冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷及維護(hù)

安 鵬

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 承德 067000）

電氣自動(dòng)化設(shè)備是冶金企業(yè)的重要設(shè)備，其采購(gòu)價(jià)格昂貴，一般需要專門(mén)花費(fèi)較長(zhǎng)的制作周期，完成標(biāo)準(zhǔn)化零件的訂制。由于冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備的工作環(huán)境比較惡劣，通常在大沖擊負(fù)荷的條件下工作，受生產(chǎn)工藝參數(shù)變化和材料特性的影響，難免會(huì)出現(xiàn)故障。一旦冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備發(fā)生故障，會(huì)打亂正常的生產(chǎn)流程，嚴(yán)重時(shí)影響整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。因此需要對(duì)冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行故障診斷及維護(hù)，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外對(duì)設(shè)備故障診斷及維護(hù)的研究，主要集中在事后維修、定期預(yù)防維修、生產(chǎn)維修和預(yù)知維修等方面。設(shè)備故障診斷與維修方式關(guān)系密切，通過(guò)提高設(shè)備的可靠性與維修性，可以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備能效的目的，進(jìn)而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)整個(gè)冶金行業(yè)發(fā)展[2]?；诖?，本文對(duì)冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷及維護(hù)進(jìn)行研究，為冶金企業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷及維護(hù)

1.1 提取冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障特征

本文提出的冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷及維護(hù)方法流程如圖1所示。

圖1 故障診斷流程

為進(jìn)行冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷及維護(hù)，首先需要提取故障特征。設(shè)備振動(dòng)信號(hào)反映設(shè)備的基本運(yùn)行情況，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)故障診斷最容易實(shí)施的手段[3]。基于數(shù)據(jù)采集裝置，對(duì)設(shè)備故障單元進(jìn)行數(shù)據(jù)排查。將數(shù)據(jù)上傳后，為降低無(wú)用信息對(duì)故障診斷的干擾，剔除不完整振動(dòng)信號(hào)，其余信號(hào)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化處理，使導(dǎo)入振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)具有標(biāo)準(zhǔn)化格式。通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的發(fā)射點(diǎn)和傳輸路徑，確定設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。完成振動(dòng)信號(hào)的采集和上傳后，基于小波分析提取故障信號(hào)特征。小波變換具有多重分辨性，可利用時(shí)間和頻率的局部變化，有效提取信號(hào)信息[4]。將連續(xù)小波變換中的尺度因子進(jìn)行離散化轉(zhuǎn)換，得到離散小波變換，計(jì)算公式如下：

式（1）中，v離散小波分解信號(hào)；a表示尺度因子；()f t表示振動(dòng)信號(hào)；t表示時(shí)間；λ表示信號(hào)頻率；ε表示平移因子。由于采集到的振動(dòng)信號(hào)與電機(jī)電流等數(shù)據(jù)處于非同質(zhì)數(shù)據(jù)，因此故障特征提取后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到電氣參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)。振動(dòng)信號(hào)時(shí)域與頻域特征整合后，從振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取的特征設(shè)定為機(jī)械故障特征；電機(jī)電流數(shù)據(jù)中提取的特征參數(shù)設(shè)定為電氣故障特征。上述特征參數(shù)對(duì)故障具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此得到的特征參數(shù)可被應(yīng)用于故障診斷及維護(hù)中。

1.2 建立故障位置識(shí)別模型

傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)特征提取后得到故障參數(shù)，每隔相同的周期對(duì)故障參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)存儲(chǔ)為歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障特征，建立故障位置識(shí)別模型[5]。在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，會(huì)出現(xiàn)難以判斷的新型故障，新型故障不僅增加故障位置的識(shí)別難度，還增大了設(shè)備失效的概率。本文利用程序片段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特征信息，建立故障位置動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，以提高應(yīng)對(duì)新故障類型時(shí)的識(shí)別可靠性。為降低數(shù)據(jù)計(jì)算量，將觀測(cè)窗分割為個(gè)時(shí)間片段，則連續(xù)時(shí)間間隔密度可表示為：

式（2）中，M表示連續(xù)時(shí)間間隔密度；g表示運(yùn)行觀測(cè)窗；[A1,A2,···,An]表示觀測(cè)窗的過(guò)零向量。當(dāng)觀測(cè)窗內(nèi)時(shí)間間隔超過(guò)時(shí)間閾值，則表示該階段為超限測(cè)量階段。根據(jù)時(shí)域觀測(cè)窗中時(shí)間閾值比例，計(jì)算超限時(shí)間密度。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，程序位移是相對(duì)坐標(biāo)位移，而采集數(shù)據(jù)得到的實(shí)際坐標(biāo)位移。運(yùn)行狀態(tài)與觀測(cè)值相對(duì)應(yīng)，一定數(shù)量的單狀態(tài)組成運(yùn)行的健康狀態(tài)。在設(shè)備周期內(nèi)，失效狀態(tài)在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上拓展而來(lái)，對(duì)于給定的觀測(cè)序列，通過(guò)最大似然函數(shù)的取值，觀測(cè)序列可被分類。觀測(cè)序列從當(dāng)前健康狀態(tài)轉(zhuǎn)換到下一健康狀態(tài)的過(guò)程中，根據(jù)序列分類可得到該時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)值，由此識(shí)別故障位置。

1.3 基于故障診斷制定維護(hù)策略

在故障診斷的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)信息制定設(shè)備維護(hù)策略。本文將設(shè)備維護(hù)策略劃分為三個(gè)層次：健康預(yù)測(cè)、設(shè)備層維護(hù)和系統(tǒng)層維護(hù)。以個(gè)體設(shè)備的健康預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，建立層次關(guān)系，再整合到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的多設(shè)備維護(hù)，通過(guò)層次遞進(jìn)、相互影響，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的健康維護(hù)。首先將相同工作環(huán)境下的同類設(shè)備設(shè)置為一組，若其中一臺(tái)設(shè)備診斷出故障，則對(duì)其他類型的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。根據(jù)各設(shè)備運(yùn)行周期，設(shè)置固定時(shí)間間隔，預(yù)防性替換重要零部件，通過(guò)批量更換的方式減少維護(hù)成本，預(yù)防性替換后要重新估算設(shè)備運(yùn)行周期，增加設(shè)備使用壽命。一臺(tái)設(shè)備的維護(hù)決策不能僅考慮自身的故障和健康狀態(tài)，將與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)備一同納入維護(hù)策略的制定中，充分考慮相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的互聯(lián)關(guān)系，將設(shè)備維護(hù)策略與互聯(lián)關(guān)系有機(jī)結(jié)果，共同提高系統(tǒng)層面設(shè)備運(yùn)行的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，從而增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，減少維護(hù)成本。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文提出的冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷及維護(hù)方法的應(yīng)用效果，進(jìn)行故障位置識(shí)別測(cè)試。實(shí)驗(yàn)選取某冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備為研究對(duì)象，分別采用本文設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)有故障診斷方法，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行故障診斷。由于采集到的故障信號(hào)具有高頻的噪聲成分，為準(zhǔn)確提取故障信號(hào)，需要首先進(jìn)行降噪處理。以此為基礎(chǔ)，將本文設(shè)計(jì)方法設(shè)定為實(shí)驗(yàn)組，現(xiàn)有故障診斷方法設(shè)定為對(duì)照組，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.2 故障位置識(shí)別測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)選擇故障位置識(shí)別時(shí)間為測(cè)試指標(biāo)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同方法故障位置識(shí)別時(shí)間的大小，比較各方法實(shí)際故障診斷效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 故障位置識(shí)別時(shí)間測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果，本文設(shè)計(jì)方法的故障位置識(shí)別時(shí)間平均值為110.73s，比現(xiàn)有故障診斷方法的故障位置識(shí)別時(shí)間平均值分別降低了64.19s、80.85s和70.01s，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)方法能夠顯著縮短故障位置識(shí)別時(shí)間，有利于冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備的故障診斷及維護(hù)，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式，證明了設(shè)計(jì)故障診斷方法在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過(guò)本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備故障診斷中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)故障診斷幅值測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高故障診斷幅值測(cè)定結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來(lái)針對(duì)此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。與此同時(shí)，還需要對(duì)冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為提高冶金電氣自動(dòng)化設(shè)備的質(zhì)量提供建議。