多源信息融合技術(shù)在泵站設(shè)備監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

胡 鑫，雷文平，韓 捷

（鄭州大學(xué)振動(dòng)工程研究所，鄭州 450001）

0 引言

多源信息融合即多傳感器信息融合，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組往往安裝多種傳感器以測(cè)得機(jī)組的振動(dòng)參數(shù)、工藝量參數(shù)、電氣參數(shù)等數(shù)據(jù)。唐初直諫大夫魏征曾有一句名言：“兼聽(tīng)則明，偏聽(tīng)則暗”，意思是說(shuō)采納各種不同的意見(jiàn)作決策往往是明智的，而偏信一家之言則難免有失偏頗。人類(lèi)和動(dòng)物在獲得客觀對(duì)象的感知信息時(shí)，通過(guò)看、聽(tīng)、摸、嗅、味等方式獲得不同的感知信息，經(jīng)過(guò)大腦處理之后才形成一個(gè)完整的認(rèn)知結(jié)果。同樣，在工業(yè)現(xiàn)代化和智能化的今天，對(duì)水泵設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的多源參數(shù)，做到綜合考慮分析得出故障診斷結(jié)果和機(jī)組的總體評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性，保障機(jī)組高效的運(yùn)行，具有重要意義。

1 多源信息融合技術(shù)概述

多源信息融合技術(shù)的原理是模擬人類(lèi)大腦[1]對(duì)接收到的各種信息進(jìn)行加工處理，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)理論知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析做出最終判斷的過(guò)程。多源信息融合中在把各種傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除冗余、時(shí)空對(duì)準(zhǔn)等處理操作后，根據(jù)某種組合規(guī)則對(duì)各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理，最后獲得對(duì)被監(jiān)測(cè)目標(biāo)一致的理解和認(rèn)知。多源信息融合的目的是通過(guò)對(duì)多方面的信息有規(guī)則的組合進(jìn)而推導(dǎo)出更多有價(jià)值的信息，這個(gè)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的輸入輸出，而是各類(lèi)信息相互作用的結(jié)果。多源信息融合就是利用多種傳感器提供的多方面多角度的優(yōu)勢(shì)，從而提高整個(gè)傳感器融合系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性[2]。

2 設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及功能簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器、智能信號(hào)采集器、交換機(jī)、服務(wù)器等；軟件包括存儲(chǔ)采集信號(hào)數(shù)據(jù)用的數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)整體布局圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體布局圖

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組安裝的振動(dòng)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、電流等多種傳感器，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集到采集器中，經(jīng)過(guò)處理后，再通過(guò)交換機(jī)上傳到系統(tǒng)服務(wù)器，并存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶(hù)通過(guò)局域網(wǎng)交換機(jī)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。另外通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程診斷中心專(zhuān)家可以對(duì)機(jī)組做出在線(xiàn)診斷；用移動(dòng)智能手機(jī)，可以實(shí)時(shí)查看機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

系統(tǒng)主要功能包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)分析、專(zhuān)家系統(tǒng)、綜合評(píng)價(jià)等模塊。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊可以查看機(jī)組實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；振動(dòng)分析模塊提供波形、頻譜、倒頻譜、細(xì)化譜、功率譜、短時(shí)FFT分析等分析方法；專(zhuān)家系統(tǒng)模塊通過(guò)分析振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜特征，融合工藝量數(shù)據(jù)的變化特征，做出對(duì)機(jī)組的故障診斷；綜合評(píng)價(jià)模塊整合振動(dòng)評(píng)價(jià)、電氣評(píng)價(jià)、溫度評(píng)價(jià)、潤(rùn)滑點(diǎn)檢評(píng)價(jià)及效率評(píng)價(jià)等信息，做出對(duì)機(jī)組的整體評(píng)價(jià)。

3 多源信息融合技術(shù)在系統(tǒng)中的運(yùn)用

多源信息融合技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面是在專(zhuān)家系統(tǒng)中的應(yīng)用，另一方面是在綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

3.1 在專(zhuān)家系統(tǒng)中的應(yīng)用

專(zhuān)家系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警信息，提取振動(dòng)參數(shù)的故障征兆信息、工藝參數(shù)的變化信息及電氣參數(shù)信息，通過(guò)模糊產(chǎn)生式規(guī)則將三者融合，最后推理得到診斷結(jié)果。故障推理流程如圖2所示。

圖2 故障推理流程圖

專(zhuān)家系統(tǒng)采用基于規(guī)則的正向推理模式進(jìn)行診斷，系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，識(shí)別測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的波形頻譜結(jié)構(gòu)特征，及機(jī)組近段時(shí)間的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力變化情況，最后得出診斷決策結(jié)果及可信度，并生成報(bào)告。

3.2 在綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

綜合評(píng)價(jià)是將設(shè)備的振動(dòng)、溫度、電氣等項(xiàng)目進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)價(jià)，將多項(xiàng)評(píng)價(jià)的總體評(píng)價(jià)結(jié)果作為設(shè)備的健康狀態(tài)。系統(tǒng)單靠某一個(gè)通道的通頻值評(píng)價(jià)有可能造成機(jī)組狀態(tài)報(bào)警信息的誤報(bào)或者漏報(bào)，為避免這一現(xiàn)象造成的干擾，系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)的細(xì)化處理。首先對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)，將振動(dòng)信號(hào)中的各個(gè)子頻段抽取出來(lái)，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的子部件比如轉(zhuǎn)子，軸承，齒輪等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依據(jù)模糊加權(quán)理論，確定振動(dòng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。其次，對(duì)電機(jī)感應(yīng)電流數(shù)據(jù)，通過(guò)細(xì)化譜技術(shù)，引入電機(jī)電流信號(hào)分析模型，對(duì)其轉(zhuǎn)子斷條，匝間短路，氣隙偏心等故障進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)價(jià)，并依據(jù)模糊加權(quán)理論，確定電機(jī)信號(hào)的評(píng)價(jià)結(jié)果。再次對(duì)溫度指標(biāo)，處理考慮實(shí)測(cè)值之外，還對(duì)機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境因素進(jìn)行考察，比如考慮環(huán)境溫度，機(jī)組轉(zhuǎn)速等因素的影響，對(duì)其數(shù)值進(jìn)行歸一化的整理并進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依據(jù)模糊加權(quán)理論，確定溫度指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。最后，將振動(dòng)，電機(jī)電流，溫度以及其他的比如潤(rùn)滑、點(diǎn)檢、效率等工藝量評(píng)價(jià)結(jié)果通過(guò)模糊加權(quán)綜合評(píng)價(jià)，得出機(jī)組整體的評(píng)價(jià)。例如：設(shè)定綜合評(píng)價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表

最后根據(jù)H的大小確定機(jī)組的整體健康狀態(tài)，H＞0.9（機(jī)組良好），0.7＜H＜0.9（機(jī)組可用），H＜0.7（機(jī)組需檢查）。

4 實(shí)際應(yīng)用

上海某水廠(chǎng)泵站共五臺(tái)泵，每臺(tái)泵安裝8個(gè)振動(dòng)測(cè)傳感器，泵房安裝環(huán)境溫度傳感器一個(gè)，另外通過(guò)工業(yè)OPC數(shù)據(jù)庫(kù)獲取軸承溫度、定子溫度、泵流量、轉(zhuǎn)速、壓力、動(dòng)態(tài)電流等數(shù)據(jù)。

水泵機(jī)組的故障具有種類(lèi)復(fù)雜、多樣且漸變、不規(guī)則等特點(diǎn)，若從某單一方面進(jìn)行故障診斷，其診斷結(jié)果不完備也不準(zhǔn)確[3]。泵常見(jiàn)故障類(lèi)型有轉(zhuǎn)子不平衡，不對(duì)中、彎曲、動(dòng)靜碰摩、葉輪偏心以及軸承磨損等。為準(zhǔn)確識(shí)別這些故障，選取相關(guān)故障特征參數(shù)為指導(dǎo)：0～0.4倍頻、1/3倍頻、0.4～0.5倍頻、1/2倍頻、0.5～1倍頻、1倍頻、2倍頻、3倍頻、4倍頻、5倍頻、機(jī)組轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、壓力、流量、定子溫度、軸承溫度、動(dòng)態(tài)電流。系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警信息，識(shí)別以上特征參數(shù)，分別得到其權(quán)值大小，并診斷出各參數(shù)對(duì)應(yīng)的故障診斷結(jié)果及置信度，最后根據(jù)置信度的大小對(duì)診斷結(jié)果排序過(guò)濾，將置信度最大的診斷結(jié)果作為最終的診斷結(jié)果。結(jié)果表明，采用多源信息融合技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)，大大提高了故障確診率，減小了診斷的不確定性。

圖3 綜合評(píng)價(jià)界面

對(duì)機(jī)組的綜合評(píng)價(jià)方面，自系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行效率低，或潤(rùn)滑不及時(shí)等情況造成的單方面評(píng)價(jià)較低，但是這些都不是機(jī)組健康狀況的主要影響，因此最終對(duì)機(jī)組的總體評(píng)價(jià)仍是良好。評(píng)價(jià)界面見(jiàn)圖3。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 采用多源信息融合技術(shù)將振動(dòng)、工藝參數(shù)相融合，并應(yīng)用到泵站故障診斷系統(tǒng)中，大大提高了故障的診斷效率和準(zhǔn)確性，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

5.2 系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各參數(shù)的單項(xiàng)評(píng)價(jià)，通過(guò)模糊加權(quán)原則，最后得出機(jī)組的總體評(píng)價(jià)，方便及時(shí)掌握機(jī)組的實(shí)時(shí)健康狀況，提高了機(jī)組的可維護(hù)性。

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