷研究開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)監(jiān)測及智能維護(hù)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，將智能診斷與專家診斷相結(jié)合，對于缺乏故障診斷專業(yè)知識(shí)的用戶提供了良好的支持。

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷技術(shù)使企業(yè)不同部門能同時(shí)獲得各部門、各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，也能對不同地區(qū)不同企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和診斷

基于大數(shù)據(jù)的監(jiān)測與診斷技術(shù)：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測的需求和監(jiān)測成本的不斷降低，實(shí)際監(jiān)測活動(dòng)中所得到的數(shù)據(jù)往往是海量的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三一重工集團(tuán)利用其遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)所累積的數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到1100億條以上，而相應(yīng)的增長速率竟高達(dá)每天100萬條。如果再把監(jiān)測手段擴(kuò)展到全生命周期，現(xiàn)有的分析手段顯然更是力不從心。這直接導(dǎo)致了大量的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)閑置，以至于所蘊(yùn)含的大量信息潛能沒有被充分地發(fā)揮出來。因此，如何從數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，盡可能的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，挖掘趨勢演變的規(guī)律和價(jià)值是未來設(shè)備監(jiān)測與診斷技術(shù)的一大發(fā)展趨勢?；跀?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)壓縮與處理、以及數(shù)據(jù)挖掘和云計(jì)算技術(shù)的設(shè)備運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析，是認(rèn)識(shí)機(jī)理和關(guān)聯(lián)性的關(guān)鍵步驟，是診斷決策控制的基礎(chǔ)，是未來的發(fā)展方向之一。

大數(shù)據(jù)是近年來倍受關(guān)注的新概念。它早期主要應(yīng)用于商業(yè)、金融等領(lǐng)域，后期才逐漸擴(kuò)展到交通、醫(yī)療、能源等各個(gè)領(lǐng)域。因此，在設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域還缺乏有針對性的文獻(xiàn)資料和成熟的應(yīng)用案例。不過，近年來國內(nèi)也已經(jīng)有許多學(xué)者對大數(shù)據(jù)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用做了分析和展望。例如中國電力科學(xué)研究院的研究人員綜述了國內(nèi)外智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，提出智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究框架和技術(shù)發(fā)展路線建議；中國石油大學(xué)的專家則對大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。在實(shí)際應(yīng)用中，三一重工集團(tuán)也做出了重要的探索。例如充分地利用了數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的綜合分析，包括對車輛操作偏好的分析、對液壓油溫分布的分析、對全國車輛實(shí)時(shí)在線情況的統(tǒng)計(jì)、對車輛開機(jī)時(shí)序的分析、對支腿支撐能力的分析和對故障車輛位置標(biāo)注；通過對地理位置數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)泵車主油缸故障與沿海地區(qū)杭深高鐵建設(shè)的強(qiáng)相關(guān)性，確定了沿海地區(qū)的鹽霧環(huán)境和水質(zhì)是導(dǎo)致油缸密封體腐蝕的主要原因。

應(yīng)用案例

三一重工集團(tuán)工程機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)及其應(yīng)用：工程機(jī)械設(shè)備具有種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)值高；總量大，分布廣；工作環(huán)境多樣的特點(diǎn)，故對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測乃至后續(xù)的故障診斷十分困難。如三一重工集團(tuán)所生產(chǎn)的工程機(jī)械設(shè)備有18個(gè)大類，近300多種產(chǎn)品，數(shù)千種型號(hào)，分布地域廣，相同的設(shè)備會(huì)工作在差異性極大甚至極端的環(huán)境中。

為此，三一重工集團(tuán)與清華大學(xué)合作建立了遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)，開發(fā)了三一重工遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。首先，通過數(shù)據(jù)采集、處理、控制、顯示的全系列核心部件的自主化實(shí)現(xiàn)對每一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的透徹感知；其次，基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)利用全球衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、無線通信技術(shù)（GPRS）、地理信息技術(shù)(GIS)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息技術(shù)建立了穩(wěn)定的互通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；最后，建立了基于自由表的大規(guī)模狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框架，提出了從主機(jī)、工況、時(shí)間等多維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)正交分割與合并策略，形成了大規(guī)模工況數(shù)據(jù)高性價(jià)比儲(chǔ)存與分析的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。典型的具體應(yīng)用實(shí)例包括攪拌站智能服務(wù)系統(tǒng)、工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)平臺(tái)、施工數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和智能手機(jī)自助服務(wù)終端。這標(biāo)志著三一重工工程機(jī)械智能化與遠(yuǎn)程監(jiān)控相融合進(jìn)入實(shí)質(zhì)性運(yùn)營階段。

KDM系統(tǒng)的基本框架圖

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)（KDM）在電廠生產(chǎn)過程中的應(yīng)用：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是電廠生產(chǎn)過程中各類測量系統(tǒng)自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)，可廣泛地用于生產(chǎn)運(yùn)營的各種領(lǐng)域，是電力企業(yè)寶貴的數(shù)據(jù)資源，是在線經(jīng)營管理最為重要、客觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。經(jīng)過多年努力，各種針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)已在行業(yè)中運(yùn)行，發(fā)揮了一定的作用，但與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的巨大潛力相比，還只是冰山一角。為了挖掘?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究發(fā)展中所遇到的各種瓶頸，利用先進(jìn)的IT技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，大膽創(chuàng)新，頂層設(shè)計(jì)。北京奧技異電器技術(shù)研究所開發(fā)的KDM平臺(tái)正是在這一背景下針對電力行業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的平臺(tái)化軟件產(chǎn)品。

該平臺(tái)利用“邏輯集中”代替了“物理集中”，即躲開了海量存儲(chǔ)，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中；利用 KKS（(ArbeitskreisKraftwerk-KennzeichenSystem）編碼實(shí)現(xiàn)了電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的命名；借鑒了蘋果公司的AppStore模式，通過接口服務(wù)來提取數(shù)據(jù)，該模式遠(yuǎn)比從數(shù)據(jù)庫直接讀取數(shù)據(jù)容易得多。KDM平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多種軟件功能，包括：全面系統(tǒng)地?cái)?shù)據(jù)展示（報(bào)警狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)、數(shù)據(jù)屬性、歷史趨勢、同期趨勢等）；針對任意信號(hào)評價(jià)、預(yù)警等在線判斷；趨勢檢查功能；對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行即席分析的數(shù)據(jù)挖掘；進(jìn)行如振動(dòng)分析、發(fā)電機(jī)諧波分析等專業(yè)分析；根據(jù)業(yè)主需求訂制、自動(dòng)生成業(yè)務(wù)報(bào)表；進(jìn)行效率優(yōu)化、安全優(yōu)化等。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)前景遠(yuǎn)大

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的研究成果被用來豐富和發(fā)展現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，也有越來越多的部門和企業(yè)意識(shí)到了此技術(shù)的重要性?？傊?，隨著不同學(xué)科在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域的多層次協(xié)作，加上生產(chǎn)部門、管理部門、使用部門的重視和密切配合，必將使設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)發(fā)揮更大的作用。

某電廠蒸汽輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)（控制室）