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

文/褚福磊

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

文/褚福磊

我國現(xiàn)代工業(yè)及科學技術的飛速發(fā)展使機械設備日趨大型化、高速化、重載化和復雜化，功能日趨完善，自動化程度越來越高。在此背景下，單個部件的故障會影響整個設備甚至整個生產(chǎn)線的正常運行。因此，設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就顯得越來越重要，其經(jīng)濟效益也十分顯著。

褚福磊，清華大學機械工程系教授、博士研究生導師。英國南安普敦大學博士學位，主要從事機械故障診斷及機械動力學的研究工作。為中國振動工程學會常務理事、故障診斷專業(yè)委員會副主任委員、總裝武器裝備振動與噪聲控制技術專家組成員、湖南省機械設備健康維護省重點實驗室學術委員會主任，Journal of Mechanical Engineering Science、《振動工程學報》、《振動與沖擊》等刊物編委。在旋轉機械典型故障的動力學機理、機械故障診斷方法、信號處理與故障特征提取等方面做了大量的研究工作，已負責或參加了30余項課題的研究，包括國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目等。負責開發(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)電機組和汽輪發(fā)電機組上。研究成果獲國家自然科學獎二等獎1項，獲省部級科技獎勵7項；入選教育部“跨世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃”，獲國家杰出青年科學基金、國務院政府特殊津貼。

設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術是一種能夠了解和掌握設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，并能預報故障發(fā)展趨勢的技術。我國現(xiàn)代工業(yè)及科學技術的飛速發(fā)展使機械設備日趨大型化、高速化、重載化和復雜化，功能日趨完善，自動化程度越來越高。在此背景下，單個部件的故障會影響整個設備甚至整個生產(chǎn)線的正常運行。因此，設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就顯得越來越重要。

對設備開展狀態(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)濟效益也十分顯著。據(jù)報道，英國對2000多個大型企業(yè)的調查表明，開展了故障診斷工作之后，每年節(jié)省維修費用3億英鎊，而用于故障診斷的費用僅為0.5億英鎊，收益為投入的6倍；我國瀘州天然氣化學工業(yè)公司在實施故障監(jiān)測與診斷的幾年中，使化肥生產(chǎn)機組在大修中的開缸率從89%降到57%，由此帶來的經(jīng)濟效益達數(shù)千萬元；我國冶金行業(yè)每年用于設備維修的費用達250億元，若推廣故障診斷技術，則每年可以減少事故50%～70%，節(jié)約維修費用10%～30%。以下介紹我國目前設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術現(xiàn)狀、作用和最新進展。

設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的發(fā)展趨勢

綜合多種新技術的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷：設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷可分為三個發(fā)展階段：最初僅依靠如異常振動、異常噪聲、異常溫度等感官狀態(tài)，憑經(jīng)驗判斷可能存在故障和隱患；第二階段則是以傳感器技術和動態(tài)測試技術為手段，以信號處理和建模處理為基礎的現(xiàn)代診斷技術，現(xiàn)在已在工程上得到廣泛應用；第三階段是以計算機和信息技術為基礎，以人工智能為核心的智能診斷技術。至今仍不斷有新的技術被用于實際的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷當中。

中國石油大港石化公司利用Peakvue技術實現(xiàn)了滾動軸承的早期故障診斷，利用軸承特征頻率成分、加速度時域波形的峰峰值和Peakvue加速度有效值的閾值實現(xiàn)軸承運行狀態(tài)的預警；中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司應用ET診斷檢測軟件對其公司的不同種類的設備實現(xiàn)了統(tǒng)一的診斷分析；中海油技術監(jiān)測有限公司則利用振動信號結合超聲信號、鍵相信號監(jiān)測，對往復機的運行狀態(tài)做到準確判斷，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)點檢人員采用VB1000數(shù)據(jù)采集儀器分四個階段實現(xiàn)了對滾動軸承的故障診斷，并在實際工程中準確地判斷出兩次軸承故障，保障了設備安全平穩(wěn)運行。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)：機械設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷對設備的長期安全穩(wěn)定運行至關重要，從過去對設備的定期維護到現(xiàn)在廣泛采用的點檢定修，以及逐步向狀態(tài)監(jiān)測過度，無不是為了提高機械設備的利用率，減少設備檢修維護的費用，節(jié)約成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。所以，需要做到時刻掌握設備的健康狀況，并根據(jù)設備的狀態(tài)來制定合理的維修計劃。這樣設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)就顯得非常有必要。國內各行業(yè)的各大企業(yè)均競相應用設備狀態(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)展有限公司引進丹麥Rovsing公司開發(fā)的OPENpreditor系統(tǒng)并廣泛地應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研究所開發(fā)了KDM平臺并廣泛應用于水輪機的運行狀態(tài)監(jiān)測，并實現(xiàn)了對電廠生產(chǎn)過程中各類測量系統(tǒng)自動生成數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和分析；揚子石化先后將HART智能儀表實時管理與診斷系統(tǒng)應用在揚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)濟效益；內蒙古輝騰錫勒風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—共振解調故障診斷技術”為核心技術的JK07460風電機組在線故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)對風力發(fā)電機的維護與維修；神華集團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臺關鍵機組的重點設備進行狀態(tài)監(jiān)測；蘇里格氣田應用便攜式綜合分析儀9260ECR對氣田天然氣發(fā)動機進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，成功地幫助實現(xiàn)了天然氣發(fā)動機的預知維修，降低了維護費用。

基于網(wǎng)絡的遠程監(jiān)測與診斷技術：基于網(wǎng)絡的遠程監(jiān)測與診斷技術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)、設備控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡互聯(lián)，使企業(yè)不同部門能同時獲得各部門、各設備的運行狀態(tài)信息，也能對不同地區(qū)不同企業(yè)的設備進行監(jiān)測和診斷等。隨著機器設備朝著大型化、自動化、高速化和復雜化方向發(fā)展，基于網(wǎng)絡的遠程機械監(jiān)測與故障診斷在全世界范圍內正迅猛發(fā)展。

在國外，西屋公司建立了遠程診斷中心，對全美20多個電廠的設備進行在線監(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)絡動態(tài)數(shù)據(jù)交換)向遠程終端發(fā)送設備狀況數(shù)據(jù)。國內類似的監(jiān)測系統(tǒng)也廣泛地應用在各關鍵領域。例如三一重工集團建立了遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了對廣泛分布在全球150多個國家的多達10萬臺的在役工程機械實現(xiàn)了規(guī)模化監(jiān)控和運營。北京交通大學與南車青島四方機車車輛股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了基于網(wǎng)絡的CRH2型動車組遠程診斷與虛擬維護系統(tǒng)。天津大學數(shù)字化制造與智能測控技術研究所針對數(shù)控裝備的監(jiān)測與診斷研究開發(fā)了基于網(wǎng)絡和狀態(tài)監(jiān)測及智能維護的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，將智能診斷與專家診斷相結合，對于缺乏故障診斷專業(yè)知識的用戶提供了良好的支持。

基于網(wǎng)絡的遠程監(jiān)測與診斷技術使企業(yè)不同部門能同時獲得各部門、各設備的運行狀態(tài)信息，也能對不同地區(qū)不同企業(yè)的設備進行監(jiān)測和診斷

基于大數(shù)據(jù)的監(jiān)測與診斷技術：隨著網(wǎng)絡技術的普及，對關鍵設備進行在線監(jiān)測的需求和監(jiān)測成本的不斷降低，實際監(jiān)測活動中所得到的數(shù)據(jù)往往是海量的。據(jù)統(tǒng)計，三一重工集團利用其遠程監(jiān)測平臺所累積的數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到1100億條以上，而相應的增長速率竟高達每天100萬條。如果再把監(jiān)測手段擴展到全生命周期，現(xiàn)有的分析手段顯然更是力不從心。這直接導致了大量的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)閑置，以至于所蘊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)，盡可能的關聯(lián)數(shù)據(jù)，挖掘趨勢演變的規(guī)律和價值是未來設備監(jiān)測與診斷技術的一大發(fā)展趨勢。基于數(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)挖掘和云計算技術的設備運行大數(shù)據(jù)分析，是認識機理和關聯(lián)性的關鍵步驟，是診斷決策控制的基礎，是未來的發(fā)展方向之一。

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

應用案例

三一重工集團工程機械設備遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)及其應用：工程機械設備具有種類繁多、結構復雜，價值高；總量大，分布廣；工作環(huán)境多樣的特點，故對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測乃至后續(xù)的故障診斷十分困難。如三一重工集團所生產(chǎn)的工程機械設備有18個大類，近300多種產(chǎn)品，數(shù)千種型號，分布地域廣，相同的設備會工作在差異性極大甚至極端的環(huán)境中。

為此，三一重工集團與清華大學合作建立了遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)，開發(fā)了三一重工遠程監(jiān)控平臺。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現(xiàn)對每一臺設備運行狀態(tài)的透徹感知；其次，基于GPRS的遠程監(jiān)控平臺利用全球衛(wèi)星定位技術(GPS)、無線通信技術（GPRS）、地理信息技術(GIS)、數(shù)據(jù)庫技術等信息技術建立了穩(wěn)定的互通互聯(lián)網(wǎng)絡；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)存儲框架，提出了從主機、工況、時間等多維度的監(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)高性價比儲存與分析的核心技術，實現(xiàn)了對海量數(shù)據(jù)的存儲和處理。典型的具體應用實例包括攪拌站智能服務系統(tǒng)、工程機械遠程監(jiān)控與維護平臺、施工數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和智能手機自助服務終端。這標志著三一重工工程機械智能化與遠程監(jiān)控相融合進入實質性運營階段。

KDM系統(tǒng)的基本框架圖

實時數(shù)據(jù)平臺（KDM）在電廠生產(chǎn)過程中的應用：實時數(shù)據(jù)是電廠生產(chǎn)過程中各類測量系統(tǒng)自動生成的數(shù)據(jù)，可廣泛地用于生產(chǎn)運營的各種領域，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。經(jīng)過多年努力，各種針對實時數(shù)據(jù)的專業(yè)應用系統(tǒng)已在行業(yè)中運行，發(fā)揮了一定的作用，但與實時數(shù)據(jù)所蘊含的巨大潛力相比，還只是冰山一角。為了挖掘實時數(shù)據(jù)的應用價值，應當認真研究發(fā)展中所遇到的各種瓶頸，利用先進的IT技術和設計方法，大膽創(chuàng)新，頂層設計。北京奧技異電器技術研究所開發(fā)的KDM平臺正是在這一背景下針對電力行業(yè)實時數(shù)據(jù)的平臺化軟件產(chǎn)品。

該平臺利用“邏輯集中”代替了“物理集中”，即躲開了海量存儲，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中；利用 KKS（(ArbeitskreisKraftwerk-KennzeichenSystem）編碼實現(xiàn)了電力實時數(shù)據(jù)的命名；借鑒了蘋果公司的AppStore模式，通過接口服務來提取數(shù)據(jù)，該模式遠比從數(shù)據(jù)庫直接讀取數(shù)據(jù)容易得多。KDM平臺能夠實現(xiàn)多種軟件功能，包括：全面系統(tǒng)地數(shù)據(jù)展示（報警狀態(tài)、預警狀態(tài)、數(shù)據(jù)屬性、歷史趨勢、同期趨勢等）；針對任意信號評價、預警等在線判斷；趨勢檢查功能；對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行即席分析的數(shù)據(jù)挖掘；進行如振動分析、發(fā)電機諧波分析等專業(yè)分析；根據(jù)業(yè)主需求訂制、自動生成業(yè)務報表；進行效率優(yōu)化、安全優(yōu)化等。

設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術前景遠大

隨著信息技術的發(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。實際應用中，也有越來越多的部門和企業(yè)意識到了此技術的重要性。總之，隨著不同學科在設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領域的多層次協(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，必將使設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術發(fā)揮更大的作用。

某電廠蒸汽輪發(fā)電機組監(jiān)測系統(tǒng)（控制室）