工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷

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本文介紹了工程機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了設(shè)備故障診斷技術(shù)，進(jìn)而結(jié)合設(shè)備故障診斷技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了基于集成媒體“看門狗”式的機(jī)電一體化產(chǎn)品的工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)架。對(duì)工地上機(jī)械設(shè)備故障迅速診斷、盡快修復(fù)，保證施工正常進(jìn)行具有十分重要的意義。

　　近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，一些高等級(jí)交通樞紐成了必要的建設(shè)項(xiàng)目，由此，對(duì)土木工程的施工工期，施工進(jìn)度，施工質(zhì)量等提出了更高的要求。對(duì)于那些工程量大，工期緊，工程質(zhì)量要求十分嚴(yán)格的工程項(xiàng)目，必然要用現(xiàn)代化程度很高的施工機(jī)械設(shè)備來(lái)完成。從某種意義上講，施工機(jī)械對(duì)工程施工起著決定性的作用。然而，由于施工機(jī)械多系露天作業(yè)，受風(fēng)雨、日曬、大氣、粉塵影響和侵蝕，工作環(huán)境十分惡劣，故障頻繁；加之，施工生產(chǎn)的特性決定了它們工作在各工地上，分散性大，流動(dòng)性強(qiáng)，給故障的及時(shí)排除帶來(lái)了很大困難。尤其近年來(lái)隨著施工規(guī)模日益龐大，現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)備也日趨大型化、連續(xù)化、機(jī)電一體化，其性能與復(fù)雜程度不斷提高，對(duì)設(shè)備故障的診斷也更為復(fù)雜?？總鹘y(tǒng)的填寫值班日志、靠參數(shù)越限報(bào)警等人工或半自動(dòng)化的方法來(lái)維護(hù)機(jī)械設(shè)備既落后，又不客觀，雖然可以有類似黑匣子之類的自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄器，但也只能做事后分析。而且這種陳舊的設(shè)備維護(hù)模式，無(wú)論是數(shù)據(jù)的可靠性或?qū)崟r(shí)性，還是設(shè)備的維護(hù)質(zhì)量均無(wú)法滿足要求，導(dǎo)致施工機(jī)械在施工過程中停機(jī)多，檢修時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響到工程的進(jìn)度和質(zhì)量。所以，為了保持處于異地的施工設(shè)備良好的技術(shù)狀態(tài)，將異地的信息技術(shù)協(xié)調(diào)起來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和維護(hù)是很必要的，建立遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)是解決問題的很好的方法。

　　遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)就是通過設(shè)備故障診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在施工機(jī)械設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；而在技術(shù)力量較強(qiáng)的科研單位建立診斷中心，對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行分析診斷的一項(xiàng)新技術(shù)。遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)的實(shí)現(xiàn)可以使機(jī)械設(shè)備的故障診斷更加靈活方便，也能實(shí)現(xiàn)資源共享。

　　1 工程機(jī)械故障診斷及維護(hù)技術(shù)的行業(yè)特點(diǎn)

　　工程機(jī)械故障診斷及維護(hù)技術(shù)作為一個(gè)新興而特殊的行業(yè)，隨著現(xiàn)代維修理論、相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科理論和各種檢查技術(shù)、工藝手段的不斷發(fā)展而發(fā)展和完善。它有三個(gè)主要特點(diǎn)：

　　（1）目的明確

　　診斷的目的就是要確定機(jī)械運(yùn)行狀況、檢查故障部位、分析故障產(chǎn)生的原因和制定經(jīng)濟(jì)有效的維修方案。

　?。?）交叉性強(qiáng)

　　診斷及維修涉及摩擦學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等多種學(xué)科；包括機(jī)械制造、金屬結(jié)構(gòu)、液壓、電氣和制動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)；需采用焊接、鑄造、車、鉗、鍛、鍍等多種工藝手段；要掌握維修理論，機(jī)構(gòu)學(xué)及經(jīng)營(yíng)管理等多方面知識(shí)。

　　（3）工作環(huán)境惡劣，實(shí)踐性強(qiáng)

　　一切診斷方法和維修技術(shù)都必須以機(jī)械的實(shí)際狀況為基礎(chǔ)，處理結(jié)果很快得到實(shí)踐驗(yàn)證。

　　2 故障診斷技術(shù)

　　設(shè)備故障診斷技術(shù)包括故障檢測(cè)與故障診斷，通常合在一體統(tǒng)稱為故障檢測(cè)和診斷（FDD）。

　　2.1故障機(jī)理

　　通常我們說(shuō)設(shè)備工作正常是指它具備應(yīng)有的功能，沒有任何缺陷，或雖有缺陷但仍在容限范圍內(nèi)。異常是缺陷有了進(jìn)一步發(fā)展，使設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，性能惡化，但仍能維持工作。故障則是缺陷發(fā)展到使設(shè)備性能和功能都有所喪失的程度。

　　設(shè)備的異常或故障是在設(shè)備運(yùn)行中通過其狀態(tài)信號(hào)（即二次效應(yīng)）變化反映出的。由于監(jiān)測(cè)與故障是在設(shè)備不停機(jī)的情況下進(jìn)行的，因此必然以狀態(tài)信號(hào)為依據(jù)。二次效應(yīng)就是設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的各種物理的、化學(xué)的現(xiàn)象，如振動(dòng)、噪聲、溫升、油耗、變形、功耗、磨損、氣味等，這些都是一種設(shè)備運(yùn)行所固有的。監(jiān)測(cè)與診斷就是要快速、準(zhǔn)確地提取設(shè)備運(yùn)行時(shí)二次效應(yīng)所反映的特征。

　　2.2故障診斷過程

　　2.2.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)

　　主要是測(cè)取與設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的狀態(tài)信號(hào)。狀態(tài)信號(hào)是故障信息的唯一載體，也是診斷的唯一依據(jù)。因此在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取狀態(tài)信號(hào)是十分重要的。

　　狀態(tài)信號(hào)的獲取主要是依靠傳感器或其它監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行故障信號(hào)的檢測(cè)。檢測(cè)中主要有以下幾個(gè)過程：

　?。?）信號(hào)測(cè)取：主要是通過電量的或傳感器組成的探測(cè)頭直接感知被測(cè)對(duì)象參數(shù)的變化；

　　（2）中間變換：主要完成由探測(cè)頭取得的信號(hào)的變換和傳輸；

　?。?）數(shù)據(jù)采集：就是把中間變換的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散化過程。數(shù)據(jù)是診斷的基礎(chǔ)，能否采集到足夠長(zhǎng)的客觀反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，是診斷成敗的關(guān)鍵。

　　2.2.2特征提取

　　就是從狀態(tài)信號(hào)中提取與設(shè)備故障有關(guān)的特征信息。

　　2.2.3故障診斷

　　故障診斷就是根據(jù)所提取的特征判別狀態(tài)有無(wú)異常，并根據(jù)此信息和其它補(bǔ)充測(cè)試的輔助信息尋找故障源。

　　2.2.4決策

　　根據(jù)設(shè)備故障特征狀態(tài)，預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)，并根據(jù)故障性質(zhì)和趨勢(shì)，做出決策，干預(yù)其工作過程（包括控制、調(diào)整、維修等）。故障診斷基本過程如圖1所示：

　　2.3診斷原理

　　設(shè)備診斷是利用被診斷的對(duì)象（設(shè)備）提供的一切有用信息，經(jīng)過分析處理以獲得最能識(shí)別設(shè)備狀態(tài)的特征參數(shù)，以便做出正確的診斷結(jié)論。機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生多種信息，當(dāng)其功能逐漸劣化時(shí)，就出現(xiàn)相應(yīng)的異常信息，如機(jī)器的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的異常振動(dòng)、噪聲、溫度等機(jī)械信號(hào)；機(jī)械劣化過程產(chǎn)生的磨損微粒、油液及氣體成分變化的化學(xué)信號(hào)等。利用檢測(cè)儀器對(duì)最敏感的故障特征信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，做出正確的分析和診斷，可以及時(shí)預(yù)測(cè)機(jī)器設(shè)備可能發(fā)生的故障。圖2為診斷技術(shù)的工作原理。

　　傳感器安裝在診斷對(duì)象（設(shè)備）上，以傳遞溫度、壓力、振動(dòng)、變形等信號(hào)，這些信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到信號(hào)處理裝置，在信號(hào)處理裝置中將輸入的診斷信號(hào)與預(yù)先儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是根據(jù)事先積累的大量數(shù)據(jù)資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析歸納而制定出來(lái)的判定標(biāo)準(zhǔn)，是設(shè)備各種參數(shù)的允許值。通過比較做出判斷，確定故障的部位和原因，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障。

　　3 工程機(jī)械故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)

　　由于工程機(jī)械故障的多樣性、突發(fā)性、成因的復(fù)雜性和進(jìn)行故障診斷所需要的知識(shí)對(duì)領(lǐng)域?qū)＜覍?shí)踐經(jīng)驗(yàn)和診斷策略的依賴性；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能通過自身的學(xué)習(xí)機(jī)能建立故障征兆和故障模式之間的復(fù)雜映射關(guān)系，可以進(jìn)行多因素預(yù)測(cè)。因此，基于工程機(jī)械自身的工作特性和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，提出了如圖3所示基于集成媒體“看門狗”式的機(jī)電一體化產(chǎn)品的工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)架。

　　3.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　系統(tǒng)通過一個(gè)基于神經(jīng)計(jì)算算法的“看門狗”智能單元對(duì)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線分析和推理，對(duì)機(jī)器的工況及相關(guān)信息做出相應(yīng)評(píng)價(jià)；還可以通過電話線與遠(yuǎn)程單元相連，以便在異地獲取機(jī)器工況及其性能信息，并以此做出評(píng)價(jià)。據(jù)此給出具體的維修策略與預(yù)防措施，對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)和預(yù)防，確保機(jī)械始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。“看門狗”單元及其工作原理如圖4所示：

　　知識(shí)密集型智能工具“看門狗”可以隨時(shí)對(duì)機(jī)器工況進(jìn)行跟蹤，獲取和組織機(jī)器及其周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。“看門狗”芯片作為機(jī)器的“黑匣子”，可以儲(chǔ)存主要部件的狀態(tài)“軌跡”。一旦發(fā)生失效，操作者可以讀取“黑匣子”，獲得最近幾分鐘的工況信息，迅速確定故障，并給予及時(shí)修復(fù)。當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)新的故障時(shí)，通過自學(xué)不斷調(diào)整權(quán)值、閥值，以提高故障的正確檢查率，減低漏報(bào)率和誤報(bào)率。這些基于知識(shí)的信息同樣可以為其他站點(diǎn)的用戶所共享。

　　3.2系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

　　遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行協(xié)作診斷和維護(hù)，及時(shí)排除故障。

　?。?）故障工況數(shù)據(jù)收集。通過遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，可以積累更多的機(jī)器/過程的故障工況，由此，從各遠(yuǎn)程站點(diǎn)獲取的故障工況中可以開發(fā)更好的診斷算法。

　?。?）故障診斷。不同地點(diǎn)的專家可以訪問服務(wù)器中存放的有效信息，因此，分散在各站點(diǎn)的知識(shí)可以集成起來(lái)完成更復(fù)雜的協(xié)作診斷。

　?。?）遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)提供了多種類型的信息。例如在線的過程/機(jī)器傳感數(shù)據(jù)，故障/性能下降的歷史數(shù)據(jù)等。進(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)，必須對(duì)這些信息加以整體考慮。

　　3.3進(jìn)一步研究方向

　　在線傳感是遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于機(jī)器及其所處環(huán)境的復(fù)雜性，可能要用到各種類型傳感器。一個(gè)機(jī)器故障（例如軸失衡）的出現(xiàn)會(huì)引發(fā)不同的征兆（例如振動(dòng)、溫度變化、電機(jī)負(fù)荷變化等），這些可由不同的傳感器（例如加速度計(jì)、熱電藕、電機(jī)電流等）測(cè)量獲取。因此需要有多種數(shù)據(jù)采集協(xié)議的支撐。同樣，一個(gè)傳感器也可以感知同時(shí)發(fā)生的不同故障，并且當(dāng)運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，其靈敏度也會(huì)不同。因此，傳感信息融合的自適應(yīng)能力是非常重要的，這樣將有利于提高診斷策略的可靠性。此外，還需要研究面向目標(biāo)的傳感器優(yōu)化布置策略，通過實(shí)現(xiàn)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的共享和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷中的上述技術(shù)。隨著遠(yuǎn)程服務(wù)活動(dòng)的擴(kuò)展，將會(huì)有更多的機(jī)器/過程連接到遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)上，因此應(yīng)該致力于開發(fā)用于傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的綜合工具。

　　對(duì)于遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，在目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)條件下，大量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過程是一個(gè)瓶頸，必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對(duì)大量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和取舍，如何選取一種切實(shí)有效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是傳輸中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　故障診斷技術(shù)使設(shè)備維修從傳統(tǒng)的按時(shí)維修及故障維修轉(zhuǎn)換到預(yù)報(bào)及主動(dòng)維修方式；而建立在對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的基礎(chǔ)上的工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)，能較準(zhǔn)確地診斷出故障發(fā)生的時(shí)間和部位，從而及時(shí)確定維修時(shí)間及內(nèi)容。

　　遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)目前還處于發(fā)展初期，還有很多問題尚待解決，這包括故障診斷技術(shù)本身要解決的問題及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的問題。但是，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，還是從整個(gè)施工來(lái)考慮，借助Internet，準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷的方法都值得關(guān)注和研究。

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