摘 要：智能診斷技術(shù)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的潛在故障和設(shè)備早期的性能劣化提供及時(shí)、有效地監(jiān)測和預(yù)警，為自動(dòng)化設(shè)備的高效維護(hù)提供強(qiáng)有力的保障?，F(xiàn)在，用來對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測診斷的技術(shù)很多，但也存在一定的不足。鑒于發(fā)展智能診斷技術(shù)的重大意義，本文通過理論結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的方式進(jìn)行了公司自動(dòng)化設(shè)備智能故障檢測與診斷技術(shù)的研究應(yīng)用。智能診斷技術(shù)使自動(dòng)化設(shè)備的故障和潛在缺陷得到快速準(zhǔn)確的維護(hù)和處理，從而顯著提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備維修保障的費(fèi)用，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)意義重大。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化設(shè)備；智能診斷；故障診斷

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）04-0170-03

Abstract：The intelligent diagnosis technology provides timely and effective monitoring and early warning to the potential failure of the automation equipment，and makes it possible for the efficient maintenance of the automation equipment. Nowadays，there are many technologies for monitoring and diagnosing the automation equipment，but there are still many problems. Since it is much significant for developing intelligent diagnosis technology，this paper summarizes the research and application of intelligent fault detection and diagnosis technology by combining theory with practical experience. The intelligent diagnosis technology makes the faults and potential defects of the automation equipment quickly and accurately maintained and processed，thus improving the production efficiency and reducing the cost of the maintenance，which is great significant to the manufacturing enterprises.

Keywords：automation equipment；intelligent diagnosis；faults diagnosis

0 引 言

隨著自動(dòng)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜，用戶要求設(shè)備穩(wěn)定、安全、高效地運(yùn)行，甚至提出實(shí)現(xiàn)無人工廠，關(guān)燈生產(chǎn)的愿景。故自動(dòng)化設(shè)備的故障與潛在缺陷診斷和預(yù)測技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展的迫切需要。通過調(diào)研國內(nèi)外先進(jìn)的智能診斷技術(shù)和理論，采用各種故障診斷技術(shù)、微弱早期故障的特征獲取技術(shù)以及趨勢預(yù)測理論模型等，研發(fā)設(shè)計(jì)了設(shè)備自主點(diǎn)檢、智能專檢等技術(shù)來對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，預(yù)判設(shè)備故障。智能診斷技術(shù)基于實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過科學(xué)分析的理論模型得出預(yù)判，可最大限度地發(fā)揮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，有效減少維護(hù)工作量，降低維護(hù)成本，并能提高設(shè)備的可靠性，延長設(shè)備的使用壽命，從而降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的綜合競爭力。

1 自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及問題

1.1 智能診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著自動(dòng)化設(shè)備的機(jī)構(gòu)日益復(fù)雜化，設(shè)備故障帶來的危害和損失也不斷增大。因而，自動(dòng)化設(shè)備故障診斷技術(shù)的地位日益重要。美國從60年代就開始研究故障診斷技術(shù)，現(xiàn)在有關(guān)故障診斷的相關(guān)理論和應(yīng)用研究技術(shù)已遍及美國、日本等諸多研究部門。目前，美國已有西屋（WHEC）、Bently、IRD等多家公司從事電站人工智能故障診斷系統(tǒng)的研究工作，歐洲也有不少知名公司研究智能故障診斷技術(shù)并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，如瑞士ABB公司的振動(dòng)觀察系統(tǒng)（Vibro-View），法國電氣研究與發(fā)展部的監(jiān)測與診斷輔助站，即PSAD系統(tǒng)[1]。

國內(nèi)故障診斷技術(shù)是從80年代開始快速發(fā)展的。目前，在理論研究方面也出版了不少專業(yè)的論著，相關(guān)機(jī)構(gòu)也研發(fā)了許多具有國際先進(jìn)水平的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷系統(tǒng)等。但國內(nèi)故障診斷技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比仍存在較大的差距，主要體現(xiàn)在相關(guān)診斷理論未成體系、相關(guān)機(jī)理研究尚未透徹、多參數(shù)綜合分析診斷技術(shù)尚未成熟和智能故障診斷系統(tǒng)本身可靠性不高等幾個(gè)方面。另外，智能診斷技術(shù)在大型成套設(shè)備上的研究應(yīng)用比較多，但在制造企業(yè)的自動(dòng)化設(shè)備方面的研究應(yīng)用相對(duì)較少，相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)、資料和論著也不多。

智能故障診斷技術(shù)從學(xué)科整體可歸納為以下幾種：基于機(jī)理研究的診斷理論、基于信號(hào)處理的診斷方法、模糊診斷理論、振動(dòng)信號(hào)診斷方法、故障樹分析法、灰色系統(tǒng)理論、故障診斷專家系統(tǒng)方法、故障模式識(shí)別方法、故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷理論和方法[2]。本文研究應(yīng)用的是制造性企業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的智能診斷技術(shù)，是基于實(shí)例的故障診斷系統(tǒng)，是智能診斷技術(shù)和人工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)深度融合的研究應(yīng)用。

1.2 自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)存在的問題

現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)方式包括事后維護(hù)、預(yù)防維護(hù)及預(yù)測性維護(hù)，即突發(fā)故障停機(jī)維護(hù)、定期保養(yǎng)更換維護(hù)和預(yù)測性計(jì)劃維護(hù)。事后維護(hù)的弊病不言而喻，其有嚴(yán)重的滯后性和隨機(jī)性，不可控因素太多；預(yù)防維護(hù)是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備保養(yǎng)手冊(cè)制定的定期維護(hù)保養(yǎng)，不排除存在過度維護(hù)以及一定的浪費(fèi)和不可預(yù)測的問題；預(yù)測性維護(hù)則是在科學(xué)的診斷技術(shù)判定下，按計(jì)劃有條理地進(jìn)行維護(hù)，具有維護(hù)工作量較少、診斷維護(hù)準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，可有效延長設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備的利用率，可顯著減少維修費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，從而提高企業(yè)的綜合競爭力[3]。但是，做好預(yù)測性維護(hù)的核心關(guān)鍵就是智能診斷技術(shù)。由于自動(dòng)化設(shè)備的電氣類故障的隱蔽性，往往很難準(zhǔn)確快速地判定，大部分機(jī)械類故障也非常隱蔽，甚至需要拆開設(shè)備才能發(fā)現(xiàn)，而發(fā)現(xiàn)異常時(shí)已難以修復(fù)，只能更換零部件。缺乏先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和診斷方法，無法將工具與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的話，預(yù)測性維護(hù)就沒有任何理論和科學(xué)依據(jù)可言。

自動(dòng)化設(shè)備的智能診斷技術(shù)已逐步得到各個(gè)制造性企業(yè)的認(rèn)可，但實(shí)際充分有效利用該項(xiàng)技術(shù)的企業(yè)還是很少。究其原因：一方面是企業(yè)認(rèn)為構(gòu)建智能診斷系統(tǒng)的成本高，而且技術(shù)復(fù)雜；另一方面是對(duì)智能診斷技術(shù)的信任度不夠，對(duì)于一些安全性要求極高的系統(tǒng)，即使已經(jīng)配備了智能診斷系統(tǒng)，但是考慮到故障診斷的準(zhǔn)確性以及整個(gè)診斷系統(tǒng)的可靠性問題，實(shí)際維護(hù)中往往還是依據(jù)行業(yè)規(guī)范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定期的預(yù)防性維護(hù)。

2 自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)的研究應(yīng)用

2.1 自動(dòng)化設(shè)備智能診斷的技術(shù)和方法

自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)是做好預(yù)測性維護(hù)工作的核心技術(shù)，它是集成了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備故障診斷、設(shè)備故障預(yù)測、設(shè)備維護(hù)決策和設(shè)備維護(hù)活動(dòng)于一體的系統(tǒng)。設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)備故障預(yù)測是技術(shù)研究重點(diǎn)，設(shè)備維護(hù)決策則需要做出維護(hù)活動(dòng)要求。下面簡要介紹研究應(yīng)用的幾種智能診斷技術(shù)和方法。

（1）振動(dòng)測量技術(shù)：為了定期的調(diào)查機(jī)械狀態(tài)，需運(yùn)用機(jī)械、光學(xué)或電氣的方法對(duì)振動(dòng)振幅、波形、振動(dòng)數(shù)（頻率）實(shí)施測量，并進(jìn)行對(duì)比分析，以預(yù)測或判定設(shè)備故障的可能。

（2）潤滑油光譜分析：是一種通過光譜分析潤滑油中物質(zhì)的成分，對(duì)潤滑油進(jìn)行管理、監(jiān)視軸承、齒輪、油密封圈等的異常狀況的手法。

（3）聲發(fā)射技術(shù)：當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)長期受外力或內(nèi)力作用時(shí)，材料內(nèi)部的缺陷會(huì)逐漸發(fā)生龜裂，變形能量被解放，并作為超聲波的彈性波被釋放出來，這就叫聲發(fā)射（簡稱AE）。通過聲發(fā)射探測技術(shù)可以預(yù)測和判斷材料龜裂程度。

（4）腐蝕測量技術(shù)：通過放射線法、超聲波法等檢出管道中的開裂腐蝕程度，以非破壞方式檢出物體內(nèi)部的缺陷。

常用的視覺影像技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、高精度位移檢測技術(shù)、噪音實(shí)時(shí)檢測技術(shù)等的綜合集成應(yīng)用，可有效及時(shí)地監(jiān)測自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài)，從而可以密切監(jiān)控設(shè)備微缺陷的形成過程，并通過系統(tǒng)分析預(yù)判故障可能發(fā)生的時(shí)間和位置，從而有效指導(dǎo)預(yù)測性維護(hù)工作的開展。

2.2 自動(dòng)化設(shè)備智能診斷的設(shè)計(jì)應(yīng)用

自動(dòng)化設(shè)備故障智能診斷技術(shù)需要系統(tǒng)的診斷分析工具和軟件的支持，實(shí)時(shí)地感知、采集被診斷的裝置或部件的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，與事先設(shè)定的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，或研究其變化趨勢，經(jīng)過相關(guān)診斷理論和方法綜合分析確定或預(yù)測故障。就故障診斷而言，首先要突破的技術(shù)就是準(zhǔn)確地獲取診斷信息[4]。由于自動(dòng)化設(shè)備的各個(gè)組成部分之間的功能關(guān)系復(fù)雜，故障現(xiàn)象很多，故障原因和故障征兆之間的關(guān)系更是錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，故障診斷系統(tǒng)首先要解決的瓶頸問題便是準(zhǔn)確地獲取診斷信息。但是為防止數(shù)據(jù)量冗余而導(dǎo)致的故障診斷誤判，狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集也不是越多越好，而是要求精而準(zhǔn)。

自動(dòng)化設(shè)備智能診斷的設(shè)計(jì)應(yīng)用：第一，創(chuàng)新性的采用開機(jī)自主檢測和首件檢測對(duì)比分析技術(shù)，即開機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就對(duì)各部件的工作條件進(jìn)行檢測，各I/O口的初始狀態(tài)是否準(zhǔn)確，當(dāng)首件零部件上料或加工后再進(jìn)行檢測，并就其信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，以判定設(shè)備各項(xiàng)功能和檢測技術(shù)正常與否；第二，在線實(shí)時(shí)檢測分析，即按照邏輯工作順序?qū)LC各I/O工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并與事先設(shè)定的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較；第三，離線診斷綜合分析，當(dāng)設(shè)備因故障不能正常運(yùn)行時(shí)，可采用直接向輸入輸出緩沖區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，觀察相應(yīng)的元器件是否正確運(yùn)行，來診斷故障；第四，智能診斷機(jī)器人專項(xiàng)檢測技術(shù)，即將各專項(xiàng)診斷技術(shù)如視覺技術(shù)、熱成像技術(shù)、聲納探測技術(shù)、位移檢測技術(shù)、噪音檢測、振動(dòng)檢測等技術(shù)集成在移動(dòng)式智能機(jī)器人上，并按程序設(shè)置定期、定點(diǎn)對(duì)各臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行診斷，并實(shí)時(shí)進(jìn)行互聯(lián)通訊，將維護(hù)人員標(biāo)準(zhǔn)的診斷方法和技術(shù)固化下來，實(shí)時(shí)地與設(shè)備、系統(tǒng)互聯(lián)互通，避免人為判斷的技能差異和失誤。總之，自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可有效提高智能診斷技術(shù)水平和系統(tǒng)的可靠性、及時(shí)性和科學(xué)性。

該診斷系統(tǒng)還設(shè)計(jì)應(yīng)用了無線通信傳輸技術(shù)，可節(jié)約大量的布線成本，個(gè)別機(jī)構(gòu)還成功應(yīng)用了無線傳感器技術(shù)以及視頻監(jiān)控和內(nèi)窺技術(shù)，有效解決了以前無法觀察到設(shè)備內(nèi)隱蔽部位的問題。智能診斷系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)采用了先進(jìn)的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等通信技術(shù)，采用SCADA數(shù)據(jù)采集技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，使智能診斷系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地獲得設(shè)備廠家專業(yè)的技術(shù)工程師和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑倪h(yuǎn)程協(xié)助診斷服務(wù)。

2.3 自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)研究

智能監(jiān)測和診斷技術(shù)需要持續(xù)地解決自身的應(yīng)用難點(diǎn)和技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)在自動(dòng)化設(shè)備故障診斷技術(shù)研究的熱點(diǎn)主要是嵌入式故障診斷技術(shù)，是以動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)的智能診斷技術(shù)，它是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的智能故障診斷技術(shù)，是一種解決強(qiáng)干擾、多征兆、多故障、突發(fā)條件下的故障為目的的綜合性故障診斷技術(shù)。診斷的主要手段不斷向智能化診斷及遠(yuǎn)程診斷的方向拓展。設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測則是重點(diǎn)利用對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測所得的特征參數(shù)的時(shí)間序列，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的后續(xù)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判。目前研究的熱點(diǎn)是灰色模型預(yù)測、時(shí)間序列模型預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等。另外，智能診斷和分析技術(shù)也需要深度結(jié)合技術(shù)人員的實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，并逐步融合入人工智能技術(shù)[5]。

智能故障診斷技術(shù)需要有多知識(shí)表達(dá)形式及多推理模式，從研究的發(fā)展趨勢來看，智能診斷技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）不斷有新的理論運(yùn)用到智能診斷技術(shù)中，如進(jìn)化算法、信息融合診斷、圖論模型推理法等，不同的理論模型的應(yīng)用將逐步完善智能診斷系統(tǒng)；

（2）不同診斷技術(shù)的交叉診斷融合，可以將診斷系統(tǒng)集成化，充分發(fā)揮各項(xiàng)技術(shù)和方法的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提升智能診斷系統(tǒng)的綜合診斷能力；

（3）遠(yuǎn)程、分布式智能故障診斷技術(shù)將顯著提高診斷質(zhì)量和效率，有效節(jié)約診斷費(fèi)用，提升診斷的智能水平[6]。尤其是大型、復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備或生產(chǎn)線，各臺(tái)設(shè)備的診斷系統(tǒng)、離線診斷系統(tǒng)、移動(dòng)智能診斷機(jī)器人等與綜合診斷系統(tǒng)的信息互聯(lián)互通和綜合診斷評(píng)估分析是極為重要和有價(jià)值的。

3 應(yīng)用實(shí)施的效果分析

自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)的研究應(yīng)用地最大效益就是生產(chǎn)總成本的降低。通過自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，公司的自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)成本降低約25%，設(shè)備潛在故障消除了70%以上，設(shè)備的故障停產(chǎn)時(shí)間縮短35%以上，設(shè)備綜合效能OEE提升了5%以上，其投資回報(bào)率約10倍左右，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，并取得了一定的社會(huì)示范效益。自動(dòng)化設(shè)備智能診斷技術(shù)的研究和應(yīng)用是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0、實(shí)現(xiàn)智能制造的一個(gè)重要前提條件。其研究需要向縱深兩個(gè)方向不斷拓展深入，并在實(shí)踐應(yīng)用中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改善，形成PDCA循環(huán)，實(shí)現(xiàn)螺旋式上升，以期達(dá)到真正智能化、無故障、免維護(hù)的最高境界。

4 結(jié) 論

本文研究了各種智能診斷技術(shù)、方法和理論，并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)應(yīng)用到公司的生產(chǎn)實(shí)踐過程中。智能診斷技術(shù)使自動(dòng)化設(shè)備的故障和潛在缺陷得到快速準(zhǔn)確地維護(hù)和處理，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備維修費(fèi)用，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)意義重大。當(dāng)然，新知識(shí)、新技術(shù)的應(yīng)用也將帶來更多更為復(fù)雜的技術(shù)故障，這是對(duì)智能診斷技術(shù)的另一個(gè)挑戰(zhàn)。診斷技術(shù)將逐步朝著全智能化、綜合化的方向發(fā)展，即向集監(jiān)控、測試診斷、管理和根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行后期預(yù)測于一體的全智能綜合系統(tǒng)診斷方向發(fā)展。將前沿學(xué)科同相關(guān)學(xué)科的新思維、新方法相結(jié)合，逐步提高診斷的智能水平，從而實(shí)現(xiàn)高效、及時(shí)、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、便捷的智能診斷系統(tǒng)，并在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用、優(yōu)化和創(chuàng)新。

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作者簡介：林志陽（1978.03-），男，漢族，福建廈門人，副總工程師，工程碩士。研究方向：機(jī)電設(shè)備安裝與維護(hù)。