基于網絡控制系統的故障診斷技術與應用

林水泉 胡勤 覃愛淞

摘 要：隨著機械設備的長時間運轉，可能會出現不同的故障類型，不但影響設備的正常運行，嚴重的可能會危及人類生命的安全。然而，隨著社會的不斷發展，機械設備的故障診斷與檢測技術越來越成熟，利用網絡控制系統與故障診斷技術相結合，能夠很好地檢測出機械設備故障的各種問題，為機械行業的發展起了重大的作用。本文以某實驗室中的機組仿真與智能故障診斷實驗室的多級離心風機為例，對其進行網絡控制系統的故障診斷技術方面的探討。

關鍵詞：離心風機；故障診斷；控制系統；網絡控制

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

Abstract：With the long running of mechanical equipment，different fault types may occur，which not only affect the normal operation of the equipment， but the serious would endanger the safety of human life.However，with the continuous development of society，the mechanical equipment fault diagnosis and detection technology becomes more mature，and that use of network control system and fault diagnosis technology， which is able to detect all of the mechanical equipment fault， and play a major role in the development of machinery industry. In this paper， the multistage centrifugal fan in the laboratory of unit simulation and intelligent fault diagnosis in a laboratory is taken as an example， and the fault diagnosis technology of the network control system is discussed.

Key words：Centrifugal fan；Fault diagnosis；Control system；Network control

一、背景

隨著科學技術的發展，機械設備在石化行業、化工企業、機械廠等企業中廣泛使用，為其發展作出了很大的貢獻。但是，由于設備長期運行，難免會出現不同的問題，給企業造成了很大的麻煩。一旦設備出現故障問題，如果沒能及時地檢測出來，一方面可能會造成設備生產效率低；另一方面可能造成企業的停產；重要的還可能會出現危及人類生命的安全事故。因此，為了減少不必要的損失，避免安全事故的發生，同時也為了企業得到更大的發展，對各機械設備進行定期或者長期監測與檢測很重要也很有必要。

二、網絡控制系統描述

網絡控制系統，顧名思義指的是通信網絡構成的閉環回路的空間分布式控制系統[ 1 ]，英文名為：Networked Control Systems，簡稱為：NCS。在某個區域內的現場檢測與控制及操作設備和通信線路的集合，可用來提供設備之間的數據傳送，為了實現設備與用戶之間的資源共享和協調操作[ 2 ]。

總之，網絡控制系統是一個包含網絡與控制的整體，其性能包括網絡性能和控制性能，最終目的是為了更好地優化與提高整個網絡控制系統的性能[ 3 ]。

在工程實踐中，網絡控制系統對安全性和可靠性要求很高，如果設備出現微小的故障不能及時檢測出來，將會造成很大的災難和損失。目前，我國很多石化、機械等行業出現不同的設備故障問題，嚴重影響了企業的生產效益，造成了很多不必要的損失。然而，近年來隨著網絡控制的發展，運用到故障診斷技術上，對設備的檢測與監測帶來很大的幫助。本文就關于網絡控制系統與風機故障診斷相結合，為風機不同故障類型的檢測與監測提供了參考價值，并應用到企業中去。

三、故障診斷技術

故障診斷，顧名思義就是對設備某部件的故障問題進行檢測，確保設備的安全運行。同時，故障診斷技術通常用在機械設備上，主要任務是監測機械設備在運行過程中的實時動態，確定是否異常，并且通過早期發現故障問題，從而確定造成故障的原因，最終預測故障發展趨勢的技術。

近年來，隨著科學技術的不斷發展，我國的故障診斷技術經過不斷的實踐與探索。一方面我們不斷地總結過去的成功經驗，經過大膽的嘗試與創新，肯定科學客觀規律，進行新的探索；另一方面我們通過更加努力的學習，做到揚長避短，引進外國先進的技術以及科學的成果，使之與我國的機械設備工程結合起來。總的來說，機械設備診斷技術包括了設備狀態檢測和故障診斷的總稱，不但能夠保障設備的安全，同時也提高了生產效率，降低了設備的維修費用，給公司企業帶來較大的經濟效益；而且在機械設備維修管理上，是一種可靠性很高的工程技術。所以說，故障診斷技術對我國機械設備的監測提供了很大的幫助，并且為檢測行業的發展立下了重要的鋪墊。

四、離心風機簡述

機組多級離心風機標準信號機組（如圖1所示），主要構成部件為：11KW的5級離心風機加變速箱、扭力傳感器、變頻電機、標準平板以及各種故障軸、齒輪、軸承件等。此外，離心風機所發生的故障類型很多，其中常見的單一故障分為兩大類，一是風機里面的故障問題，包括：風機軸承缺滾珠、風機軸承滾珠磨損、風機軸承外圈磨損、風機軸承內圈磨損、風機裂軸、風機彎軸；二是變速箱的故障問題，包括：軸承缺滾珠、軸承滾珠磨損、軸承外圈磨損、軸承內圈磨損、裂軸、彎軸、齒輪缺齒、齒輪磨損、齒輪裂齒等。然而，風機也會出現不同的復合故障，出現的情況為以上故障的組合，例如：風機軸承外圈磨損與齒輪缺齒的復合故障。

總的來說，離心風機在運轉過程中，可能會出現不同的故障類型，每一種不同的故障產生的振動值、噪音都不一樣；因此，只要提取不同故障的特征值，進行仿真與模擬分析，便可得到不同故障類型的數值；對風機故障診斷離線與在線監測提供了扎實的基礎。多級離心風機常見的故障更換件，如圖2所示。

五、網絡控制系統與故障診斷技術

在網絡控制系統中，如何與設備的故障診斷技術相結合，對故障診斷有著非常重要的作用。所謂的故障診斷技術，就是通過被診斷系統的各種狀態信息，結合網絡控制系統的作用下，進行采集數據信息的綜合處理，最后獲得有關設備運行和故障狀況的綜合評價過程。近年來，大部分學者針對設備故障展開網絡控制系統的研究，并取得了一系列的研究成果[ 4 ]。

此外，我國科學技術的不斷發展，監測技術越來越高，與傳統的控制系統相比，網絡控制系統已經取得了很大的進步，不但能夠實時顯示被控對象的工作情況和數據的統計過程及結果，而且所測監控數據十分精準[ 5 ]。基于網絡控制系統，將其與設備的故障診斷技術結合起來，不但能夠實時監測著機械設備的運行狀態，而且通過對所采集數據的后處理，也能夠預測設備故障未來的發展趨勢，從而能夠為故障診斷技術帶來更加準確的檢測數據。從而有利于設備安全有序地運行，減少不必要的損失，同時也避免企業重大安全事故的發生。因此，機械設備的故障診斷技術的不斷進步，與網絡控制系統所起的作用是密不可分的。對于機械設備的故障診斷檢測，下面與網絡控制系統相結合，進行以下的簡述。

（一）離心風機離線檢測

離心風機的離線檢測，顧名思義就是采用檢測儀對運轉的風機進行手動的檢測。本研究對離心風機離線檢測所用的儀器為EMT390、EMT490測試儀（如圖3所示），風機轉速調為1000r/min，額定電壓為220V，測試儀的頻率設為1024HZ。為了實驗數據的準確性，選用同一臺離心風機、同一位置進行模擬仿真實驗。首先，在風機變速箱上標示出探頭的位置，所選的位置盡量表面平整，并且盡可能讓探頭接近變速箱軸承與齒輪處，避免采集的傳遞信號失真；接著，將采集儀EMT390或EMT490的探頭按照標示的位置貼上去，如下圖4所示。并檢查探頭的位置是否松動；然后，將啟動設置好參數的采集儀，進行風機振動信號的采集；最后，將采集到的信號值進行后處理，便于數據的分析。通過多次故障件的更換、測試與處理后，得到正常狀態、軸承外圈磨損、軸承內圈磨損、齒輪缺齒、滾珠磨損5個類型的振動值。通過各自振動值的不同，可以判斷為不同類型的故障。

（二）離心風機在線檢測

離心風機在線檢測，指的是在離心風機不停機的條件下，長時間利用采集系統對其進行信號檢測。為了離心風機離線與在線數據的檢測準確性，兩者的探頭都貼在變速箱的相同位置上。在線檢測系統主要由加速度傳感器、速度傳感器、信號轉換裝置、采集系統、控制系統主界面等組成（如圖5所示）。通過多次故障件的更換、測試與處理后，得到正常狀態、軸承外圈磨損、軸承內圈磨損、齒輪缺齒、滾珠磨損5個類型的振動值。也可以通過各自振動值的不同，判斷為不同類型的故障。經過離線與在線的結果分析，同一個的振動值都接近，從而說明了離線與在線的檢測數據的可靠性高。

（三）離心風機遠程檢測

離心風機遠程檢測，顧名思義就是脫離風機現場，利用互聯網遠程控制系統，對風機的檢測數據進行遠程監控。其實，遠程檢測控制系統就是由在線監測數據的基礎上，通過電腦遠程控制，將其信號反映到其它電腦上。也可以說是，在線檢測經過遠程控制演變為遠程檢測系統，其工作原理與在線監測一樣。因此，網絡控制系統主要應用在遠程控制系統與復雜的控制系統中，因為其具有布線簡單和資源共享等優點[ 6 ]。

計算機網絡遠程監控與智能故障診斷拓撲圖，如上圖6所示。

基于故障診斷的遠程監測系統，主要是通過遠程控制，把監測中心的數據傳輸到遠程診斷中心上來。首先，中控室監測站連接著GY6204、GY6205裝置，并且通過HTTP將其與設備車間的設備連接起來；接著把測試探頭、傳感器接在設備上，通過數據線、數據采集處理器基站等把所測的信號反饋到監測中心上；然后，通過萬維網、數據庫、遠程服務器、互聯網等構建遠程診斷中心；最后，遠程診斷中心通過數據庫、中心服務器、防火墻等中間站，把監測中心所采集的數據信號傳送到遠程診斷中心（如圖7所示）。這就實現了計算機網絡遠程監控設備的故障診斷的實時數據與信息。遠程在線監測與故障診斷智能診斷機組現場圖，如圖8所示。

（四）離心風機離線與在線、遠程控制檢測區別

綜述所述，離心風機故障診斷分別采用了離線檢測、在線檢測、遠程檢測三種方法，雖然都可以起到故障診斷檢測的作用；但是，每一種適用的場合都不一樣，各自方法都有其優缺點。

離線檢測，適用于對現場某機械設備局部異常時，利用EMT390、EMT490對其進行檢測。其優點為：第一，針對性強；第二，便于快速采集信號的獲取；第三，準確性較高。其不足之處為：第一，現場噪音干擾，影響信號的采集；第二，要到現場去測試；第三，數據需要后處理，不能馬上得出比較的結果；第四，測試費時、費力。

在線檢測，適用于現場，也可以通過傳輸數據線遠離現場進行檢測，利用在線檢測系統對設備實時進行監測。其優點為：第一，采集信號準確性高；第二，信號值易于獲取，結果在電腦上直接顯示；第三，測試省時省力。然而，其不足之處為：第一，靈活性不強；第二，信號傳輸中要確保線路、裝置等完好。

遠程控制檢測，一般用于非現場場合，例如在辦公室、監控室、家里等地方，對現場的采集數據進行監測。其優點為：第一，隨時都可以了解設備的實時狀態；第二，靈活性強，很方便；然而，不足之處為：發現故障問題處理不夠及時。

綜上所述，可見離心風機離線與在線、遠程控制檢測各有各自的優勢，根據不同的場合，選擇合適的檢測方式很重要，以便于我們基站對所采集的數據進行后處理。對于所采集到的數據，通過智能故障診斷系統數據采集處理器基站進行數據后處理，如下圖9所示。

六、控制網絡系統與故障診斷存在問題

（一）造成網絡信息時滯

在控制網絡系統與故障診斷結合中，網絡發生時滯是它們存在的關鍵性問題。在控制網絡系統中，網絡系統造成的時間延遲會直接影響其性能[ 7 ]。然而，造成網絡信息交換時間延遲的主要原因為：數據信息碰撞、傳輸途徑的多樣化、信號連接中斷、網絡擁塞等。如果存在控制器是線性時不變系統時，系統產生的時滯就會結合在一起，給控制系統帶來了時間滯后，將會影響傳統故障診斷系統的性能，不利于故障診斷的檢測[ 8 ]。如下圖10所示，系統結構圖為典型的網絡閉環系統，系統中存在著兩個時間滯后，分別為：一是控制器與執行器之間產生的時間滯后；二是傳感器到控制器之間產生的時間滯后。這兩種時間滯后都影響著傳統故障診斷系統的檢測性能。

總的來說，控制網絡系統造成各節點在數據處理中的時間延遲原因為：網絡協議、負載狀況、網絡結構等因素。但是，數據包在網絡傳輸中不可避免地發生時延，其主要的原因是：網絡寬帶和服務能力的物理限制[ 9 ]。如果出現信號時滯情況，就會表現出隨機、有界、無界、固定等特征，為控制網絡系統減少時延提供了參考的意義。

（二）造成網絡信息數據包丟失

在控制網絡系統中，如果出現節點故障，或數據信息發生沖突時，可能會發生網絡信息數據包丟失的現象。根據丟包的特點，可分為主動丟包和被動丟包[ 10 ]。同時，造成信息數據包丟失的主要原因為：網絡的擁塞、信號連接的中斷、信息節點的發送權競爭失敗等。總之，丟包現象受網絡協議、負載狀況等多個因素方面的綜合影響，且具有隨機性、突發性等特點。一般來說，一個穩定運行的網絡控制系統都允許一定量的數據包丟失，但是數據包丟失率不能超過其穩定值，否則將會讓控制系統失去穩定性[ 11 ]。

（三）造成網絡信息數據包時序錯亂

在控制網絡系統中，時序錯亂也是經常出現的主要問題。造成網絡時序錯亂的原因為：

一是多個路徑傳輸路徑不唯一，且不同路徑的傳輸時延也不相同；系統節點發送的數據包會經過不同的網絡傳輸路線到達目的節點，并且數據包在中繼環節中的等待時間不相同，因而容易導致數據包的時序錯亂；

二是數據包傳輸過程中，網絡發生節點的沖突、網絡的擁塞、網絡信號的連接中斷等現象，以上可能造成數據包出現時序錯亂的現象。從而導致數據傳輸率降低，增加了網絡的時延，造成網絡控制性能的惡化，嚴重的可能讓控制系統不穩定[ 12 ]。

（四）造成網絡信息數據包單包傳輸和多包傳輸

在控制網絡系統中，基于數據傳輸策略的不同分為：單包傳輸與多包傳輸。單包傳輸指的是：系統中傳感器和控制器將要發送的信息打包為單獨的一個數據包進行傳送；多包傳輸指的是：系統中傳感器把要發送的信息與采樣信號打包為多個數據包進行多次傳送[ 13 ]。由于數據包的傳輸信息形式不同，這就讓網絡控制系統與傳統的控制系統不一樣。總的來說，在網絡控制系統中，根據不同的需求，雖然單包與多包傳輸都能夠滿足各自的需求，但是在傳輸過程中也會造成系統的不穩定，造成對系統性能的影響。

（五）造成網絡信息調度問題

基于網絡控制系統本身的特點，系統網絡的負載一般沒有什么規則性的，常處于繁忙或空閑兩種狀態。然而，由于網絡寬帶是有限的，為了提高系統的網絡運行效率，不同的實時性要求與實時控制網絡負荷要與網絡寬帶、合理調度系統中的各種數據進行相互利用。只有這樣，才能夠讓網絡系統進行合適的調度，在最大限度地降低網絡擁塞的同時又可以降低信息丟失對控制系統的影響[ 14 ]。從而能夠降低數據的丟包現象，減少網絡信號的時間延遲，以及避免了網絡中產生的沖突和擁塞等現象，最終為系統的性能與穩定性立下鋪墊。

（六）造成網絡控制信息的其它問題

基于網絡控制系統，除了上述問題外，控制系統中還存在其它問題，例如：節點的驅動；通信約束；量化效應；多采樣率等一系列問題[ 15 ]。這些問題并不是獨立存在的，而是一直存在于網絡控制系統的分析、設計以及實現的過程中。

因此，在網絡控制系統的研究與開發中，要根據各自的需求，綜合考慮上述多種因素的影響，從而能夠讓網絡控制信號的測試更加準確。

七、網絡控制系統的故障診斷技術之應用

基于網絡信息與故障診斷技術的發展，取得的突破廣泛應用于各行業中。例如，故障診斷檢測系統，如今已經投入到中國石化集團公司旗下的茂名石油化工公司、湛江東興石油化工公司、惠州煉化、廣州石油化工公司等企業。

據了解，茂名石油化工公司一臺設備假如出現故障問題，需要停機一天的話，造成其它設備也要停下來，估計一天的損失接近1000萬左右。所以說，實時監控設備的運行狀態十分重要。不但能夠及時地檢測出設備的故障問題；而且可以實時監測設備的運行情況，減少了很多不必要的損失，大大提高了各企業的生產效率；重要的是，緊緊圍繞華南地區石化產業生產過程裝備安全和先進控制關鍵共性問題，開展科技創新、團隊建設和人才培養，加快成果轉化，提升產業核心競爭力，促進產業轉型升級，為石化、化工等行業的發展做出了巨大的貢獻。

目前，網絡控制系統的故障診斷應用十分廣泛，為石化行業設備的實時監控提供了保障。以下為本實驗室的網絡控制系統的故障診斷應用，如下圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。

八、總結

綜上所述，隨著社會的發展，結合網絡控制系統與故障診斷技術，對機械設備的故障診斷進行實時的監控與檢測十分重要。如今，雖然兩者的結合存在著一些問題，但是網絡控制系統對故障診斷技術的發展做出了很大的貢獻。目前，網絡控制系統在故障診斷技術上已經取得了很大突破，為石化、化工等行業的設備檢測與實時監測提供了很大的作用幫助。一方面確保企業機械設備安全有序地運行，同時提供了對設備運行的實時檢測與監測數據，便于對設備目前與未來趨勢的了解；另一方面為企業減少了不必要的損失，提高了企業的生產效率，創造了更大的經濟效益。

總的來說，基于網絡控制系統的故障診斷技術已經普遍應用到各領域，為我國設備檢測與監控技術的發展提供了很大的幫助，對故障診斷技術的進步起到了舉足輕重的作用。

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項目基金：國家自然科學基金（No.61473094；No.61673127）；廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室開放基金（No.GDUPTKLAB

201604）

作者簡介：林水泉（1988-），男，廣東茂名人，助理實驗師，主要研究方向為轉子動平衡，旋轉機械故障檢測與診斷等內容。