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

       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。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了支持向量機(jī)、小波包、隱馬爾可夫模型（ Hidden Markov Model，HMM）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)。
       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，由上位機(jī)故障診斷系統(tǒng)完成診斷。
       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。
       一、性能退化評(píng)估
       性能退化評(píng)估主要由特征提取、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)。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)。
       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，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，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，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，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。
       二、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。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。
       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)庫三部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的性能退化評(píng)估。
       三、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
       1、硬件條件
       與某公司合作開發(fā)的便攜式振動(dòng)分析儀，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； 4GB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。
       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。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)庫層、應(yīng)用邏輯層和用戶界面層。
       數(shù)據(jù)庫層：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、用戶信息數(shù)據(jù)庫、模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫和時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)庫。其中設(shè)備用戶信息數(shù)據(jù)庫主要存儲(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)庫訪問組件包主要完成數(shù)據(jù)庫的相關(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。
       四、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6307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。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3000 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20480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2469min，采集到了2469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。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。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)為由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。將每幀數(shù)據(jù)劃分為10段，即每段2048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)。結(jié)合歷史評(píng)估結(jié)果，并繪制出性能退化曲線。
       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1295 min前，性能指標(biāo)穩(wěn)定且變化平緩，這是軸承因?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1295～2335 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2335 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)大面積點(diǎn)蝕，此時(shí)設(shè)備正處于第三退化狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，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，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。
       五、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6307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)。

作者1：江瑞龍  單位：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
作者1：陳  進(jìn)  單位：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
作者1：劉  韜  單位：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
作者2：肖文斌  單位：上海衛(wèi)星工程研究所