設(shè)備性能退化評(píng)估在巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用

江瑞龍，陳 進(jìn)，劉 韜，肖文斌

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

設(shè)備性能退化評(píng)估在巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用

江瑞龍1，陳 進(jìn)1，劉 韜1，肖文斌2

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

巡檢是設(shè)備管理與故障診斷的重要手段，在巡檢系統(tǒng)中開展設(shè)備性能退化評(píng)估，監(jiān)測(cè)設(shè)備性能退化程度具有非常重要的意義。結(jié)合設(shè)備性能退化評(píng)估方法的研究，提出一種將模型訓(xùn)練與評(píng)估診斷相分離的思路，具體闡述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到便攜式振動(dòng)分析儀現(xiàn)場(chǎng)開展設(shè)備性能退化評(píng)估診斷并能夠指導(dǎo)報(bào)警閾值設(shè)置目的。最后，通過軸承全壽命加速疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，驗(yàn)證了所提出的方法的有效性和系統(tǒng)的可行性。

性能退化評(píng)估;巡檢系統(tǒng);隱馬爾可夫模型

設(shè)備從正常使用到完全失效通常要經(jīng)歷一系列不同的性能退化狀態(tài)。因此利用設(shè)備性能退化評(píng)估技術(shù)，監(jiān)測(cè)設(shè)備性能退化程度，預(yù)測(cè)設(shè)備使用壽命，能夠指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)，優(yōu)化設(shè)備管理，提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了支持向量機(jī)［2］、小波包、隱馬爾可夫模型(Hidden Markov Model，HMM)［3］等各種方法在性能退化評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)［4］。

巡檢系統(tǒng)由便攜式振動(dòng)分析儀和基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理與故障診斷系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障診斷和基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的離線故障診斷，而且能夠與企業(yè)ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃)系統(tǒng)相結(jié)合。便攜式振動(dòng)分析儀具有輕巧方便、適用范圍廣、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，這使得巡檢系統(tǒng)適用于測(cè)點(diǎn)布置分散、檢測(cè)量大而又不需要連續(xù)監(jiān)測(cè)，或現(xiàn)場(chǎng)布線施工困難等的環(huán)境，并成為了振動(dòng)測(cè)量分析領(lǐng)域的主力。但由于硬件和軟件的限制，便攜式振動(dòng)分析儀只能對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行一般的信號(hào)分析與處理，而如設(shè)備性能退化評(píng)估等智能診斷只能通過硬件交互，將采集到的數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫(kù)，由上位機(jī)故障診斷系統(tǒng)完成診斷［5－6］。

在巡檢系統(tǒng)的振動(dòng)分析儀中直接開展設(shè)備性能退化評(píng)估在國(guó)內(nèi)還處于空白。本文結(jié)合設(shè)備性能退化評(píng)估方法的研究，提出了一種將模型訓(xùn)練與評(píng)估診斷相分離的思路，實(shí)現(xiàn)了巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了便攜式振動(dòng)分析儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能退化評(píng)估診斷和指導(dǎo)報(bào)警閾值設(shè)置的目的。

1 性能退化評(píng)估

性能退化評(píng)估的流程如圖1所示，主要由特征提取、模型訓(xùn)練和退化評(píng)估三部分組成，其最終目的是為設(shè)備健康管理和設(shè)備維護(hù)提供決策依據(jù)［2］。特征提取是指通過合適的信號(hào)處理方法從原始信號(hào)中提取能夠反映設(shè)備退化狀態(tài)的信息。模型訓(xùn)練是指以訓(xùn)練數(shù)據(jù)為樣本，通過局部尋優(yōu)等思想，建立能夠精確反映退化狀態(tài)模型的過程，是性能退化評(píng)估中最復(fù)雜、計(jì)算量最大的一部分。退化評(píng)估是指以測(cè)量數(shù)據(jù)為樣本結(jié)合知識(shí)庫(kù)中模型，確定設(shè)備的退化狀態(tài)，為設(shè)備的維護(hù)決策提供依據(jù)。

圖1 性能退化評(píng)估流程圖Fig.1 Performance degradation assessment scheme

由于硬件和軟件限制，便攜式振動(dòng)分析儀不能完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算，復(fù)雜的特征提取方法如小波包分解等及模型訓(xùn)練算法都會(huì)造成內(nèi)存溢出，死機(jī)等。因此，本文提出這種將模型訓(xùn)練與退化評(píng)估相分離的思路，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過物理通信方式上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，由計(jì)算機(jī)完成模型訓(xùn)練，并將模型參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過物理通信方式將模型參數(shù)下載到便攜式振動(dòng)分析儀的知識(shí)庫(kù)，最終由振動(dòng)分析儀完成測(cè)量數(shù)據(jù)的退化評(píng)估，現(xiàn)場(chǎng)輸出設(shè)備退化評(píng)估結(jié)果，供現(xiàn)場(chǎng)工程師制定設(shè)備維護(hù)策略，同時(shí)也可上傳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，融入企業(yè)ERP系統(tǒng)或設(shè)備管理與故障診斷系統(tǒng)。本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)提取信號(hào)的有效值和幅值譜熵作為特征，以HMM算法作為性能退化評(píng)估的智能算法［4］。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究開發(fā)的巡檢系統(tǒng)主要由便攜式振動(dòng)分析儀、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和設(shè)備管理與故障診斷系統(tǒng)客戶端三部分組成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。本文重點(diǎn)介紹便攜式振動(dòng)分析儀及性能退化評(píng)估模型訓(xùn)練。

設(shè)備管理與故障診斷系統(tǒng)客戶端：作為上位機(jī)系統(tǒng)，其功能包括設(shè)備管理、用戶管理、故障診斷等。在設(shè)備性能退化評(píng)估中其最主要的作用是模型訓(xùn)練并將模型參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

便攜式振動(dòng)分析儀：作為巡檢系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，也是本文開展設(shè)備性能退化評(píng)估研究的重點(diǎn)，包括：①設(shè)備管理子系統(tǒng)：主要用于設(shè)備信息和測(cè)點(diǎn)信息的管理和維護(hù)，允許對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程師信息、測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行修改、添加和刪除操作。②數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：主要用于測(cè)點(diǎn)信號(hào)的采集和簡(jiǎn)單處理，允許對(duì)采樣頻率、采樣方式、傳感器類型等進(jìn)行設(shè)置，以及進(jìn)行濾波處理。③故障診斷子系統(tǒng)：主要由特征提取模塊、性能退化評(píng)估模塊、知識(shí)庫(kù)三部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的性能退化評(píng)估。

圖2 巡檢系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Patrol inspection system network topology diagram

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件條件

與某公司合作開發(fā)的便攜式振動(dòng)分析儀硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采用的Marvel 310 CPU和Freescale DSP56321處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能;24位A/D轉(zhuǎn)換，具有100 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍;4 GB的存儲(chǔ)空間，滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求;支持WiFi、以太網(wǎng)、藍(lán)牙、USB電纜等通信模式，便于與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互;最高采樣頻率可達(dá)204.8 kHz。

圖3 便攜式振動(dòng)分析儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Portable vibration analyzer hardware structure

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

便攜式振動(dòng)分析儀軟件系統(tǒng)主要包括硬件驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)軟件和用戶應(yīng)用程序三部分，硬件驅(qū)動(dòng)控制硬件設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集及設(shè)備間交互，操作系統(tǒng)采用Windows CE系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序采用 C#語言進(jìn)行編制。

應(yīng)用程序在編程實(shí)現(xiàn)階段采用基于COM/DCOM技術(shù)和ActiveX技術(shù)。COM/DCOM是Microsoft公司提出的組件標(biāo)準(zhǔn)，它不但定義了組件間交互的標(biāo)準(zhǔn)，而且提供了組件程序運(yùn)行所需要的環(huán)境。ActiveX技術(shù)是Microsoft公司推出的建立在COM和OLE基礎(chǔ)之上與Internet有關(guān)技術(shù)的統(tǒng)稱［7－8］。采用功能模塊的編程思路完成系統(tǒng)編制，提高代碼利用率。故將應(yīng)用程序劃分為數(shù)據(jù)庫(kù)層，應(yīng)用邏輯層和用戶界面層，如圖4所示。

圖4 振動(dòng)分析儀應(yīng)用程序組件模型Fig.4 Vibration analyzer application component model

數(shù)據(jù)庫(kù)層：由于設(shè)備管理及與上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步等的需要，主要包含設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)、模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中設(shè)備用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)設(shè)備信息、傳感器信息、采樣參數(shù)設(shè)置信息、設(shè)備退化狀態(tài)參數(shù)，用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置時(shí)可調(diào)用歷史設(shè)置也可重新設(shè)置;用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)工程師信息、巡檢任務(wù)、巡檢記錄等，用戶只能用工號(hào)登錄并察看，不能對(duì)巡檢任務(wù)和巡檢記錄進(jìn)行修改，只能由上位機(jī)進(jìn)行修改、添加和刪除操作;模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)性能退化評(píng)估模型參數(shù)，與測(cè)點(diǎn)信息綁定，用戶不可操作;時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)在用戶選擇存儲(chǔ)時(shí)，存儲(chǔ)時(shí)域信號(hào)，可供上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及故障診斷。

應(yīng)用邏輯層：集中了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯處理，實(shí)現(xiàn)用戶界面層與數(shù)據(jù)庫(kù)層的通信。數(shù)據(jù)采集組件包主要完成硬件數(shù)據(jù)采集的相關(guān)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;數(shù)據(jù)庫(kù)訪問組件包主要完成數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;基本圖形組件包主要包括子一級(jí)界面控件;設(shè)備管理組件包和用戶管理組件包主要對(duì)設(shè)備信息和用戶信息進(jìn)行管理和操作;特征提取組件包主要包括信號(hào)處理程序，從原始信號(hào)中提取有用信息;性能退化評(píng)估組件包主要包括性能退化評(píng)估算法，輸出設(shè)備退化狀態(tài)。

用戶界面層：主要由參數(shù)設(shè)置UI、常規(guī)故障診斷UI和性能退化評(píng)估UI等組成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

4 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，為驗(yàn)證提出方法的有效性及巡檢系統(tǒng)的可行性，以杭州軸承試驗(yàn)研究中心的6 307深溝球軸承全壽命加速疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。將四個(gè)正常的試驗(yàn)軸承安裝在試驗(yàn)機(jī)上，加載12.744 kN，并采用油潤(rùn)滑。試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。采樣頻率為25.6 kHz，每分鐘記錄0.8 s的數(shù)據(jù)，即每幀數(shù)據(jù)包含20 480點(diǎn)，設(shè)置RMS閾值和油溫閾值報(bào)警。從開始采集直到報(bào)警停機(jī)，一共運(yùn)行了2 469 min，采集到了2 469幀數(shù)據(jù)。停機(jī)后檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)第四個(gè)軸承的內(nèi)圈出現(xiàn)大面積的點(diǎn)蝕，如圖6所示。因此，使用測(cè)點(diǎn)3的軸承數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由便攜式振動(dòng)分析儀的硬件條件可知，該巡檢系統(tǒng)能夠達(dá)到25.6 kHz的采樣頻率，滿足精度要求;每分鐘記錄0.8 s的數(shù)據(jù)，符合巡檢系統(tǒng)非連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。因此該巡檢系統(tǒng)滿足實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)采集能力，為驗(yàn)證所提出方法的可行性，只需要驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)處理，并能合理描述設(shè)備性能退化。根據(jù)本文提出的方法，選取前200幀數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練HMM性能退化評(píng)估模型，具體訓(xùn)練算法詳見文獻(xiàn)［4］，HMM的相關(guān)概念及算法詳見文獻(xiàn)［9］。取模型狀態(tài)數(shù)為N=4，高斯元數(shù)目為M=3，訓(xùn)練后模型參數(shù)由為4×1，4×4，2×4×3，2×2×4×3，4×3五個(gè)矩陣組成，將參數(shù)模型下載到便攜式振動(dòng)分析儀模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。某時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)時(shí)域波形及其幅值譜界面如圖7所示。將每幀數(shù)據(jù)劃分為10段，即每段2 048點(diǎn)，每段數(shù)據(jù)計(jì)算有效值和幅值譜熵，構(gòu)成觀測(cè)值序列。用HMM的前向－后向算法計(jì)算的對(duì)數(shù)似然概率，進(jìn)行歸一化后作為性能退化指標(biāo)，評(píng)估設(shè)備的退化狀態(tài)如圖8所示。結(jié)合歷史評(píng)估結(jié)果，并繪制出性能退化曲線如圖9所示。

通過光標(biāo)的左右移動(dòng)和圖形縮放功能，可以查看歷史性能退化狀態(tài)。從性能退化曲線可以清晰地觀測(cè)到設(shè)備性能退化的三個(gè)階段。在1 295 min前，性能指標(biāo)穩(wěn)定且變化平緩，這是因?yàn)檩S承因?yàn)椴粩嗟剡\(yùn)行，必定被逐漸地磨損，但是這種細(xì)微的磨損對(duì)軸承性能影響不明顯，此時(shí)軸承正處于第一退化狀態(tài)。在1 295～2 335 min性能指標(biāo)出現(xiàn)小幅下降且變化頻繁，這可能是由于隨著磨損的加劇，軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了輕微的點(diǎn)蝕，軸承性能出現(xiàn)輕微退化，此時(shí)軸承正處于第二退化狀態(tài)。第2 335 min之后，性能指標(biāo)開始迅速下降且變化頻繁，這可能是由于磨損加劇，軸承性能劇烈惡化，最終出現(xiàn)圖6所示大面積點(diǎn)蝕，此時(shí)設(shè)備正處于第三退化狀態(tài)。與文獻(xiàn)［3］性能退化評(píng)估結(jié)果如圖10所示進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)便攜式振動(dòng)分析儀評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確可靠。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)圖9和圖10性能評(píng)估曲線存在著差異，這主要是由于選取的特征不同，本文中選取有效值和幅值譜熵作為模型訓(xùn)練的特征，而文獻(xiàn)［3］選取小波包能量作為模型訓(xùn)練的特征。由圖所示的性能退化曲線本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的設(shè)備性能退化結(jié)果，且相較于傳統(tǒng)的閾值報(bào)警具有提前診斷作用，設(shè)備性能退化曲線可用于指導(dǎo)報(bào)警閾值設(shè)置。

圖10 文獻(xiàn)［3］性能退化評(píng)估結(jié)果Fig.10 Paper［3］Performance degradation assessment results

5 結(jié)論

本文結(jié)合設(shè)備性能退化評(píng)估的研究和巡檢系統(tǒng)的特性，提出一種將模型訓(xùn)練與退化評(píng)估相分離的思路，并完成了巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建。最后，為了驗(yàn)證所提出方法的有效性和系統(tǒng)的可行性，采用6 307深溝球軸承加速疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，所提出的方法能夠很好地反映設(shè)備性能退化過程，所設(shè)計(jì)的便攜式振動(dòng)分析儀能夠現(xiàn)場(chǎng)完成設(shè)備性能退化評(píng)估，歷史評(píng)估結(jié)果形成的性能退化曲線可用于指導(dǎo)報(bào)警閾值設(shè)置，為設(shè)備維護(hù)提供決策依據(jù)。

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Performance degradation assessment with the application of patrol inspection system

JIANG Rui-long1，CHEN Jin1，LIU Tao1，XIAO Wen-bin2
(1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China;2.Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 200240，China)

Patrol inspection is one of the vital means for equipment management and failure diagnosis，and performance degradation assessment plays a great role in patrol inspection system.The idea of separating the model training phase and diagnosis phase was presented based on the research of methodology of performance degradation assessment.The system structure and the design of relevant software and hardware were introduced in detail.With the system，the portable vibration analyzer can assess the performance degradation directly as well as guide the setting of alarm thresholds.The accelerated life test of a bearing was performed to validate the designed system.The results show that the system is feasible and effective.

performance degradation assessment;patrol inspection system;hidden Markov model

TP216;TN911;TP277

A

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51035007);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(50875162)

2011－11－07 修改稿收到日期：2012－01－05

江瑞龍 男，碩士，1988年8月生