鄭維國(guó)，朱建軍

(泰戈特(北京)工程技術(shù)有限公司，北京 100022)

1 研究背景

設(shè)備健康系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)、民用飛機(jī)、雷達(dá)系統(tǒng)、飛行器、汽車電子、機(jī)械制造等行業(yè)都有應(yīng)用，重要設(shè)備的有效健康管理保證了系統(tǒng)的高效安全運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)前選煤廠智能化在國(guó)家兩化融合的春風(fēng)中爭(zhēng)相綻放，在信息化浪潮中各種技術(shù)百家爭(zhēng)鳴，眾多廠家從多個(gè)角度展望選煤廠智能化的未來(lái)。選煤廠智能化發(fā)展的基礎(chǔ)是設(shè)備智能化與系統(tǒng)智能化的建設(shè)，設(shè)備智能化有2個(gè)方面：一是設(shè)備選型時(shí)設(shè)備本身智能化，這在選煤廠初建時(shí)基本達(dá)到要求；二是使用中保證智能化設(shè)備的正常運(yùn)行，保證設(shè)備正常運(yùn)行的條件是設(shè)備健康且穩(wěn)定可靠。因此研究選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)智能化具有實(shí)用價(jià)值。

2 選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)現(xiàn)狀

選煤廠目前設(shè)備健康系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r良莠不齊，智能化方向主要是通過(guò)離線與在線檢測(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速箱等傳動(dòng)部分的溫度與振動(dòng)值，利用檢測(cè)值判斷設(shè)備這些部位的健康狀況。設(shè)備健康系統(tǒng)離線檢測(cè)最早開(kāi)始應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近位置粘貼設(shè)備牌，巡檢人員攜帶點(diǎn)檢儀，在巡檢中通過(guò)手動(dòng)檢測(cè)設(shè)備溫度、振動(dòng)值，關(guān)鍵位置可以拍照、錄像。待巡檢人員回到辦公室后，連接后臺(tái)服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，在點(diǎn)檢系統(tǒng)軟件模塊內(nèi)完成對(duì)應(yīng)數(shù)值處理及分析診斷功能。手動(dòng)點(diǎn)檢儀的增強(qiáng)版是應(yīng)用點(diǎn)檢儀無(wú)線WiFi或移動(dòng)SIM卡功能，人工在現(xiàn)場(chǎng)用手持點(diǎn)檢儀檢測(cè)到設(shè)備數(shù)值后直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)近c(diǎn)檢后臺(tái)服務(wù)器軟件系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在線檢測(cè)就是通過(guò)有線、無(wú)線或有線無(wú)線混合的通信方式將檢測(cè)值實(shí)時(shí)上傳，減少人員干預(yù)。這種方式檢測(cè)是在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上安裝檢測(cè)傳感器，消除了人為點(diǎn)檢隨機(jī)因素，不足之處是不能實(shí)時(shí)拍照，在需要圖像時(shí)還需人工方式現(xiàn)場(chǎng)處理。在線式設(shè)備健康檢測(cè)，可以時(shí)刻檢測(cè)，連續(xù)性好，報(bào)警靈敏度得以提高。當(dāng)前市場(chǎng)上設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測(cè)基本都在使用這種拓?fù)溥M(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖1)，因設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測(cè)就像醫(yī)生看病一樣，“望聞問(wèn)切”后得到的信息就是各種傳感器檢測(cè)到的數(shù)值，醫(yī)生診斷病因并給出處方，而醫(yī)生的醫(yī)術(shù)及專業(yè)知識(shí)才是解決病情的核心。設(shè)備健康系統(tǒng)也一樣，檢測(cè)數(shù)值收集后利用數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題及解決方案才是設(shè)備健康系統(tǒng)的核心意義所在。

圖1 設(shè)備健康系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3 設(shè)備健康發(fā)展研究

關(guān)于選煤廠設(shè)備健康預(yù)測(cè)預(yù)防的優(yōu)點(diǎn)，選煤行業(yè)的認(rèn)可度基本一致：提前預(yù)測(cè)、預(yù)防及做好維保，合理安排設(shè)備檢修時(shí)間，減少設(shè)備突發(fā)故障維修，保證設(shè)備的完好性，最終減少故障停產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低備品備件的數(shù)量，優(yōu)化庫(kù)存物資，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測(cè)不論是離線式還是在線式，關(guān)鍵還是對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析處理，通過(guò)大數(shù)據(jù)智能分析設(shè)備性能狀態(tài)，有針對(duì)性地“下處方”，通過(guò)數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障隱患點(diǎn)，給與針對(duì)性的維修處理，保證設(shè)備正常工作，盡量減少故障停產(chǎn)時(shí)間，才是保持設(shè)備健康最終之目的。所以設(shè)備健康的研究方向是如何檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，怎樣利用數(shù)據(jù)分析，通過(guò)數(shù)學(xué)建模和函授算法預(yù)測(cè)設(shè)備存在的問(wèn)題，并給出針對(duì)性的解決方案才是選煤廠設(shè)備健康研究的重點(diǎn)。

3.1 正確的檢測(cè)傳感技術(shù)

檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、檢測(cè)方式、傳感器數(shù)量、測(cè)控技術(shù)的成熟性及安裝方式是決定后續(xù)設(shè)備健康數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。目前市場(chǎng)的主流以溫度、振動(dòng)傳感器在線檢測(cè)為主，手動(dòng)點(diǎn)檢復(fù)核為輔(見(jiàn)圖2)，通過(guò)這2類傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)算可能故障隱患，無(wú)論是設(shè)備的機(jī)械故障還是電氣故障，這方面具有一定的籠統(tǒng)性和片面性，這也降低了設(shè)備健康診斷的準(zhǔn)確性。因術(shù)業(yè)有專攻，用這2組數(shù)據(jù)檢測(cè)判斷設(shè)備的所有故障與缺陷，明顯不具有代表性。通過(guò)對(duì)多家公司健康診斷系統(tǒng)的調(diào)研，比較專業(yè)的公司做得比較成熟，在實(shí)際設(shè)備健康應(yīng)用中，能夠提供專業(yè)的檢測(cè)傳感器，配以科學(xué)的安裝，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確度影響有深入的數(shù)據(jù)分析，確實(shí)能夠在自己專業(yè)的領(lǐng)域通過(guò)數(shù)模分析，較準(zhǔn)確地給出設(shè)備的健康問(wèn)題，提前給出診斷結(jié)果。如電動(dòng)機(jī)磁感技術(shù)，傳動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的油質(zhì)分析等，都有其獨(dú)到之處，再結(jié)合溫度、振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)，靶向定位故障問(wèn)題準(zhǔn)確。

圖2 傳感器安裝位置示意

目前研究傳感器技術(shù)對(duì)設(shè)備健康數(shù)據(jù)的檢測(cè)非常重要，精細(xì)化趨勢(shì)非常明顯，專業(yè)公司由于對(duì)設(shè)備有深入的了解，依據(jù)掌握的專業(yè)知識(shí)，數(shù)據(jù)檢測(cè)有其獨(dú)到之處。各專業(yè)公司檢測(cè)傳感器類型比較多，使得設(shè)備健康檢測(cè)多樣化、復(fù)雜化，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，整合多個(gè)專業(yè)公司系統(tǒng)到一個(gè)設(shè)備管理健康平臺(tái)的難度非常大。這個(gè)問(wèn)題是設(shè)備健康檢測(cè)發(fā)展中的痛點(diǎn)之一，目前許多用戶還沒(méi)有意識(shí)到檢測(cè)傳感器的專業(yè)性。以后設(shè)備傳感器就與看病一樣，目前的溫度、振動(dòng)檢測(cè)就像人體的測(cè)溫、B超一樣，只是模糊確定一個(gè)方向性。要準(zhǔn)確定位，查出主要原因并對(duì)癥下藥，傳感測(cè)控技術(shù)像醫(yī)學(xué)的CT、MBR檢測(cè)技術(shù)一樣，對(duì)設(shè)備從外到里的準(zhǔn)確檢查，將設(shè)備的健康問(wèn)題吃透，有目標(biāo)性地徹底解決，這是設(shè)備健康檢測(cè)未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)的突破方向。

3.2 設(shè)備故障預(yù)測(cè)與分析過(guò)程

在選煤廠智能化的發(fā)展趨勢(shì)下，結(jié)合人工智能對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的精準(zhǔn)維護(hù)，形成選煤廠的標(biāo)配系統(tǒng)之一。設(shè)備健康管理的目標(biāo)是減少非計(jì)劃停機(jī)，保障生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行，減少維護(hù)不足和過(guò)度維護(hù)的次數(shù)，對(duì)設(shè)備部件使用壽命更加準(zhǔn)確的評(píng)估和預(yù)測(cè)，避免提前更換。故障預(yù)測(cè)及維護(hù)模式的目標(biāo)如圖3所示。

設(shè)備健康管理系統(tǒng)中設(shè)備檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)分析，流行的檢測(cè)傳感器是振動(dòng)與溫度，核心是振動(dòng)傳感器。因分析震動(dòng)信號(hào)可以提前預(yù)知軸承的磨損情況，根據(jù)不同的故障，振動(dòng)特性不同，通過(guò)正向?qū)W習(xí)分析，反向推理，應(yīng)用高頻(10 K以上)采集，極大地提高了分析的精確性。根據(jù)ISO10816-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，參考值如圖4所示。

圖3 預(yù)測(cè)性維護(hù)分析及系統(tǒng)功能示意

圖4 ISO 10816-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

選煤行業(yè)一般常見(jiàn)設(shè)備主要檢測(cè)電機(jī)、減速機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，重點(diǎn)分析其損壞前的征兆?？勺R(shí)別的故障：

(1)機(jī)械損傷：共振、不平衡、軸承損傷、齒嚙合故障、錯(cuò)位、葉片通過(guò)頻率。

(2)電氣故障：定子磁場(chǎng)故障、轉(zhuǎn)子銅條斷裂。

(3)電機(jī)損壞：電機(jī)損壞的典型分析如圖5所示。

基于檢測(cè)及故障定性的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)設(shè)備連續(xù)進(jìn)行監(jiān)視，收集數(shù)據(jù)，然后對(duì)監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合故障預(yù)測(cè)過(guò)程的理論知識(shí)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視進(jìn)行分析，如圖6、圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)分析

由于通信技術(shù)的成熟性，目前無(wú)論在線還是離線，都能把數(shù)據(jù)成功傳輸，只不過(guò)數(shù)據(jù)采樣周期根據(jù)系統(tǒng)容量不同而已?？茖W(xué)設(shè)置或規(guī)定數(shù)據(jù)采樣周期，在線式檢測(cè)方式的優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)前不論采用哪種方式把大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)服務(wù)器，通過(guò)后臺(tái)專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模分析(見(jiàn)圖8)，都是各廠家基本遵循的原則。目前數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的有線及無(wú)線通信技術(shù)、IT技術(shù)都具有通用性，而設(shè)備健康管理的實(shí)質(zhì)是準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)性地分析，這需要對(duì)設(shè)備某個(gè)分部配件制造設(shè)計(jì)進(jìn)行深度研究，如減速器設(shè)備，并建立起豐富的大數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣數(shù)據(jù)采集建模后才有對(duì)比，且能應(yīng)用專業(yè)的設(shè)計(jì)制造及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行快速診斷，給出正確的處理意見(jiàn)。從實(shí)例項(xiàng)目數(shù)據(jù)分析的調(diào)研結(jié)果看，專業(yè)公司設(shè)備健康診斷數(shù)據(jù)來(lái)源及依據(jù)較可靠，故障點(diǎn)預(yù)測(cè)具有一定的利用價(jià)值。數(shù)據(jù)分析存在的難點(diǎn)是專業(yè)公司的大數(shù)據(jù)庫(kù)由于商業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)原因，不愿意開(kāi)放，具有技術(shù)保密性，不能與整臺(tái)設(shè)備的其它部分廠家數(shù)據(jù)共享，使得各廠家設(shè)備健康系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái)建設(shè)有重復(fù)化、同質(zhì)化、無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的傾向。

圖5 電機(jī)損壞分析

圖6 設(shè)備狀態(tài)分析方法

圖7 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視單線

圖8 軟件數(shù)模分析

目前設(shè)備健康系統(tǒng)理論數(shù)模分析方法一般采用頻域法、磁場(chǎng)法、油質(zhì)品相法、溫度與材質(zhì)關(guān)系曲線、溫度與傳動(dòng)部分的技術(shù)參數(shù)關(guān)系曲線等方法。應(yīng)用專業(yè)的分析方法，專業(yè)公司對(duì)專業(yè)知識(shí)深度掌控，數(shù)學(xué)建模較成熟，應(yīng)用產(chǎn)學(xué)研結(jié)合將頻譜、溫度、色度、磁場(chǎng)等前沿的學(xué)術(shù)知識(shí)予以匯總建模，數(shù)據(jù)曲線偏差分析較準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)性故障判斷具有一定的前瞻性。實(shí)際應(yīng)用中的軟件平臺(tái)將理論知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在健康管理系統(tǒng)中對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，相關(guān)處理方法包括：數(shù)據(jù)濾波、簡(jiǎn)單閾值判定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、故障診斷方法、壽命預(yù)測(cè)算法、維修決策方法等。選煤廠設(shè)備數(shù)據(jù)檢測(cè)后的結(jié)果同樣適用于專業(yè)公司的規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)，所有專業(yè)公司的數(shù)據(jù)庫(kù)就是一本“百科全書”，將設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果在“百科全書”中能找到對(duì)應(yīng)的解決策略，這樣的結(jié)果也可達(dá)到選煤廠設(shè)備健康診斷的智能化目標(biāo)。各集團(tuán)公司下屬選煤廠從長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)發(fā)展，請(qǐng)專業(yè)廠家建立自己的設(shè)備健康系統(tǒng)，集團(tuán)公司將下屬選煤廠建立的設(shè)備健康數(shù)據(jù)檢測(cè)、診斷過(guò)程、解決方案等信息資料進(jìn)行采集匯總，將數(shù)據(jù)以私有云的方式存儲(chǔ)在集團(tuán)信息中心，建立完善適合集團(tuán)公司選煤設(shè)備健康的私有云“百科全書”及大數(shù)據(jù)庫(kù)，使得集團(tuán)公司內(nèi)所有設(shè)備健康檔案可實(shí)時(shí)查看，達(dá)到真正的預(yù)測(cè)、預(yù)防、維護(hù)、供應(yīng)鏈優(yōu)化，降低設(shè)備故障率、提高備件利用率、減少生產(chǎn)線故障停機(jī)時(shí)間的目的，最終促進(jìn)企業(yè)提高決策效率、使得經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.4 方案解決

選煤廠設(shè)備健康方案解決是基于傳感測(cè)控技術(shù)與數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上展開(kāi)。煤炭行業(yè)各集團(tuán)公司設(shè)備選型后直接決定了后續(xù)設(shè)備健康系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模，所以不同的集團(tuán)公司選煤廠需要個(gè)性化定制建設(shè)，解決方案要符合集團(tuán)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況，然后分解設(shè)備，應(yīng)用ABC分類法，選擇對(duì)應(yīng)專業(yè)設(shè)備健康公司，前期共同診斷，輔助建立集團(tuán)公司的私有云設(shè)備健康檔案，逐步收集完善集團(tuán)內(nèi)部設(shè)備健康百科全書。集團(tuán)MER系統(tǒng)整合資源，將設(shè)備健康內(nèi)容填充進(jìn)入系統(tǒng)，導(dǎo)入各下屬選煤廠，完成各選煤廠個(gè)性化設(shè)備健康系統(tǒng)。應(yīng)用上述思路可一攬子解決選煤廠設(shè)備健康系統(tǒng)全壽命周期管理。

另外一種解決方案就是合作共贏，由專業(yè)公司入駐，專業(yè)公司做專業(yè)設(shè)備健康分析，給企業(yè)提供一攬子解決辦法。但是，企業(yè)將面臨設(shè)備健康系統(tǒng)多平臺(tái)化建設(shè)，大量協(xié)調(diào)各專業(yè)公司之間的通訊接口、問(wèn)題職責(zé)劃分、協(xié)調(diào)管理工作量加大等一系列問(wèn)題。

4 設(shè)備健康應(yīng)用及展望

目前在2025智能制造，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器深度學(xué)習(xí)認(rèn)知化的大環(huán)境下，炙熱的設(shè)備健康系統(tǒng)建設(shè)，使得各行各業(yè)都在嘗試、試驗(yàn)及探求突破，各廠商都提出通過(guò)專業(yè)化多年的經(jīng)驗(yàn)，深度學(xué)習(xí)，完全能夠定位設(shè)備健康狀況及解決辦法，但市場(chǎng)上仍存在良莠不齊。展望未來(lái)，隨著傳感技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、射線成像、AI智能視頻分析等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，相信在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析軟件加專業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)備健康檢查就和醫(yī)院流程檢查一樣，完全能夠定性定量的為設(shè)備做出全面的健康報(bào)告，服務(wù)于各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，使生產(chǎn)設(shè)備良好運(yùn)行，降低損耗，最終達(dá)到很好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。