基于模型的自學(xué)習(xí)智能監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)

汪 斌

（普迪美科技（北京）有限公司，北京 100081）

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)預(yù)計(jì)將更多的智能機(jī)器，高級(jí)分析和工作人員連接起來(lái)，為全球產(chǎn)業(yè)帶來(lái)深刻的轉(zhuǎn)變。工業(yè)數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，智能機(jī)器的使用有可能通過(guò)消除計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間和加快生產(chǎn)力的增長(zhǎng)。通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，智能機(jī)器可實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，并更接近于“無(wú)意外停機(jī)”的目標(biāo)。

在資產(chǎn)的利用效率考察下，工廠管理者面臨比以往更大的壓力。由于這種壓力已經(jīng)轉(zhuǎn)化為資產(chǎn)有效性的不斷增長(zhǎng)的目標(biāo)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)已被證明是追求可用性，生產(chǎn)率，質(zhì)量和能源效率的有力工具。介紹的基于模型的自學(xué)習(xí)智能監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)能成功降低成本并提高生產(chǎn)率，通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。

1 基于模型的自學(xué)習(xí)智能監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)

“基于模型的自學(xué)習(xí)智能監(jiān)測(cè)診斷”方法具有創(chuàng)新性，在其領(lǐng)域是獨(dú)一無(wú)二的。使用的先進(jìn)算法最初是根據(jù)NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國(guó)國(guó)家航空航天局） 合作開(kāi)發(fā)的（Duyar和 Merril，1992；Litt等，1995；Musgrave等，1997；和 Duyar等人，1994），該方法（Duyar，2011）開(kāi)發(fā)了被監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。它僅通過(guò)電壓和電流信號(hào)的測(cè)量，自動(dòng)啟動(dòng)自學(xué)習(xí)階段，在此階段建立參考數(shù)學(xué)模型。該模型包括有關(guān)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有電氣和機(jī)械特性的信息，不需要操作員輸入，并且涵蓋在訓(xùn)練期間經(jīng)歷的所有操作狀態(tài)，例如不同的速度和負(fù)載。

當(dāng)參考模型完成時(shí)，方法切換到監(jiān)視模式。在該模式下，系統(tǒng)的新模型每90 s創(chuàng)建一次，然后與參考模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較（圖1），識(shí)別和表征潛在的故障。觀察到的參數(shù)變化以及輸出模型估計(jì)與實(shí)際輸出差異的頻譜分析，2個(gè)同時(shí)用于檢測(cè)和診斷故障。

方法能夠評(píng)估問(wèn)題的嚴(yán)重性，并產(chǎn)生一系列的定位故障的建議。診斷信息也將發(fā)送到連接的計(jì)算機(jī)，向維護(hù)組顯示的詳細(xì)信息包括特定故障、建議操作和對(duì)故障時(shí)間的估計(jì)。端到端解決方案的網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示。其中，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，OPC（OLE for Process Control）為用于過(guò)程控制的OLE（Object Linking and Embedding，對(duì)象連接與嵌入。

圖1 模型比較

圖2 網(wǎng)絡(luò)原理

2 如何使用MCM系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

采用MCM（Motor Condition Monitor，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控是關(guān)鍵設(shè)備的首選方法。因?yàn)樗峁?4/7監(jiān)控，有監(jiān)控過(guò)程變化的能力，并且具備監(jiān)控可視化輸出（圖3）。

圖3 可視化技術(shù)輸出

MCM是為了滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)的，可以提供簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的維護(hù)計(jì)劃信息，而不需要受過(guò)高度培訓(xùn)的人員參與。它的目標(biāo)是簡(jiǎn)化安裝、設(shè)置和操作，要求很少或沒(méi)有用戶干預(yù)就能指導(dǎo)檢測(cè)設(shè)備故障。

MCM監(jiān)控單元可用于固定或變速驅(qū)動(dòng)器，也可用于低電壓。低電壓安裝時(shí)，只需要電流轉(zhuǎn)換器。

MCM模塊一旦通電，只需要最少的用戶配置就能進(jìn)入“自動(dòng)學(xué)習(xí)”模式，并建立系統(tǒng)的完整正常運(yùn)行狀態(tài)。該過(guò)程適應(yīng)系統(tǒng)所經(jīng)歷的全部速度和負(fù)載，涵蓋電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器和任何類(lèi)型的從動(dòng)設(shè)備（泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和輸送機(jī)等）的電氣、機(jī)械和運(yùn)行特性。學(xué)習(xí)完成后，MCM系統(tǒng)為監(jiān)控設(shè)備制定了完整的狀況評(píng)估報(bào)告，指出現(xiàn)有的機(jī)械、電氣或運(yùn)行問(wèn)題，并建議采取糾正措施，以及此類(lèi)行動(dòng)應(yīng)該如何操作。從這一刻開(kāi)始，MCM系統(tǒng)為連接的設(shè)備提供自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。

MCM系統(tǒng)在正常運(yùn)行中幾乎完全是自動(dòng)的，每90 s將設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行條件與“學(xué)習(xí)”模式下建立的正常條件進(jìn)行比較。如果檢測(cè)到問(wèn)題，MCM監(jiān)視器模塊前面板上的指示燈則改變顏色，指示故障的類(lèi)型和嚴(yán)重程度。更詳細(xì)的信息則由AES（Artesis Enterprise Server，Artesis企業(yè)服務(wù)）軟件包提供，如發(fā)展中的故障說(shuō)明、準(zhǔn)確的描述、維護(hù)操作建議、失效的時(shí)間和廣泛的電氣特性等（圖4）。

MCM系統(tǒng)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)成功部署，如石化、電力、汽車(chē)、鋼鐵、航運(yùn)、海上平臺(tái)等。在某些情況下它是較好的解決方案，如低溫電機(jī)泵、散熱風(fēng)扇、泥漿電機(jī)/泵以及水下、核能、離岸、遠(yuǎn)程、危險(xiǎn)等不易靠近設(shè)備的地點(diǎn)和位置。

3 應(yīng)用案例

案例1：某石化公司芳烴廠動(dòng)力車(chē)間的水泵，功率1800 kW（圖5）。

該水泵早期出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡/軸不對(duì)中故障，最后導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障。趨勢(shì)圖變化如圖6所示：①M(fèi)CM從開(kāi)始學(xué)習(xí)建模，到時(shí)間點(diǎn)1結(jié)束并開(kāi)始對(duì)電機(jī)監(jiān)測(cè)；②在時(shí)間點(diǎn)2曾監(jiān)測(cè)到設(shè)備出現(xiàn)了輕微的異常；③從時(shí)間點(diǎn)3開(kāi)始，MCM監(jiān)測(cè)到電機(jī)機(jī)械部分存在不平衡/不對(duì)中等問(wèn)題；④從時(shí)間點(diǎn)4開(kāi)始電機(jī)的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不斷發(fā)展中的故障（Rotol 1曲線）；⑤到時(shí)間點(diǎn)5出現(xiàn)了較大上升趨勢(shì)。該泵于時(shí)間點(diǎn)6之后進(jìn)行檢修，具體故障為泵機(jī)封漏、前軸滾鍵（圖7）。時(shí)間點(diǎn)7表示維修后不平衡/不對(duì)中參數(shù)已經(jīng)下降，但是電機(jī)轉(zhuǎn)子的問(wèn)題依然存在且嚴(yán)重程度與時(shí)間點(diǎn)5基本相當(dāng)，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行維修。

圖4 AES診斷窗口

圖5 現(xiàn)場(chǎng)水泵

案例2：某化工廠MCM監(jiān)測(cè)電機(jī)，功率400 kW（圖8）。MCM監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)生間斷報(bào)警，隨后幾個(gè)月報(bào)警不斷發(fā)生并較為集中，軸承參數(shù)趨勢(shì)變化明顯（圖9）。對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)其后軸承磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子間氣隙變化，轉(zhuǎn)字和定子發(fā)生碰磨。

4 結(jié)論

基于模型的自學(xué)習(xí)智能監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的MCM系統(tǒng)，安裝使用簡(jiǎn)單，智能提供有關(guān)故障、故障時(shí)間和建議操作的信息，無(wú)需專(zhuān)業(yè)知識(shí)，大大減少了維修人員的任務(wù)和分析負(fù)擔(dān)。同時(shí)，它也可以用于確定故障的原因，幫助工廠降低本、提高生產(chǎn)率。

圖6 趨勢(shì)變化

圖7 維修之后趨勢(shì)變化

圖8 現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)

圖9 軸承參數(shù)趨勢(shì)圖