基于在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備預(yù)測(cè)性維修

李 政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

預(yù)測(cè)性維修作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中最核心的應(yīng)用，無(wú)論是早期的探索者還是新進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)都將它作為主要切入口。當(dāng)人們談到應(yīng)用落地時(shí)，可能很多企業(yè)會(huì)有這樣的誤解或疑問(wèn)：“是不是將設(shè)備裝上傳感器就能開展預(yù)測(cè)性維修”“工廠現(xiàn)在能不能部署預(yù)測(cè)性維修”。

1 預(yù)測(cè)性維修的概念

預(yù)測(cè)性維修是以狀態(tài)為依據(jù)的維修。在機(jī)器運(yùn)行時(shí)，對(duì)它的主要或需要部位進(jìn)行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，判定裝備所處的狀態(tài)，預(yù)測(cè)裝備狀態(tài)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。依據(jù)裝備的狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)和可能的故障模式，預(yù)先制定預(yù)測(cè)性維修計(jì)劃，確定機(jī)器應(yīng)該修理的時(shí)間、內(nèi)容、方式和必需的技術(shù)及物資支持[1]。預(yù)測(cè)性維修集裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障（狀態(tài)）預(yù)測(cè)、維修決策支持和維修活動(dòng)于一體，是一種新興的維修方式[2]。

預(yù)知性維修被定義為：以設(shè)備診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)備故障的歷史和現(xiàn)狀，參考運(yùn)行環(huán)境及其他同類設(shè)備的運(yùn)行情況，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行綜合判斷，查明設(shè)備內(nèi)部情況。

2 預(yù)測(cè)性維修研究要素和重點(diǎn)

故障預(yù)測(cè)的前提假設(shè)是設(shè)備故障遵循某種與時(shí)間相關(guān)的模式，也就是說(shuō)設(shè)備會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而出現(xiàn)性能下降、健康衰減、零件磨損等問(wèn)題，最終這些問(wèn)題積累到一定程度后導(dǎo)致設(shè)備故障的發(fā)生。故障預(yù)測(cè)的過(guò)程是使用設(shè)備歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到一個(gè)可以識(shí)別隱藏的設(shè)備故障模式的模型，然后將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)扔到模型中以識(shí)別到故障發(fā)生的概率。目前一般采用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行模型訓(xùn)練，要求訓(xùn)練數(shù)據(jù)既有設(shè)備的特征X，又要有故障標(biāo)簽Y，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的模型可以獲得特征X 與目標(biāo)預(yù)測(cè)值Y 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是機(jī)器學(xué)習(xí)最擅長(zhǎng)的東西。當(dāng)然，在沒有部署機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的情況下，這些工作只能靠人工去甄別、篩選、辨別，所以就需要有豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具備一定技能的專業(yè)工程師或?qū)＜胰?shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)測(cè)。

不管機(jī)器學(xué)習(xí)模型還是人工進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)測(cè)，通常基本需要以下這些與故障具有相關(guān)性的主要數(shù)據(jù)：

1）設(shè)備屬性：主要包括設(shè)備的制造商屬性，比如制造商、型號(hào)、制造日期等，不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備、不同型號(hào)的設(shè)備，在設(shè)備的材料、設(shè)計(jì)、工藝上都會(huì)存在很大的差異性，從而決定了設(shè)備出廠時(shí)的可靠性水平。

2）運(yùn)營(yíng)/運(yùn)行環(huán)境：運(yùn)營(yíng)/運(yùn)行環(huán)境對(duì)設(shè)備的使用壽命、可靠性等會(huì)產(chǎn)生較大的影響，比如設(shè)備使用的場(chǎng)所：陸地安裝使用、海上平臺(tái)/FPSO 安裝使用，安裝的設(shè)備型號(hào)，使用的類別（船用、陸地及其他方面用）；又如透平發(fā)動(dòng)機(jī)使用領(lǐng)域：民航使用、工業(yè)發(fā)電用，制造裝配精度，民航用透平發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行環(huán)境：航線類型（如高原航線、平原航線）、安裝的飛機(jī)型號(hào)（如CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)裝在A320還是B737 上），工業(yè)用透平發(fā)電機(jī)的使用環(huán)境（渤海、東海、南海）；再比如，機(jī)房服務(wù)器設(shè)備所處的環(huán)境，包括機(jī)房溫度、機(jī)房濕度、機(jī)房空氣含塵量等。

3）故障記錄：為了構(gòu)建預(yù)測(cè)模型或人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，機(jī)器學(xué)習(xí)或人工經(jīng)驗(yàn)判斷需要通過(guò)訓(xùn)練過(guò)程學(xué)習(xí)設(shè)備的正常運(yùn)行模式（正例）和故障模式（負(fù)例），那么訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中要有足夠數(shù)量的兩種不同類別的樣本。通常可以從故障報(bào)告、因故障導(dǎo)致的維修記錄或備件更換歷史中可以提取出故障信息，故障記錄明細(xì)包括設(shè)備ID、故障時(shí)間、故障描述、故障位置、故障代碼等。

4）維修記錄：設(shè)備的維修記錄是預(yù)測(cè)維修解決方案的重要數(shù)據(jù)，因?yàn)榫S修活動(dòng)會(huì)影響設(shè)備的可靠性。維修記錄包括定期的保養(yǎng)、測(cè)試、翻新、技術(shù)改造等計(jì)劃性維修活動(dòng)，以及故障檢修、停機(jī)檢修等非計(jì)劃性維修活動(dòng)。維修記錄明細(xì)應(yīng)該包含設(shè)備ID、維修時(shí)間、維修類型、維修內(nèi)容、更換的備件等信息。目前很多企業(yè)，維修記錄會(huì)通過(guò)ERP、EAM、MAXIMO 信息管理系統(tǒng)等軟件進(jìn)行管理。

5）運(yùn)行狀態(tài)：設(shè)備的健康狀況在運(yùn)行中隨著時(shí)間而逐漸衰弱，為了預(yù)測(cè)設(shè)備的故障，需要有隨著時(shí)間變化的特征來(lái)捕捉設(shè)備的老化模式。通過(guò)部署傳感器、邊緣計(jì)算和IOT 平臺(tái)，可以從不同傳感器中獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，比如電動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度、消耗電流、轉(zhuǎn)速、功率、振動(dòng)等。對(duì)于需要獲取哪些傳感器數(shù)據(jù)，主要需要依靠行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)設(shè)備的機(jī)理、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行識(shí)別。因此，在開始構(gòu)建預(yù)測(cè)性模型之初，就要向業(yè)務(wù)專家了解數(shù)據(jù)相關(guān)性要求，根據(jù)行業(yè)領(lǐng)域知識(shí)有選擇地進(jìn)行傳感器部署。

6）異常信息：首先，要將設(shè)備故障與設(shè)備異常區(qū)分開來(lái)。設(shè)備故障是指設(shè)備不能正常運(yùn)行，致使生產(chǎn)中斷或效率降低而影響生產(chǎn)，比如電源開關(guān)未合閘導(dǎo)致的壓縮機(jī)組不運(yùn)轉(zhuǎn)；設(shè)備異常是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)某些指標(biāo)偏離正常范圍的現(xiàn)象，比如壓縮機(jī)的排氣溫度過(guò)高。設(shè)備異常通常是故障發(fā)生的前兆，這些異常信息是建立故障預(yù)測(cè)模型的重要特征，往往與故障具有很高的相關(guān)性。

3 基于在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備預(yù)測(cè)性維修實(shí)踐

中海油海上生產(chǎn)平臺(tái)目前安裝的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有泛泰克斯的XPR300 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，上海容知公司的RH2000/3000 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與北京博華信智的BH5000 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即利用現(xiàn)有的企業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息共享。故障診斷中心的人員與設(shè)備管理人員利用客戶端登錄在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，瀏覽設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)并提取設(shè)備振動(dòng)、溫度、電流、轉(zhuǎn)速，調(diào)取設(shè)備歷史故障、設(shè)備信息、設(shè)備故障維修記錄等相關(guān)信息，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，評(píng)估設(shè)備目前的狀態(tài)。如果設(shè)備出現(xiàn)故障或存在潛在故障，診斷中心的專業(yè)工程師通過(guò)郵件、電話，動(dòng)設(shè)備集群管理系統(tǒng)等方式聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理人員，結(jié)合系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)信息形成維修策略，綜合決策并采取相應(yīng)的維護(hù)維修措施，及時(shí)解決設(shè)備故障，避免設(shè)備故障發(fā)展或惡化。應(yīng)用設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確及時(shí)判斷機(jī)組的故障并對(duì)機(jī)組故障的嚴(yán)重程度做出判斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修。

◇ 案例一

背景：2015 年6 月份，通過(guò)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)南海某平臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)的注水泵A 泵，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端（1H）振動(dòng)加速度和速度總值出現(xiàn)異常。診斷中心人員在線監(jiān)測(cè)值班人員發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，調(diào)取設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)合其他相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷該設(shè)備是潤(rùn)滑不良導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)異常，第一時(shí)間和平臺(tái)取得聯(lián)系，向平臺(tái)發(fā)送郵件進(jìn)行分析和提出處理措施。平臺(tái)收到郵件后及時(shí)處理，設(shè)備振動(dòng)重新恢復(fù)到振動(dòng)波動(dòng)之前的正常范圍。

事件處理過(guò)程：

1）當(dāng)日10 時(shí)～13 時(shí)注水泵A 泵，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端1H加速度總值出現(xiàn)輕微波動(dòng)，在線監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)后通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)密切關(guān)注振動(dòng)發(fā)展變化。當(dāng)日下午13 時(shí)后，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端1H 加速度總值和速度總值同時(shí)呈直線上升趨勢(shì)，如圖1 所示。在線監(jiān)測(cè)人員于16 時(shí)～17 時(shí)之間及時(shí)和平臺(tái)取得聯(lián)系，向平臺(tái)發(fā)送郵件描述設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)和提出處理建議。

圖1 振動(dòng)呈直線上升趨勢(shì)Fig.1 The vibration shows a straight upward trend

圖2 振動(dòng)趨勢(shì)降到正常水平Fig.2 Vibration trend to normal

圖3 振動(dòng)較高且趨勢(shì)波動(dòng)明顯Fig.3 High vibration and obvious trend fluctuation

2）平臺(tái)收到郵件后，及時(shí)對(duì)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端加注潤(rùn)滑脂后，振動(dòng)加速度總值和速度總值于當(dāng)日18 時(shí)左右開始逐漸下降到波動(dòng)之前的正常水平，如圖2 所示。

◇ 案例二

背景：2015 年1 月份，渤海某平臺(tái)注水泵B 運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)加速度總值變高且存在較大的波動(dòng)現(xiàn)象，該端加速度總值達(dá)到110m/s2，如圖3 所示。軸承加速度時(shí)域波形沖擊明顯，包絡(luò)頻譜中存在軸承故障頻率如圖4 所示；且速度時(shí)域波形存在輕微的削頂現(xiàn)象。建議平臺(tái)應(yīng)謹(jǐn)慎關(guān)注運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承存在一定的磨損，故障有進(jìn)一步惡化趨勢(shì)，平臺(tái)應(yīng)做好更換軸承準(zhǔn)備。該設(shè)備運(yùn)行至當(dāng)年6 月份，診斷中心人員和平臺(tái)通過(guò)調(diào)取在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及綜合設(shè)備維修歷史、維修情況等進(jìn)行綜合決策，判斷該設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障，已經(jīng)超過(guò)軸承正常服役期限。隨后維修人員更換了電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承，發(fā)現(xiàn)軸承保持架磨損嚴(yán)重，如圖5 所示。

事件處理過(guò)程：

1）當(dāng)時(shí)的頻譜圖如圖3 所示。

2）更換故障軸承。

4 結(jié)論

通過(guò)以上案例實(shí)踐，證實(shí)了基于在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備預(yù)測(cè)維修的有效性：①及時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)處理，避免設(shè)備故障進(jìn)一步惡化引起設(shè)備事故性故障發(fā)生，甚至避免災(zāi)難事故的發(fā)生，提高設(shè)備可靠性；②優(yōu)化設(shè)備的可靠性，減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)率；③可在設(shè)備維護(hù)后驗(yàn)證維護(hù)效果和質(zhì)量，找到導(dǎo)致機(jī)器早期故障發(fā)生原因，對(duì)設(shè)備維護(hù)和維修流程加以優(yōu)化并消除故障性停機(jī)，提高維修效率和資產(chǎn)利用率，降低設(shè)備維修費(fèi)用。

圖4 包絡(luò)頻譜中存在軸承故障頻率Fig.4 Bearing failure frequency in envelope spectrum

圖5 軸承保持架磨損嚴(yán)重Fig.5 Bearing cage severely worn

預(yù)測(cè)性維修的提出經(jīng)歷了不長(zhǎng)的時(shí)間，但預(yù)測(cè)性維修通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)做出正確的判斷，從而制定出科學(xué)合理的維修策略，克服了現(xiàn)行維修所面臨的很多難題。故障診斷和狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展是預(yù)測(cè)性維修發(fā)展的關(guān)鍵[3]。

從國(guó)內(nèi)外近年的研究可以看出，目前設(shè)備故障診斷研究的熱點(diǎn)是嵌入式故障診斷技術(shù)，以動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)的故障診斷技術(shù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的故障診斷技術(shù)，以解決強(qiáng)干擾、多故障、多征兆、突發(fā)條件下的故障為目的的故障診斷技術(shù)等。故障診斷的手段也在向自動(dòng)診斷和遠(yuǎn)程診斷方向拓展。狀態(tài)預(yù)測(cè)則更多地利用對(duì)設(shè)備連續(xù)監(jiān)測(cè)所得的特征參數(shù)的時(shí)間序列，對(duì)設(shè)備的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，目前研究的熱點(diǎn)是時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)、灰色模型預(yù)測(cè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)等，主要立足于解決預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)時(shí)間間隔問(wèn)題。隨著監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)及儀器的發(fā)展，預(yù)測(cè)性維修的理論、技術(shù)及其整個(gè)體系也日趨成熟。