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

李 政

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

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

1 預(yù)測性維修的概念

預(yù)測性維修是以狀態(tài)為依據(jù)的維修。在機器運行時，對它的主要或需要部位進行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，判定裝備所處的狀態(tài)，預(yù)測裝備狀態(tài)及未來發(fā)展趨勢。依據(jù)裝備的狀態(tài)發(fā)展趨勢和可能的故障模式，預(yù)先制定預(yù)測性維修計劃，確定機器應(yīng)該修理的時間、內(nèi)容、方式和必需的技術(shù)及物資支持[1]。預(yù)測性維修集裝備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障（狀態(tài)）預(yù)測、維修決策支持和維修活動于一體，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，參考運行環(huán)境及其他同類設(shè)備的運行情況，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法進行綜合判斷，查明設(shè)備內(nèi)部情況。

2 預(yù)測性維修研究要素和重點

故障預(yù)測的前提假設(shè)是設(shè)備故障遵循某種與時間相關(guān)的模式，也就是說設(shè)備會隨著使用時間的增加而出現(xiàn)性能下降、健康衰減、零件磨損等問題，最終這些問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)測的過程是使用設(shè)備歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，得到一個可以識別隱藏的設(shè)備故障模式的模型，然后將實時的數(shù)據(jù)扔到模型中以識別到故障發(fā)生的概率。目前一般采用機器學(xué)習(xí)來進行模型訓(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)過訓(xùn)練的模型可以獲得特征X 與目標(biāo)預(yù)測值Y 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是機器學(xué)習(xí)最擅長的東西。當(dāng)然，在沒有部署機器學(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和經(jīng)驗，具備一定技能的專業(yè)工程師或?qū)＜胰崿F(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)測。

不管機器學(xué)習(xí)模型還是人工進行設(shè)備故障預(yù)測，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、制造日期等，不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備、不同型號的設(shè)備，在設(shè)備的材料、設(shè)計、工藝上都會存在很大的差異性，從而決定了設(shè)備出廠時的可靠性水平。

2）運營/運行環(huán)境：運營/運行環(huán)境對設(shè)備的使用壽命、可靠性等會產(chǎn)生較大的影響，比如設(shè)備使用的場所：陸地安裝使用、海上平臺/FPSO 安裝使用，安裝的設(shè)備型號，使用的類別（船用、陸地及其他方面用）；又如透平發(fā)動機使用領(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)動機的飛行環(huán)境：航線類型（如高原航線、平原航線）、安裝的飛機型號（如CFM56 發(fā)動機裝在A320還是B737 上），工業(yè)用透平發(fā)電機的使用環(huán)境（渤海、東海、南海）；再比如，機房服務(wù)器設(shè)備所處的環(huán)境，包括機房溫度、機房濕度、機房空氣含塵量等。

3）故障記錄：為了構(gòu)建預(yù)測模型或人工經(jīng)驗進行故障預(yù)測，機器學(xué)習(xí)或人工經(jīng)驗判斷需要通過訓(xùn)練過程學(xué)習(xí)設(shè)備的正常運行模式（正例）和故障模式（負例），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?？梢詮墓收蠄蟾?、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，故障記錄明細包括設(shè)備ID、故障時間、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)測維修解決方案的重要數(shù)據(jù)，因為維修活動會影響設(shè)備的可靠性。維修記錄包括定期的保養(yǎng)、測試、翻新、技術(shù)改造等計劃性維修活動，以及故障檢修、停機檢修等非計劃性維修活動。維修記錄明細應(yīng)該包含設(shè)備ID、維修時間、維修類型、維修內(nèi)容、更換的備件等信息。目前很多企業(yè)，維修記錄會通過ERP、EAM、MAXIMO 信息管理系統(tǒng)等軟件進行管理。

5）運行狀態(tài)：設(shè)備的健康狀況在運行中隨著時間而逐漸衰弱，為了預(yù)測設(shè)備的故障，需要有隨著時間變化的特征來捕捉設(shè)備的老化模式。通過部署傳感器、邊緣計算和IOT 平臺，可以從不同傳感器中獲取設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，比如電動設(shè)備的實時溫度、消耗電流、轉(zhuǎn)速、功率、振動等。對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)備的機理、行業(yè)經(jīng)驗進行識別。因此，在開始構(gòu)建預(yù)測性模型之初，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)域知識有選擇地進行傳感器部署。

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。設(shè)備故障是指設(shè)備不能正常運行，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)致的壓縮機組不運轉(zhuǎn)；設(shè)備異常是指設(shè)備在正常運行過程中，出現(xiàn)某些指標(biāo)偏離正常范圍的現(xiàn)象，比如壓縮機的排氣溫度過高。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)測系統(tǒng)的設(shè)備預(yù)測性維修實踐

中海油海上生產(chǎn)平臺目前安裝的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有泛泰克斯的XPR300 在線監(jiān)測系統(tǒng)，上海容知公司的RH2000/3000 在線監(jiān)測系統(tǒng)與北京博華信智的BH5000 在線監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測系統(tǒng)即利用現(xiàn)有的企業(yè)局域網(wǎng)實現(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)測系統(tǒng)，瀏覽設(shè)備動態(tài)運行數(shù)據(jù)并提取設(shè)備振動、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，對設(shè)備狀態(tài)進行分析，評估設(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)工程師通過郵件、電話，動設(shè)備集群管理系統(tǒng)等方式聯(lián)系現(xiàn)場設(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)的維護維修措施，及時解決設(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)測系統(tǒng)，準(zhǔn)確及時判斷機組的故障并對機組故障的嚴(yán)重程度做出判斷，實現(xiàn)預(yù)測性維修。

◇ 案例一

背景：2015 年6 月份，通過在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)南海某平臺處于運行狀態(tài)的注水泵A 泵，電機非驅(qū)動端（1H）振動加速度和速度總值出現(xiàn)異常。診斷中心人員在線監(jiān)測值班人員發(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)備是潤滑不良導(dǎo)致設(shè)備振動數(shù)據(jù)異常，第一時間和平臺取得聯(lián)系，向平臺發(fā)送郵件進行分析和提出處理措施。平臺收到郵件后及時處理，設(shè)備振動重新恢復(fù)到振動波動之前的正常范圍。

事件處理過程：

1）當(dāng)日10 時～13 時注水泵A 泵，電機非驅(qū)動端1H加速度總值出現(xiàn)輕微波動，在線監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)后通過在線監(jiān)測系統(tǒng)密切關(guān)注振動發(fā)展變化。當(dāng)日下午13 時后，電機非驅(qū)動端1H 加速度總值和速度總值同時呈直線上升趨勢，如圖1 所示。在線監(jiān)測人員于16 時～17 時之間及時和平臺取得聯(lián)系，向平臺發(fā)送郵件描述設(shè)備振動狀態(tài)和提出處理建議。

圖1 振動呈直線上升趨勢Fig.1 The vibration shows a straight upward trend

圖2 振動趨勢降到正常水平Fig.2 Vibration trend to normal

圖3 振動較高且趨勢波動明顯Fig.3 High vibration and obvious trend fluctuation

2）平臺收到郵件后，及時對電機非驅(qū)動端加注潤滑脂后，振動加速度總值和速度總值于當(dāng)日18 時左右開始逐漸下降到波動之前的正常水平，如圖2 所示。

◇ 案例二

背景：2015 年1 月份，渤海某平臺注水泵B 運行過程中，電機驅(qū)動端振動加速度總值變高且存在較大的波動現(xiàn)象，該端加速度總值達到110m/s2，如圖3 所示。軸承加速度時域波形沖擊明顯，包絡(luò)頻譜中存在軸承故障頻率如圖4 所示；且速度時域波形存在輕微的削頂現(xiàn)象。建議平臺應(yīng)謹慎關(guān)注運行，電機驅(qū)動端軸承存在一定的磨損，故障有進一步惡化趨勢，平臺應(yīng)做好更換軸承準(zhǔn)備。該設(shè)備運行至當(dāng)年6 月份，診斷中心人員和平臺通過調(diào)取在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)及綜合設(shè)備維修歷史、維修情況等進行綜合決策，判斷該設(shè)備電機驅(qū)動端軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障，已經(jīng)超過軸承正常服役期限。隨后維修人員更換了電機驅(qū)動端軸承，發(fā)現(xiàn)軸承保持架磨損嚴(yán)重，如圖5 所示。

事件處理過程：

1）當(dāng)時的頻譜圖如圖3 所示。

2）更換故障軸承。

4 結(jié)論

通過以上案例實踐，證實了基于在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備預(yù)測維修的有效性：①及時預(yù)測設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況和趨勢，發(fā)現(xiàn)故障，及時處理，避免設(shè)備故障進一步惡化引起設(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，減少機器停機時間，提高了生產(chǎn)率；③可在設(shè)備維護后驗證維護效果和質(zhì)量，找到導(dǎo)致機器早期故障發(fā)生原因，對設(shè)備維護和維修流程加以優(yōu)化并消除故障性停機，提高維修效率和資產(chǎn)利用率，降低設(shè)備維修費用。

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)測性維修的提出經(jīng)歷了不長的時間，但預(yù)測性維修通過對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷，對設(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)測技術(shù)的發(fā)展是預(yù)測性維修發(fā)展的關(guān)鍵[3]。

從國內(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是嵌入式故障診斷技術(shù)，以動力學(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診斷和遠程診斷方向拓展。狀態(tài)預(yù)測則更多地利用對設(shè)備連續(xù)監(jiān)測所得的特征參數(shù)的時間序列，對設(shè)備的未來狀態(tài)進行預(yù)測，目前研究的熱點是時間序列模型預(yù)測、灰色模型預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等，主要立足于解決預(yù)測精度和預(yù)測時間間隔問題。隨著監(jiān)測、診斷和預(yù)測技術(shù)及儀器的發(fā)展，預(yù)測性維修的理論、技術(shù)及其整個體系也日趨成熟。