設備狀態監測與故障診斷技術發展淺析

李 政

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300450）

0 引言

在現代化工業生產越來越大型化、高速化、自動化，其生產率和自動化程度逐步提高的同時，特別是在航空航天、核工業、造紙、鋼鐵、食品、石油化工等部門中，機械裝備故障停機可能造成重大經濟損失，甚至導致重大安全事故的發生。因此，現代裝備對安全性和可靠性提出越來越高的要求[1]。在現代設備中，要做到不出事故是很難的，最好的方法應該是努力爭取做到故障早期發現，防患于未然。對于現代裝備的安全性和可靠性而言，設備故障診斷技術顯得尤為重要。

1 設備故障的概念

所謂設備故障，一般是指設備在外界或自身干擾下，原來的穩定狀態被打破，此時由外界或自身干擾造成的損傷與自身抗損傷能量進行斗爭，表現為設備的某些零部件在功能、形態和結構上的改變以及對環境的適應能力的下降，妨礙機器正常運行，并表現出一系列征兆，進而使機器功能、出力等受到影響，這就產生了故障。

故障在實際使用時常常與異常、事故等詞語混淆，設備管理人員必須把設備的異常狀態和故障狀態進行區分。

事故也屬于故障范疇，是基于安全環保與經濟的考量。通常是指裝備處于非安全狀態或裝備受到非正常損壞，失去性能和功能等。

2 旋轉設備故障診斷技術研究的重點

目前，旋轉設備故障診斷技術研究的重點主要集中在以下3 個方面：

2.1 旋轉設備故障機理和診斷方法的研究

旋轉設備故障機理和診斷方法研究的目的，主要是為了掌握旋轉設備各種故障產生的原因和故障形成的機理，研究故障表征與故障信號之間的邏輯關系，通過對故障特征的深入研究，運用數學、物理、化學、機械動力學等基礎學科的理論和方法，建立科學的故障模型。這些是開展故障診斷技術的基礎[2]。

2.2 旋轉設備故障信號的提取與分析方法的研究

隨著各學科基礎理論和技術的發展，旋轉設備故障信號的提取與處理技術得到極大提升，數據采集、信號處理技術手段日臻完善，從前無法和難以解決的故障診斷問題變得可能和容易起來?？梢岳眯D設備故障表征信號，更精確地判斷故障原因，更可靠地對旋轉設備或部件的壽命進行預測，做到對旋轉設備或部件進行全壽命周期運行的管理。旋轉設備故障信號的提取和再處理是旋轉設備故障診斷技術的基礎，對旋轉設備故障信號的分析，則是斷定旋轉設備故障源和故障類型及損壞程度的可靠工具。

3 旋轉設備故障診斷技術的發展趨勢

旋轉設備狀態監測與故障診斷技術應用領域從最早的軍事裝備，逐漸應用到石化、冶金、電力等工業大型關鍵機組、機泵群。近年來，已經逐漸從單純的機械領域拓寬到其他應用領域，如在發電系統、水利系統、核能系統、航空航天系統、遠洋船舶，交通運輸系統的監控中，發揮了巨大的作用。旋轉設備故障診斷技術是多個學科交叉，綜合發展起來的新興學科，同時是一門綜合性的應用技術。國內外近二三十年設備診斷技術的研究開發和應用非?；钴S，發展迅猛，取得了出人意料的實效。隨著科學技術的發展，這一技術將會得到更加廣泛和深入的應用。旋轉設備故障診斷技術正在變成計算機、控制、通信和人工智能的集成技術，不斷向故障診斷軟硬件的集成化；故障診斷機理模型化；故障診斷與監測系統化；診斷信息數據化，故障診斷工程化的方向發展。具體表現在以下4 個方面。

1）旋轉設備故障診斷技術吸收了大量現代科技成果，除了傳統的振動信號，還可以綜合利用噪聲、電流、溫度、壓力、流量、性能曲線等多種信息實施診斷，同時還可以利用幾種方法進行綜合診斷。同時，多種現代信號處理方法，如全息譜技術、小波分析、數據融合技術（Date Fusion）、數據挖掘技術（Date Mining）等前沿科技成果，也被運用于旋轉設備故障診斷領域。這種多種方法的融合，實現優勢互補，更能有效地判斷旋轉設備故障源及故障的信息，使得旋轉設備故障診斷的準確度和精確度得到了很大提高。

2）現代化工業要求生產裝備的高度自動化、集成化和大型化發展，越是復雜的工業裝備越是要具備高度的可靠性和防御故障的能力，以確保生產系統安全、穩定、長期連續滿負荷優化運行。因此，需要對現代化工業生產中復雜的旋轉設備進行全方位、多維度的監測與控制，便于對旋轉設備的實時運行狀態有全面的了解。同時，應對有些復雜情況早模擬，早研究，早認知，這樣可以在設備未發生故障之前制定處置預案，干預設備發生故障。而虛擬儀器技術綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感技術、顯示技術等多種學科技術，是當今計算機領域的新技術之一。虛擬儀器可以直接模擬和研究仿真對象在環境變化中的變化與關系，為探索旋轉設備故障的發生、發展和發生故障以后所表現的特征、特性提供了一種全新的手段，可以把故障現象更形象、生動和具體地表達或呈現出來，幫助人們更直觀地對故障進行認知，提高了旋轉設備故障診斷的準確性。同時，實際生產實踐中，有很多旋轉設備故障不能在實驗臺進行模擬，而虛擬儀器可以進行模擬，彌補了某些旋轉設備故障、疊加故障難以實驗的不足。將虛擬儀器應用于旋轉設備故障診斷具有顯著的工程實踐應用價值，能夠產生良好的經濟效益，為旋轉設備故障診斷技術的發展提供了良好的支撐。

3）在實際工業現場的應用中，從監測到的故障信息去判別故障類型常常需要技術人員具有較高的專業水平和豐富的現場經驗，這一難題往往制約著旋轉設備故障診斷技術的推廣和應用。所以，必須使旋轉設備故障診斷儀器或故障診斷系統智能化。這樣，一方面可以降低使用者技術水平的限制，一方面還可以幫助技術人員儲備知識和積累豐富的經驗，使已有的技術水平和經驗數據化或固化。計算機及其軟件技術和專家的知識與經驗，使旋轉設備故障診斷智能化，而神經網絡、故障診斷專家系統、決策支持系統、數據挖掘技術、算法和模型等為實現人工智能診斷提供了技術支持[3]。發展具有旋轉設備狀態監測與故障診斷能力的綜合系統，并向智能化方向發展是目前一個時期的研究重點。

4）隨著Internet 和Intranet 技術的普及與應用，國內外許多大型企業設備管理工作已向網絡化發展，旋轉設備狀態監測和診斷網絡化發展的時代已經到來。通過網絡實現實時地監測旋轉設備的實時運行狀態，提前發現故障，提前干預處理，保證設備運行可靠性。

圖1 基于網絡的旋轉設備故障診斷系統結構圖Fig.1 Structure chart of rotating equipment fault diagnosis system based on network

基于網絡的旋轉設備故障診斷系統結構圖如圖1 所示，采用傳感器群對工業旋轉設備進行監測，將旋轉設備數據采集系統采集的數據，通過有線或無線與故障診斷監測系統、企業設備（資產）管理系統連接，使企業管理層實時獲取設備運行狀態信息，有利于更科學地對設備維護維修進行決策。通過網絡對設備集群實施在線狀態監測與故障診斷，可以更大范圍地提供專家支援，網上會診，實現遠程故障診斷，為設備群狀態評估分析提供數據支持；預測設備故障原因和部位，綜合專家們在知識和經驗上的優勢，從而提高設備故障診斷水平，保證旋轉設備運行的可靠性。

4 總結

隨著現代科學技術的發展，旋轉設備故障信號處理技術不斷突破，旋轉設備故障機理的不斷深入研究使旋轉設備故障診斷系統工程必將邁入新的發展階段?？傊D設備狀態監測與故障診斷技術發展，必須依靠現代科學理論和技術水平的相互發展。企業生產部門、設備管理部門、技術部門要密切配合，才能將這一技術深入推廣應用，切實為企業的生產服務，推動企業設備管理水平踏上一個新臺階，為企業實現良好的經濟、安全、環保及社會效益做出貢獻。