[摘 要]機(jī)泵群設(shè)備的故障監(jiān)測和定位技術(shù)對于提高裝置生產(chǎn)效率和保障設(shè)備安全具有重要意義。文章以煤化工機(jī)泵群設(shè)備為研究對象，通過分析設(shè)備故障監(jiān)測的現(xiàn)狀和存在的問題，提出了一種基于先進(jìn)傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的故障監(jiān)測和定位技術(shù)，并對該技術(shù)進(jìn)行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效地監(jiān)測和定位設(shè)備故障，為煤業(yè)煤制油行業(yè)提供了一種可行的設(shè)備管理和維護(hù)方法。

[關(guān)鍵詞]機(jī)泵群設(shè)備；故障監(jiān)測；定位技術(shù)；數(shù)據(jù)驅(qū)動；信號處理

[中圖分類號]TQ086 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0058–03

Research on Fault Monitoring and Localization Technology for Coal Chemical Machinery Pump Group Equipment

QIN Yunqiu，ZHONG Bo，LAN Tian，XIAO Xue，HE Xiao

[Abstract]The fault monitoring and positioning technology of pump group equipment is of great significance for improving device production efficiency and ensuring equipment safety. the article takes the coal chemical machinery pump group equipment as the research object， analyzes the current situation and existing problems of equipment fault monitoring， proposes a fault monitoring and positioning technology based on advanced sensing technology and data analysis methods， and conducts experimental verification of this technology. The experimental results indicate that this technology can effectively monitor and locate equipment faults， providing a feasible method for equipment management and maintenance in the coal to oil industry.

[Keywords]pump group equipment； fault monitoring； positioning technology； data driven； signal processing

1 機(jī)泵群設(shè)備故障監(jiān)測現(xiàn)狀和問題分析

1.1 機(jī)泵群設(shè)備的作用和重要性

在化工裝置生產(chǎn)過程中，機(jī)泵群主要用于各種工藝介質(zhì)的輸送和處理，其負(fù)責(zé)將不同的介質(zhì)從一個流程輸送至下一個流程，其正常運(yùn)行對于確保裝置生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，任何機(jī)泵群設(shè)備的故障都可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、效率下降甚至生產(chǎn)中斷。因此，保障機(jī)泵群設(shè)備的安全運(yùn)行對于裝置安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行具有重要意義。

1.2 現(xiàn)有故障監(jiān)測方法的優(yōu)缺點

目前，針對機(jī)泵群設(shè)備的故障監(jiān)測方法主要包括傳統(tǒng)的人工巡檢和基于傳感器的自動監(jiān)測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的人工巡檢方法主要依賴于運(yùn)行人員的經(jīng)驗和觀察，存在著人力資源消耗大、監(jiān)測周期長、監(jiān)測精度低等問題。而基于傳感器的自動監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測，但常面臨著傳感器安裝不便、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、故障判定準(zhǔn)確性低等挑戰(zhàn)。

1.3 存在的問題和挑戰(zhàn)

（1）傳感器的選擇和應(yīng)用。如何選擇適合煤化工生產(chǎn)環(huán)境的傳感器，并解決其安裝和維護(hù)問題，是一個待解決的難題。

（2）故障監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理。包括數(shù)據(jù)采集的實時性和準(zhǔn)確性、大數(shù)據(jù)處理的效率和可靠性等方面的挑戰(zhàn)。

（3）如何選擇合適的數(shù)據(jù)分析方法，并將其與故障監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集成，以實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，也是一個亟待解決的問題。

2 基于先進(jìn)傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析的故障監(jiān)測和定位技術(shù)

2.1 先進(jìn)傳感技術(shù)的選擇和應(yīng)用

先進(jìn)傳感技術(shù)可提供準(zhǔn)確、實時的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況和檢測潛在故障。在機(jī)泵群設(shè)備中，常用的先進(jìn)傳感技術(shù)包括振動傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等。振動傳感器可監(jiān)測設(shè)備振動的特征，通過分析振動信號的頻譜和幅值變化，判斷設(shè)備是否存在異常振動，如不平衡、松動或軸承故障等。溫度傳感器可用于測量設(shè)備各個部件的溫度情況，異常的溫度變化可提示設(shè)備可能存在故障或過熱情況。壓力傳感器可監(jiān)測設(shè)備的壓力波動，如管道堵塞或泄漏等問題。在選擇傳感技術(shù)時，需要根據(jù)設(shè)備的特點和故障模式進(jìn)行合理選擇。不同的傳感器可提供不同類型的數(shù)據(jù)，綜合使用多種傳感器可獲得更全面和準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)信息。此外，還可以考慮使用一些先進(jìn)的傳感技術(shù)，如紅外熱像儀、聲音傳感器等，以增強(qiáng)對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷能力。

2.2 故障監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理

針對機(jī)泵群設(shè)備的故障監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和故障定位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是傳感器的布置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇。傳感器應(yīng)合理布置在關(guān)鍵位置，以捕捉到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化。例如，對于煤漿泵，可在泵體、軸承和密封處等位置安裝振動傳感器，以監(jiān)測振動情況；在關(guān)鍵管道上安裝壓力傳感器，以監(jiān)測壓力變化。

還需要選擇合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡或無線傳輸模塊，以確保傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和傳輸。采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理和清洗，以去除噪聲和異常值，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。預(yù)處理過程可能包括信號濾波、去除采樣偏差、校正和標(biāo)定等。清洗后的數(shù)據(jù)可存儲在數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)分析使用。數(shù)據(jù)的處理和分析可利用各種技術(shù)和方法，如特征提取、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計分析等。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可識別設(shè)備的異常狀態(tài)和故障模式，進(jìn)一步實現(xiàn)故障的監(jiān)測和定位。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

不同的數(shù)據(jù)分析方法可揭示數(shù)據(jù)中的潛在模式和異常，從而實現(xiàn)對設(shè)備故障的判定、預(yù)測和優(yōu)化。例如：①統(tǒng)計分析方法，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計、頻率分析和趨勢分析等，可了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障模式。其可幫助識別設(shè)備的典型故障特征和異常數(shù)據(jù)點，從而提供故障診斷和預(yù)測的依據(jù)。②機(jī)器學(xué)習(xí)方法在機(jī)泵群設(shè)備故障監(jiān)測中具有廣泛應(yīng)用，可基于歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模式和關(guān)聯(lián)規(guī)律，實現(xiàn)對設(shè)備故障的預(yù)測和定位。常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括決策樹、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些算法可自動從大量數(shù)據(jù)中提取特征，并構(gòu)建預(yù)測模型。③人工智能技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)模型可通過多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的高級特征表示，從而實現(xiàn)對復(fù)雜故障模式的識別和預(yù)測。深度學(xué)習(xí)方法對于大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理和復(fù)雜關(guān)聯(lián)的發(fā)現(xiàn)具有較強(qiáng)的能力，能夠提供更準(zhǔn)確和可靠的故障診斷和定位結(jié)果。此外，還可以結(jié)合其他數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如時間序列分析、模式識別和異常檢測等，以進(jìn)一步優(yōu)化故障監(jiān)測和定位的效果。

2.4 故障定位算法的設(shè)計和實現(xiàn)

通過準(zhǔn)確定位故障點，可快速采取相應(yīng)的維修措施。針對機(jī)泵群設(shè)備的故障定位，可借助機(jī)器學(xué)習(xí)和模型識別等方法進(jìn)行分析。故障定位算法的設(shè)計和實現(xiàn)通常包括以下步驟：①數(shù)據(jù)預(yù)處理。對采集到的故障監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、歸一化和特征提取等預(yù)處理操作，以減少噪聲和提取有用的信息。②特征選擇。根據(jù)問題的特點和數(shù)據(jù)的性質(zhì)，選擇合適的特征用于故障定位。特征選擇可通過統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析和特征重要性評估等方法進(jìn)行。③模型訓(xùn)練。根據(jù)選定的數(shù)據(jù)分析方法，構(gòu)建適當(dāng)?shù)墓收隙ㄎ荒Ｐ?。這可能涉及模型的選擇、參數(shù)的調(diào)整和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的劃分等步驟。④故障定位。利用訓(xùn)練好的模型對新的故障監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測和定位。根據(jù)模型的輸出，確定故障發(fā)生的位置和原因，并生成相應(yīng)的報警或維修建議。

在設(shè)計和實現(xiàn)故障定位算法時，需要考慮數(shù)據(jù)量、特征的選擇、模型的復(fù)雜度和實時性等因素。同時，定期評估和更新故障定位算法，結(jié)合實際維修和維護(hù)情況，不斷改進(jìn)算法的準(zhǔn)確性和魯棒性。

3 試驗驗證和結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)計和設(shè)備布置

為了驗證在煤業(yè)煤制油機(jī)泵群設(shè)備中應(yīng)用基于先進(jìn)傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析的故障監(jiān)測和定位技術(shù)，設(shè)計了一組試驗，并進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)備布置。試驗選取了代表性的機(jī)泵群設(shè)備，如煤漿泵、攪拌器和分配閥等作為監(jiān)測對象。針對每個設(shè)備，安裝了適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，如振動傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)備布置方面，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作特點，合理選擇傳感器的位置和數(shù)量。例如，對于煤漿泵，安裝振動傳感器在泵體上，以監(jiān)測泵的振動情況；同時安裝溫度傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)測泵體的溫度和壓力變化。通過在不同位置安裝多個傳感器，可獲取更全面和準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理過程

在試驗過程中，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實時記錄，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和清洗。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可包括數(shù)據(jù)采集卡、傳感器信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可獲得傳感器實時采集到的原始數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)的預(yù)處理，進(jìn)行一系列的處理步驟，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。

預(yù)處理過程可能包括去除采集過程中的噪聲、對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以及檢測和處理異常值等。這些預(yù)處理步驟有助于提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。處理后的數(shù)據(jù)被存儲于數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)分析使用。數(shù)據(jù)庫可采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或時序數(shù)據(jù)庫等，以便有效地組織和管理大量的設(shè)備數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)庫，可方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索和分析，為故障監(jiān)測和定位提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 故障監(jiān)測和定位結(jié)果分析

通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和模式識別，檢測設(shè)備是否存在異常狀態(tài)。例如，通過對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，識別設(shè)備是否存在異常的振動頻率。特征提取方法可從海量數(shù)據(jù)中提取出關(guān)鍵的信息，以進(jìn)行故障監(jiān)測。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)和模型識別等方法，從而定位故障的具體位置和原因。通過與歷史故障數(shù)據(jù)的比對，可推斷某個設(shè)備是否發(fā)生了類似的故障，從而快速定位故障點。例如，如果某個煤漿泵的振動頻率異常與之前類似的故障一致，就可推斷該煤漿泵可能存在故障，并通過進(jìn)一步分析確定具體的故障原因。

4 討論和改進(jìn)建議

4.1 試驗結(jié)果的有效性和可行性評估

（1）需要評估試驗中所采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。這可通過與人工巡檢結(jié)果或已知故障情況進(jìn)行對比來實現(xiàn)。如果試驗結(jié)果與已知情況一致，那么可認(rèn)為試驗結(jié)果是有效的。此外，還可通過重復(fù)試驗和統(tǒng)計分析來驗證試驗結(jié)果的可靠性。

（2）需要評估故障監(jiān)測和定位結(jié)果的準(zhǔn)確性和實用性。這可通過與實際維修和保養(yǎng)記錄的對比來實現(xiàn)。如果試驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確地指出故障點并提供有效的維修建議，那么可認(rèn)為試驗結(jié)果可行。評估試驗結(jié)果的有效性和可行性需要綜合考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性以及與實際情況的對比。只有在試驗結(jié)果經(jīng)過嚴(yán)格的評估和驗證后，才能確信結(jié)果可靠，并且可為實際應(yīng)用提供有用的指導(dǎo)和建議。

4.2 改進(jìn)和優(yōu)化的方向

可進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的選擇和布置，以提高數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性。根據(jù)試驗結(jié)果和實際需求，可以考慮增加或調(diào)整傳感器的數(shù)量和位置，以獲取更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?？商剿鞲冗M(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法和算法，以提高故障監(jiān)測和定位的精度和效率。例如，可嘗試使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)構(gòu)建預(yù)測模型和故障診斷算法。這些先進(jìn)的方法可從大量數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征，并準(zhǔn)確地預(yù)測和定位故障。還可以考慮引入實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，以實現(xiàn)對機(jī)泵群設(shè)備的長期監(jiān)測和管理。通過將傳感器數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相連接，可實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，并及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的故障問題。這有助于提高設(shè)備的可靠性和運(yùn)行效率，并減少維修和停機(jī)時間。

5 結(jié)束語

機(jī)泵群設(shè)備故障監(jiān)測及定位技術(shù)在煤化工領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。通過數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理、信號處理和特征提取、機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用等，可實現(xiàn)對機(jī)泵群設(shè)備的故障實時監(jiān)測和準(zhǔn)確定位，從而提高設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)效率。隨著傳感器技術(shù)和算法的不斷發(fā)展，機(jī)泵群設(shè)備故障監(jiān)測及定位技術(shù)的研究將不斷取得新的突破。未來，可進(jìn)一步探索更高效、精確的數(shù)據(jù)采集和處理方法，提高故障診斷和定位的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張雪瑞，李磊.機(jī)泵群設(shè)備故障監(jiān)測及診斷技術(shù)研究綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2020，39（9）：1418-1424.