大型復雜設備健康管理技術

趙中敏，王茂凡

（1.淮海工學院工程訓練中心，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）

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

一、健康管理技術

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

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

二、大型復雜設備健康管理系統(tǒng)的設計

1.大型復雜設備健康管理系統(tǒng)的組成及功能

以數(shù)控設備為監(jiān)測對象，構建健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)設備各子系統(tǒng)的狀態(tài)評估、壽命預測、故障預警和故障診斷(圖2)。

(1)監(jiān)測對象：健康管理系統(tǒng)監(jiān)測對象包括數(shù)控設備的主軸系統(tǒng)、導軌副、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，多傳感器信號經采集系統(tǒng)輸入工控機進行信號分析、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系，實現(xiàn)部件性能退化趨勢預測。

(4)壽命預測模型：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前條件下的剩余壽命進行預測。

(5)故障預報系統(tǒng)：故障預報系統(tǒng)根據(jù)設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)及整機性能評估及壽命預測：各子系統(tǒng)的狀態(tài)評估、故障預警與診斷、壽命預測均通過壽命預測模型、故障預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)控設備整機的狀態(tài)評估與智能診斷。

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

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

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

(10)管理用戶層：車間的設備管理及工藝人員作為網絡的節(jié)點，可以遠程獲取數(shù)控設備的各種加工信息和狀態(tài)信息，從而對設備進行準確合理的調度及維護。

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

2.大型數(shù)控設備健康管理系統(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)進行監(jiān)測，具體結構如圖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直讀技術獲取PLC點位信息，構成狀態(tài)矩陣，并采用圖形化方式將電氣原理圖進行對照輸出，以便快速診斷和維修故障。

(3)導軌副：X向、Y向和Z向導軌采用滑動導軌，在滑動體上安裝三向振動傳感器監(jiān)測導軌的變形及磨損。

(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致的振動及沖擊脈沖。絲杠兩側的支撐端分別安裝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)測主軸電機和2個進給電機的實際負載狀況及功率變化。

(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)采集卡轉換后輸入工控機進行分析與計算，分析獲得的設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)服務器存儲，同時在設備的人機界面HMI上實時滾動顯示，便于操作人員掌握設備各個部件的運行及狀態(tài)信息。

三、設備健康管理流程

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

1.健康狀態(tài)監(jiān)測

設備健康狀態(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)進行信息采集。設備狀態(tài)信息應是多層次、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)測等技術手段獲取設備健康狀態(tài)信息，并通過信號處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合等方法處理設備健康狀態(tài)信息。

2.健康狀態(tài)評估

圖4 設備健康管理流程

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)獲得的設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，定期或不定期地對設備狀態(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)，確定設備的健康等級，并向相關的設備使用人員、維修人員或管理人員報警。

3.健康狀態(tài)預測

設備健康狀態(tài)預測的主要目的是確定設備退化規(guī)律，明確設備未來健康狀態(tài)，并對設備及時進行診斷、治療，避免設備健康狀態(tài)進一步惡化。設備健康狀態(tài)預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)進行評估和預測，并做出科學的設備維修決策。設備健康狀態(tài)管理可以通過各種預測方法(如灰色預測、人工神經網絡等)預測設備或部件未來的健康狀態(tài)，保證在設備嚴重停機事故發(fā)生之前，有足夠的時間制訂和實施維修計劃。

4.設備維修決策

根據(jù)設備健康狀態(tài)的診斷和預測結果進行判斷，如果其在正常范圍內，可對設備進行日常維護保養(yǎng)；如果其健康狀態(tài)退化，則可由設備保障部門開具維修任務單，準備材料(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)標準，下發(fā)到維修分隊或維修人員手中，由維修人員根據(jù)維修任務單對設備進行維修或調整，把可能造成設備故障的狀態(tài)參數(shù)值調節(jié)或恢復到正常范圍內。如果設備健康狀態(tài)的退化屬于設計制造方面的系統(tǒng)問題，則在進行維修的同時，還應將設備健康狀態(tài)退化情況反饋到設備研制生產管理部門，為設備型號的改進發(fā)展提供依據(jù)。

四、設備健康管理的主要關鍵技術

1.融合技術

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的整體效能。融合在復雜系統(tǒng)綜合健康管理系統(tǒng)中的主要應用領域有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)融合得到的特征進行智能綜合，以獲得最可信的診斷信息；信息融合，綜合經驗信息和信號信息，提高預測精度。

融合技術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，權衡復雜系統(tǒng)綜合健康管理中的融合級別與實現(xiàn)；開發(fā)一種適合復雜系統(tǒng)的融合體系結構，如集中式融合、自主融合、混合融合體系結構等，并考慮與綜合健康管理系統(tǒng)體系結構中其他功能的協(xié)同。

2.預測技術

預測是對尚未發(fā)生、或者目前還不明確的事物進行預先估計和推測，是在現(xiàn)時對事物將要發(fā)生的結果進行探討和研究。預測方法從本質上可以分成基于物理模型的預測、基于規(guī)則的預測和基于統(tǒng)計模型的預測3種。對于復雜系統(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測技術，解決傳統(tǒng)方法的不足。因此，要實現(xiàn)復雜的加工設備綜合健康管理，就必須研究開發(fā)一種通用的預測框架。預測框架就是一種系統(tǒng)級的預測管理程序，用于綜合不同的診斷或預測數(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

決策支持技術主要用來解決非結構化、半結構化問題，以區(qū)別于處理結構化問題的信息系統(tǒng)。在復雜系統(tǒng)健康管理中，決策支持技術需要解決的問題有任務的形式化描述、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)先級和決策調度。

五、結語

復雜設備健康管理是一項任重道遠的工作，目前各種健康管理系統(tǒng)已逐步在部分關鍵的系統(tǒng)和部件中得到應用。此外，如何正確有效地評估、預測復雜設備的健康狀態(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.先進的故障預測與狀態(tài)管理技術[J].測控技術，2003，22(11):4－6.

[5]朱紅萍，莉敏.復雜系統(tǒng)故障預測與綜合健康管理技術的研究[J].機電一體化，2009，(7):32-34.