基于設(shè)備建模的設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)方法

李洋

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025概念的提出，智能制造工程的發(fā)展得到了更多的關(guān)注。隨著傳感器和通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能化也有了更多可能，使用數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析等技術(shù)，為設(shè)備建立運(yùn)行模型，可以為以后的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、故障分析、生命周期管理等提供有效支持。當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備存在檢查識(shí)別故障難度大、故障發(fā)生頻率高、故障緊急修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)穩(wěn)定和設(shè)備使用效率有較大風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備反饋的警告和報(bào)警主要來(lái)自設(shè)備自帶的配置，例如，超溫、過(guò)流等報(bào)警，由于每個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備使用環(huán)境、狀態(tài)不同，設(shè)備自帶的報(bào)警配置有時(shí)不能適應(yīng)，因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行建模，基于關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行模型，建立發(fā)展提前預(yù)知、主動(dòng)反饋的預(yù)測(cè)性維護(hù)體系，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行有著重要意義。

1 設(shè)備建模準(zhǔn)備

1.1 確認(rèn)問(wèn)題需求

目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的報(bào)警系統(tǒng)主要是監(jiān)控電氣元件，反饋到控制器中，由控制器中編輯報(bào)警邏輯和設(shè)備控制，人機(jī)界面進(jìn)行報(bào)警顯示。在當(dāng)前設(shè)備報(bào)警管理系統(tǒng)下，往往在設(shè)備報(bào)警時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損壞，或者已經(jīng)停機(jī)造成了相關(guān)損失，對(duì)于設(shè)備修復(fù)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)恢復(fù)造成較大困難。預(yù)測(cè)性維護(hù)策略需要提前預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的異常狀態(tài)，將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的觸發(fā)報(bào)警數(shù)字量監(jiān)控模式優(yōu)化為對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)，如電流、溫度等的模擬量監(jiān)控模式，通過(guò)建立基準(zhǔn)，監(jiān)控偏移量的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于人機(jī)料法環(huán)五個(gè)主要方面的影響，建立運(yùn)行參數(shù)的基準(zhǔn)難度很大，往往參數(shù)不是線性或者簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系，這就需要通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方法進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)采集

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以分別兩類，一類是靜態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，如機(jī)械結(jié)構(gòu)、額定功率、傳動(dòng)比等；另一類是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、電流、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力、流量、液位、振動(dòng)等。靜態(tài)數(shù)據(jù)可以作為建立模型的輸入?yún)⒖?，?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)則需要采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸入輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)條件是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字化、信息化，隨著技術(shù)的發(fā)展，我們目前現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備已經(jīng)更多地趨向數(shù)字化，設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以經(jīng)由設(shè)備網(wǎng)絡(luò)很方便地采集到上位系統(tǒng)中。在如今的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于變頻器的廣泛使用，頻率和電流可以經(jīng)由變頻器與上位系統(tǒng)的通信進(jìn)行反饋采集，其他的輸入輸出數(shù)據(jù)可以通過(guò)增加現(xiàn)場(chǎng)傳感器，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造來(lái)獲取，目前，針對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控傳感器發(fā)展逐漸成熟，包括電子流量計(jì)、電子壓力表、電子液位計(jì)、紅外測(cè)溫、露點(diǎn)測(cè)試、振動(dòng)檢測(cè)、噪音檢測(cè)等測(cè)量設(shè)備已經(jīng)大量應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信模塊將相關(guān)的反饋模擬量傳送至上位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)

完成了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的采集工作后，需要考慮采集數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)，當(dāng)前主要的數(shù)據(jù)傳輸模式分為以下兩種：（1）數(shù)據(jù)只能在現(xiàn)場(chǎng)顯示，不具備傳輸功能，只能通過(guò)人工定期現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢，完成數(shù)據(jù)錄入，并將采集的數(shù)據(jù)錄入上位機(jī)中；數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，使用手持設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)讀取數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸回到上位機(jī)中。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模式，數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)總線反饋回上位機(jī)（圖1）。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集

目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以第1種的模式居多，這種模式的缺點(diǎn)在于采集數(shù)據(jù)的采樣周期相對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)的鑒別時(shí)間較長(zhǎng)，并且對(duì)人員管理要求較高；第2種模式相對(duì)第1種來(lái)說(shuō)，可以采集更多的數(shù)據(jù)樣本，但仍存在現(xiàn)場(chǎng)讀取設(shè)備周期長(zhǎng)和人員管理的問(wèn)題；通過(guò)一定的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)第3種的數(shù)據(jù)傳輸模式，相對(duì)第1、2種，在線采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度更高，有進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息主動(dòng)預(yù)警的空間，不過(guò)成本較高，在目前的情況下，可以先對(duì)停機(jī)影響較大、故障時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)備進(jìn)行部署。

1.4 數(shù)據(jù)處理

完成了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)之后，下一步要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，根據(jù)時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，去除掉其中的無(wú)效無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和設(shè)備建模。

2 預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

2.1 電流數(shù)據(jù)

電流數(shù)據(jù)參數(shù)用于表征電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)和外部負(fù)載，監(jiān)控啟動(dòng)階段的電流曲線和平穩(wěn)運(yùn)行階段的曲線，可以反映出電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行期間的負(fù)載變化情況，用來(lái)指導(dǎo)潤(rùn)滑和必要的維護(hù)工作。

以輸送線等場(chǎng)合使用的小型電機(jī)為例，電機(jī)存在不斷啟停的情況，電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的電流相對(duì)不穩(wěn)定，此時(shí)，也可以通過(guò)上位機(jī)的數(shù)據(jù)記錄軟件讀取出電機(jī)啟動(dòng)段和運(yùn)行段的電流情況，若是上位機(jī)暫時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)記錄的條件，也可以通過(guò)對(duì)反饋數(shù)據(jù)給出限值，分別測(cè)試出電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下啟動(dòng)段和運(yùn)行段的最大電流，用于表征電機(jī)的運(yùn)行最大負(fù)載狀態(tài)（圖2）。

圖2 風(fēng)機(jī)電流狀態(tài)

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)電流數(shù)據(jù)主要可以分析啟動(dòng)短時(shí)間的最大電流和運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定電流，電機(jī)或者關(guān)聯(lián)使用的變頻器一般采用電機(jī)最大電流報(bào)警機(jī)制，通過(guò)對(duì)實(shí)際使用電機(jī)電流的分析，可以更好地了解電機(jī)運(yùn)行期間的正常電流，從而建立設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)模型，之后可以將現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行模型進(jìn)行對(duì)比，可以得知設(shè)備在各個(gè)運(yùn)行階段的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在全生命周期的狀態(tài)監(jiān)控，提前預(yù)知預(yù)測(cè)設(shè)備故障，部署維護(hù)計(jì)劃，減少緊急停機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的影響，提高設(shè)備技術(shù)可用率，在長(zhǎng)期內(nèi)達(dá)到生產(chǎn)成本的節(jié)約。

2.2 溫度數(shù)據(jù)

溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控適用于電氣設(shè)備檢查、軸承溫度檢查等場(chǎng)合，可以通過(guò)熱成像技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器等方法，讀取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)。

電氣設(shè)備通過(guò)熱成像測(cè)量技術(shù)，可以測(cè)量出局部區(qū)域內(nèi)的電氣元件有無(wú)特別的溫度異常點(diǎn)，可以用來(lái)輔助判別電氣元件和接線點(diǎn)有無(wú)短路損壞等異常情況。

大型電機(jī)的軸承溫度通過(guò)紅外測(cè)溫或者現(xiàn)場(chǎng)熱電偶傳感器測(cè)量，可以表征電機(jī)傳動(dòng)軸和軸承的運(yùn)行狀態(tài)，提前判斷出軸和軸承有無(wú)損壞情況。

2.3 振動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)

對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較大型的運(yùn)行設(shè)備，可以使用加速度、速度、位移傳感器來(lái)監(jiān)控設(shè)備相關(guān)振動(dòng)參數(shù)，振動(dòng)檢測(cè)傳感器可以安裝在電機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵體上（圖3）。

振動(dòng)參數(shù)有助于分析相關(guān)設(shè)備的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，查找引起異常狀態(tài)的振源，從而進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)備異常根本原因，提前發(fā)現(xiàn)解決設(shè)備隱患（圖4）。

圖4 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2.4 其他數(shù)據(jù)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，還有大量可以用于進(jìn)行設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的數(shù)據(jù)參數(shù)，如壓力、濕度、流量、風(fēng)量、液位等，使用這些參數(shù)也可以從不同角度表征設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，輔助查找設(shè)備隱患。

3 設(shè)備建模

3.1 設(shè)備建模方法

針對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行建模，首先，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行原理分析，包括設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。通過(guò)專家診斷、歸納學(xué)習(xí)等方法，找出設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)不同工況間的匹配關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，在故障運(yùn)行數(shù)據(jù)和正常運(yùn)行數(shù)據(jù)較少時(shí)，專家診斷的準(zhǔn)確性更高，有大量故障運(yùn)行數(shù)據(jù)可用時(shí)，歸納學(xué)習(xí)方法分析更可靠，以下對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行舉例說(shuō)明。

簡(jiǎn)單的設(shè)備建模方法為使用設(shè)備數(shù)據(jù)的最大值和平均值來(lái)表征設(shè)備模型，這種方法比較簡(jiǎn)單，也易于在PLC中編程實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備異常情況的警告和報(bào)警。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)較復(fù)雜的、對(duì)質(zhì)量控制要求比較嚴(yán)格的設(shè)備，就需要更精確的設(shè)備建模方法，以上文的電機(jī)電流數(shù)據(jù)為例，普通輸送滾床電機(jī)運(yùn)行過(guò)程可以簡(jiǎn)單理解為加速-快速-減速-停止的過(guò)程，電機(jī)電流在運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷一個(gè)提升-穩(wěn)定-降低的過(guò)程，過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于提升機(jī)等設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于提升機(jī)運(yùn)行時(shí)存在負(fù)載不同、上下方向不同的情況，單純使用最大值或平均值不能有效表征提升機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)于電流的監(jiān)控分析應(yīng)該結(jié)合升降機(jī)負(fù)載、運(yùn)行方向、輸出頻率等參數(shù)共同建模，分出不同的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間段進(jìn)行分析（如圖5）。對(duì)于大型風(fēng)機(jī)電機(jī)設(shè)備，設(shè)備負(fù)載也需要結(jié)合輸出頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)綜合進(jìn)行分析。

圖5 提升機(jī)電流狀態(tài)

在建模過(guò)程中，由于采集數(shù)據(jù)的模式不同，使用不同的建模方法；對(duì)于采樣周期較短、可以連續(xù)采集實(shí)時(shí)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情況，可以使用更精確的數(shù)學(xué)建模方法，用以推算出數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而表征設(shè)備的未來(lái)運(yùn)行情況，對(duì)于采樣周期較長(zhǎng)、相對(duì)更加離散化的數(shù)據(jù)，可以考慮針對(duì)不同時(shí)間階段使用不同閥值進(jìn)行預(yù)警報(bào)警，或者使用歸納學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行建模（如圖6）。

圖6 學(xué)習(xí)算法模型

在建立好模型后，首先需要使用特定的歷史數(shù)據(jù)，包括無(wú)故障數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，在驗(yàn)證成功后，仍需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備情況進(jìn)行模型效果的跟蹤和模型的優(yōu)化。

3.2 模型應(yīng)用

當(dāng)前流行的設(shè)備全生命周期管理需要設(shè)備在從規(guī)劃設(shè)計(jì)、制造安裝、使用維護(hù)，直到改造更新全過(guò)程的管理。建立設(shè)備的模型，可以便于在設(shè)備全生命周期管理中進(jìn)行對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的仿真、模擬和預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)比設(shè)備關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)模型的差異來(lái)察覺異常狀態(tài)，并可以根據(jù)不同設(shè)備的原理和數(shù)據(jù)產(chǎn)生條件進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的進(jìn)一步分析，找出產(chǎn)生異常的可能原因，進(jìn)行驗(yàn)證并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改善設(shè)備模型和分析思路。當(dāng)設(shè)備模型相對(duì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行線性擬合或簡(jiǎn)單線性常微分方程描述時(shí)，可以推導(dǎo)出設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)在一般情況下的發(fā)展趨勢(shì)，提供預(yù)報(bào)設(shè)備異常和故障現(xiàn)場(chǎng)的可能。設(shè)備模型相對(duì)復(fù)雜時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，分析對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生主要影響的參數(shù)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)來(lái)配置參數(shù)異常臨界值，并通過(guò)大量采集經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高參數(shù)異常臨界值對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)的反應(yīng)精確程度。

4 方法應(yīng)用展望

數(shù)學(xué)建模近年來(lái)在國(guó)內(nèi)不斷發(fā)展，通過(guò)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)建模，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多樣的運(yùn)行設(shè)備轉(zhuǎn)化為盡量精確、貼近實(shí)際運(yùn)行的模型，對(duì)于進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)有顯著的輔助作用。

很多行業(yè)前沿公司已經(jīng)推出了基于狀態(tài)監(jiān)控的設(shè)備大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)庫(kù)中，在很多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下，仍需要安裝額外的傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，再將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一配置，形成狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。這種方案是目前比較主流的一種方案，在設(shè)備完成購(gòu)置、安裝、調(diào)試、運(yùn)行后需要額外增加一部分用于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的成本。將來(lái)更適應(yīng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備將在設(shè)備制造工序中選裝狀態(tài)監(jiān)控模塊，從設(shè)備開始安裝調(diào)試就可以收集數(shù)據(jù)，便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備的全生命周期管理。

設(shè)備的使用管理部門在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上與各個(gè)設(shè)備供應(yīng)商合作交流，在保證信息安全的前提下，定制開發(fā)更貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的，用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的設(shè)備監(jiān)控模型系統(tǒng)。

工信部發(fā)布的《數(shù)字孿生白皮書》中提到了應(yīng)用于更全面的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的數(shù)字孿生概念，對(duì)設(shè)備全生命周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，更全面的數(shù)據(jù)采集有助于降低數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和整理時(shí)的工作量，方便在原有設(shè)備模型有偏差的情況下，對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)工廠中的設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)需求，本文提出設(shè)備建模為基礎(chǔ)，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)工作。通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的跟蹤分析，預(yù)測(cè)設(shè)備的失效狀態(tài)，提早發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免發(fā)生較大影響的故障，降低過(guò)量維修的維護(hù)成本，并可以優(yōu)化預(yù)防性檢修計(jì)劃，合理提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生命周期。為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精益生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智能制造提供有效支持。