面向應(yīng)急的振動檢測模式研究

王 菲 李學哲 王彥昕 申 瑤

（華北科技學院應(yīng)急裝備學院，河北 廊坊 065201）

0 引言

近年來，國內(nèi)外科研人員在故障產(chǎn)生機理、振動分析方法、故障診斷策略等方面進行了深入研究，取得了豐富的研究成果[4-6]。應(yīng)該說，目前的振動分析與故障診斷技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步，相關(guān)成果在機械設(shè)備故障診斷中得到了應(yīng)用，有效提高了設(shè)備運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性[7-9]。

隨著經(jīng)濟社會的進步，國家對應(yīng)急管理日益重視，在機電領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的風險管控、安全預警也提出了更高的要求[10-11]。目前的振動監(jiān)測與分析方法，研究重點主要集中在在線監(jiān)測、實時狀態(tài)評估和本地故障預警方面，應(yīng)急管理屬性不明顯，難以適應(yīng)智慧應(yīng)急的發(fā)展需求。在新形勢下，開展基于應(yīng)急模式的振動信號監(jiān)測與分析方法研究，對提高設(shè)備監(jiān)測預警能力、推進應(yīng)急管理信息化、實現(xiàn)智慧應(yīng)急發(fā)展目標等具有重要意義和價值。

針對傳統(tǒng)振動檢測技術(shù)在信息采集、數(shù)據(jù)分析等方面存在的問題，本文提出了一種基于應(yīng)急模式的振動檢測與分析方法，該方法為應(yīng)急模式下振動信號的采集分析提供了新思路，對于推進應(yīng)急信息化具有較好的應(yīng)用和推廣價值。

1 應(yīng)急振動檢測模式的內(nèi)涵

1.1 傳統(tǒng)振動檢測模式面臨的挑戰(zhàn)

圖1為基于傳統(tǒng)模式的振動檢測分析系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)主要由磁吸式加速度傳感器、測控計算機、振動分析軟件、人機接口、本地報警保護單元等組成[12]。振動傳感器采用磁吸方式與被測對象接觸安裝，通過采集加速度二次信號，間接感知被測對象的振動信息；測控計算機內(nèi)置振動分析軟件，實現(xiàn)振動信號采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)評估等功能；人機接口主要包括鍵盤、鼠標、顯示器等，負責實時顯示振動參數(shù)、時域波形和頻域圖譜；報警及保護單元負責本地聲光報警及保護輸出，確保設(shè)備安全運行。

圖1 基于傳統(tǒng)模式的振動檢測分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)振動檢測模式面臨的挑戰(zhàn)：

（1）在振動信息感知方面：傳統(tǒng)的加速度傳感器體積較大，且采用磁吸式接觸安裝，限制了測量的適應(yīng)性，難以解決復雜機械內(nèi)部振動信息的采集問題；由于受原理限制，加速度傳感器只適合動態(tài)振動分析，無法感知靜態(tài)絕對量信息，不能全面掌握被測對象的振動特性。

此后，西王布局健康產(chǎn)業(yè)的步伐仍未停止。2017年6月18日晚，西王食品公告稱，公司同日收到公司控股股東西王集團通知，西王集團于2017年6月16日下午與阿里健康科技（中國）有限公司簽署了戰(zhàn)略合作簽約儀式會議備忘錄。

（2）在故障分析方面：目前振動信號在線監(jiān)測與系統(tǒng)實時狀態(tài)評估技術(shù)已趨于完善，但在故障定位、性能維護、壽命預測等方面研究還不夠成熟，智能化分析算法和診斷策略依然有待進一步深入研究。

（3）在預警聯(lián)動方面：目前的研究，預警模型簡單，監(jiān)測數(shù)據(jù)不聯(lián)網(wǎng)，僅僅用于本地預警，無法在全網(wǎng)范圍內(nèi)運用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)深入挖掘數(shù)據(jù)價值，不能適應(yīng)應(yīng)急聯(lián)動的需求。

1.2 應(yīng)急振動檢測模式的概念及特征

應(yīng)急檢測模式是在大力推進應(yīng)急管理信息化，落實智慧應(yīng)急發(fā)展目標的背景下提出的，目前尚無統(tǒng)一定義，其概念仍在不斷豐富和完善之中。

應(yīng)急檢測模式是一種全新的智能檢測模式，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)提高測量的精度和適應(yīng)性，采用智能數(shù)據(jù)分析算法提供強大的邊緣計算能力，以通信信息平臺為支撐，運用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等前沿技術(shù)深入挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)價值，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效信息，實現(xiàn)一體化融合預警聯(lián)動。應(yīng)急模式下的振動檢測應(yīng)該具有如下典型特征（圖2）：

圖2 應(yīng)急模式下振動檢測的典型特征

（1）靈活：振動信號的采集不受安裝方式、空間、供電等諸多測量條件限制，具有較高的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急情況下的免約束、快速信息采集。

（2）精確：采用現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法優(yōu)化測量精度，提高原始測量數(shù)據(jù)的精度水平。

（3）智能：深入挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)價值，采用智能振動分析算法評估設(shè)備的健康狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，定位故障部件[13-14]。

（4）互聯(lián)：依托通信技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)字化、信息化技術(shù)，建立一體化融合預警聯(lián)動機制。

2 基于應(yīng)急模式的振動檢測系統(tǒng)

依據(jù)應(yīng)急檢測基本理論，設(shè)計了如圖3所示的基于應(yīng)急模式的振動檢測與分析系統(tǒng)。

圖3 基于應(yīng)急模式的振動檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)由智能振動檢測器、邊緣計算平臺、顯示預警單元及云端數(shù)據(jù)服務(wù)器等四部分組成。其中，智能振動檢測器基于光學傳感技術(shù)設(shè)計，分布式安裝于規(guī)劃測點，采用數(shù)字信號處理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動電源等技術(shù)實現(xiàn)振動信號的免約束采集、預處理及無線互聯(lián)，具有非接觸、高精度、多功能、靈活方便等優(yōu)點。智能振動檢測器采集規(guī)劃測點的位移、溫度和振動數(shù)據(jù)，分別為形位類故障、溫升類故障和振動類故障的診斷和預警提供高精度、可靠原始的測量數(shù)據(jù)；邊緣計算平臺內(nèi)部集成了高性能處理器和振動時域頻域算法，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收各智能檢測節(jié)點上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用智能振動分析軟件，實現(xiàn)邊緣側(cè)振動波形顯示、頻譜分析、本地預警保護等功能；振動數(shù)據(jù)、機器狀況、故障參數(shù)等信息通過無線局域網(wǎng)絡(luò)上傳云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，運用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術(shù)深入挖掘數(shù)據(jù)價值，實現(xiàn)設(shè)備預測維護與聯(lián)動預警。

邊緣計算平臺采用凌華科技推出的智能數(shù)據(jù)采集分析模塊設(shè)計，如圖4所示，該模塊具有如下技術(shù)特征，尤其適合應(yīng)急模式下振動信號的采集與處理。

圖4 邊緣計算平臺

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，工業(yè)級寬范圍供電電源，確保在緊急情況下穩(wěn)定、可靠運行；

（2）內(nèi)部集成了高性能處理器，提供基于邊緣的數(shù)據(jù)采集和分析功能；

（3）總線接口豐富，支持Wi-Fi/4GLTE無線通信，滿足數(shù)據(jù)靈活傳輸?shù)男枨螅?/p>

（4）內(nèi)置數(shù)字量輸入/輸出通道，方便系統(tǒng)集成與應(yīng)用擴展，實現(xiàn)報警、保護等功能。

3 實驗與分析

在如圖5所示的通風機實驗平臺上，在邊緣側(cè)，對本文提出的振動檢測與分析方法進行了實驗研究。

圖5 振動檢測與分析實驗圖

振動檢測器軸向安裝，通風機在不同運行狀態(tài)下的監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，實驗分析如下：

（1）正常狀態(tài)下，如圖6（a）所示，振動信號的頻譜包括基頻分量和多個倍頻分量，頻譜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各頻率成分均在合理范圍內(nèi)，通風機的振動值為3.4μm，小于報警閾值，提示系統(tǒng)運行正常。

（2）故障狀態(tài)下，如圖6（b）所示，振動信號的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，高次倍頻成分顯著增強，通風機振動值迅速增大到13.3μm，大于報警閾值，提示系統(tǒng)存在機械故障。

圖6 振動檢測結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，本文提出的面向應(yīng)急的振動檢測方法，實現(xiàn)了邊緣側(cè)通風機振動信號的靈活、可靠檢測，通過對振動信號的頻譜分析和強度判定，準確識別故障，為應(yīng)急模式下振動檢測與故障分析提供了可行的技術(shù)解決方案。

4 結(jié)論

為了推進應(yīng)急管理信息化，研究應(yīng)急模式下的機電設(shè)備故障診斷與安全預警規(guī)律具有重要意義和價值。本文研究了基于應(yīng)急模式的振動信號檢測與分析方法，具體如下：

（1）深入分析了傳統(tǒng)檢測模式存在的問題，定義了應(yīng)急檢測模式的概念，并闡明其關(guān)鍵技術(shù)特征。

（2）設(shè)計了一種面向應(yīng)急的振動檢測系統(tǒng)，分析了應(yīng)急模式下的故障預警策略，采用無線網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算、云計算等技術(shù)，解決數(shù)據(jù)傳輸與預警聯(lián)動問題。

（3）利用非接觸式光學傳感技術(shù)采集原始振動信號，實現(xiàn)了應(yīng)急模式下振動信息的免約束采集。

（4）本方法為應(yīng)急模式下振動信號的采集分析提供了新思路，對于推進應(yīng)急信息化具有較好的應(yīng)用和推廣價值。