机电设备的状态监测、故障诊断与远程维护技术7-25---复件

2020/5/28,机电设备的状态监测、故障诊断与远程维护技术,周奇才教czhou,2020/5/28,2,运用实例,关键技术,目录,故障诊断与维护的信息化,1,3,4,故障诊断及远程维护技术,2,结束语,5,2020/5/28,3,一、故障诊断与维护的信息化,2014年德国政府的工业推进计划“工业4.0”引发了关于第四次工业革命的热议。以大数据、云计算、物联网技术为核心，通过机器智能化、物质信息化、环境数字化等，人类将进入全新时代第四次工业革命时代。,从“德国制造”说起,1.1引言,2020/5/28,5,新一轮的全球工业革命实际上是工业和互联网融合。对此美国和德国提出了各自政策，具有各自不同的关注点，但两者的目标是一致的，就是实现智能制造，实现互联网和工业的融合。,设备互联大数据分析云计算,过程智能化过程虚拟化,从“德国制造”说起,1.1引言,6,广义上讲，两化融合是信息化与工业化的融合、信息化与服务产业的融合及信息化与整个经济社会的融合。,两化融合，是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。,狭义上讲，信息化与工业化融合是指电子信息技术广泛应用到工业生产的各个环节，信息化成为工业企业经营管理的常规手段。,“两化融合内涵”：要用信息技术与信息化方式来创新企业的新品研发、生产设计，实现产品、技术升级，并强化生产流程、产品检测、产品销售和服务等等的管理。,从“德国制造”说起,1.2两化融合,8,以信息经济为主流的经济模式,什么是互联网+,通俗来说，“互联网+”就是“互联网+各个传统行业”，但这并不是简单的两者相加，而是利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。,每一个传统行业都孕育着“互联网+”的机会,如今说起“互联网+”，谁都会联想到互联网金融、电子商务、电子支付、在线教育、在线旅游、云计算、大数据、网络安全、物联网、车联网、移动医疗、云平台等,从“德国制造”说起,1.3互联网+,9,互联网+智能电动汽车,智能汽车,智能家电,“互联网+”合作案例,互联网汽车,2020/5/28,10,10,从“德国制造”说起,1.4故障诊断与维护的信息化,随着工业技术与规模的不断发展，当今的设备的状态监测、故障诊断、维护有了一些新特点与要求。,分布广：地理上分布在全国乃至全世界结构复杂：机械设备的结构、电气设备、功能越来越复杂预防为主：生产不停机，减少维护的成本大数据：传感器众多，采集频率大，数据类型多高效化：设备管理更加高效，诊断更加便捷实时性：能及时将数据采集并展示监测、诊断结果智能化：充分利用计算机的智能，利用目前的智能预测方法、计算方法，能代替人给出诊断结果人性化：呈现给技术人员更易懂形象的数据，,2020/5/28,11,在线监测：对用户机组进行24小时实时在线监测分析。定期评估：为用户提供机组运行状态分析评估报告。故障预警：及时为用户提交机组早期故障预警，分析故障征兆、故障类型、故障根源以及处理方案。远程维护：随时对现场机组各种故障进行远程会诊，提供系统服务和完整的解决方案。现场服务：各种设备相关问题处理现场各种故障的诊断和维护指导。定期回访：将定期用户回访，第一时间掌握用户的建议和要求。数据管理：为每一个用户、每一台设备建立完备的，并持续不断地跟踪管理。,故障诊断与维护技术功能更加成熟,11,从“德国制造”说起,1.4故障诊断与维护的信息化,2020/5/28,12,12,从“德国制造”说起,1.4故障诊断与维护的信息化,作为机械设备全生命周期中重要的环节，设备的状态监测、故障诊断、维护在目前网络化的大背景下具有了新的发展方向，同时反过来也是促进技术进步的重要动力。故障诊断与维护的信息化发展的四个关键词：,互联数据集成转型,2020/5/28,13,1,关键词一：互联物联网与服务互联网的融合,2020/5/28,14,14,从“德国制造”说起,1.4故障诊断与维护的信息化,关键词二：集成多门技术交叉组合故障诊断与远程维护系统有多种设备集成，这些设备通过CPS（信息物理系统）形成网络。,传感器嵌入式系统控制系统通信设施显示终端,2020/5/28,15,15,从“德国制造”说起,1.4故障诊断与维护的信息化,关键词三：数据无处不在,快速锁定所需信息,工业大数据,高效管理海量数据,数据库,数据库管理,2020/5/28,16,16,从“德国制造”说起,1.4故障诊断与维护的信息化,关键词四：转型面向服务为用户创造价值模式、业态、组织等方面的创新一站式服务从数据采集、处理到监控软件的开发远程服务快速解决用户问题终身服务不断提供服务的升级维护,2020/5/28,17,从“德国制造”说起,1.6小结,第四次工业革命，是产品生命周期中整个组织、管理的飞跃。在一个“智能、网络化的世界”里，物联网和服务网将渗透到所有的关键领域。对于机械设备制造领域，同样应该意识到信息化技术的重大意义，利用基于信息物理系统、物联网和互联服务，产生的大量数据流能够被搜集和分析用于指导高效生产以及指导设备的监测、诊断与维护。,2020/5/28,18,二、故障诊断及远程维护技术,对设备开展故障诊断和维护工作是保证设备正常运行、提高设备工作效率、延长设备使用寿命的主要手段。设备故障诊断和维护的任务是及时地、准确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，把故障损失降到最低水平。因此，对设备开展故障诊断和维护工作具有重要的意义。,1.1引言,从“德国制造”说起,2.1引言,故障分类机械系统故障液压系统故障电气系统故障,从“德国制造”说起,2.2机械设备故障,设备发生故障而停工造成的损失巨大，维修费用大幅上升；同时可能招致重大事故。,设备故障产生的原因设计、制造安装的原因维护方法的不当超负荷使用,机械结构变形重要部位裂纹磨损其它,2.3常见故障形式,如减速器齿轮磨损故障：短时间过载或受到冲击载荷，多次重复弯曲引起的疲劳折断；齿面不光滑，有凸起点产生应力集中，或润滑剂不清洁；由于温度过高引起润滑失效；由于硬的颗粒进入摩擦面引起磨损。,机械系统故障：,从“德国制造”说起,2.2机械设备故障,液压系统故障：,如液压系统油温过高：设计不当或使用时压力调整不当；周围环境温度较高；系统缺少卸荷回路或卸荷回路动作不良；散热性能不良；油液粘度过高，引起液流压力损失过大。,滤油堵塞油温过高油压过高或过低其它,从“德国制造”说起,2.2机械设备故障,电气系统故障：,电机、接触器等故障；变频器、控制器等故障线路故障其它,如力矩限制器故障：传感器损坏；增益电路或控制器故障；执行机构故障如电磁阀线圈损坏；显示器工作异常。,2.3常见故障,从“德国制造”说起,2.2机械设备故障,设备诊断与维护的常见问题,检验前缺乏预见过维修与欠维修的矛盾设备事故发生后，缺乏设备的历史运行数据容易造成非计划停机故障点查找困难，维修周期长检验后缺乏检验,从“德国制造”说起,2.3状态监测与故障诊断,在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，通过各种手段，掌握设备运行状态，判定产生故障的部位和原因，并预测、预报设备未来的状态。,什么是状态监测和故障诊断？,防止事故和计划外停机的有效手段。设备维护的基础。,从“德国制造”说起,2.3状态监测与故障诊断,2020/5/28,26,状态监测（简易诊断）内容：识别有无故障明确故障严重程度作出故障趋势分析,故障诊断（精密诊断）内容：确定故障部位确定故障原因提出维修建议,从“德国制造”说起,2.2故障监测与诊断,从“德国制造”说起,2.3状态监测与故障诊断,2020/5/28,27,从“德国制造”说起,2.4状态监测,检修前缺乏预见检修时缺乏依据检修后缺乏检验,根据不同设备的特点和重要性进行各个关键部位的状态监测,状态监测,状态监测是指对规定的监测对象进行间断或连续的(周期)监测，掌握设备运行所处于的状态，判定设备是处于正常状态还是异常状态的一种方法。可监测的设备动态参数有压力、流量、温度、振动、油液与噪声等。状态检测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，对设备运行状态进行评估，判定其处于正常或非正常状态，以便事前采取针对性措施，控制和防止故障的发生。,2020/5/28,28,设备状态监测任务的要素与组成,状态监测的任务主要由三部分组成：信号拾取、信号处理和监测决策。可用的传感器信号包括力、变形、加速度、温度、压力、声发射、电流或电压、光学信号等，与传感器有关的主要指标包括成本、可靠性、有效性和信噪比。,从“德国制造”说起,2.4状态监测,故障诊断是根据状态检测所获得的信息，对设备可能要发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，并预测设备状态今后的变化趋势，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修的对策措施，为设备维修提供正确的技术支持。由某一故障引起的设备状态的变化称为故障的征兆。故障诊断的过程就是从已知征兆判定设备上存在故障的类型及其所在部位的过程。因此，故障诊断的方法实质上是一种状态识别方法。与状态监测的区别：设备状态监测是状态维修的初级阶段，通俗的说，它描述、反应的是设备运行状态的好与坏。而设备诊断技术是状态监测后的识别和判断阶段，能够确定设备“生病”的部位与原因。,故障诊断,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,设备故障诊断技术包括状态监测、分析诊断和故障预测几个方面的内容。但在其具体的实施的过程中，主要可以归纳为信息采集、信息处理、状态识别和诊断决策几个环节。,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,信息采集：它是故障诊断的基础，设备在运行过程中必然会有力、振动、热等各种量的变化，从而产生各种不同信息。根据不同的诊断需求，选择能够表征设备工作状态的不同信号，如压力、振动和温度等。这些不同的信号常常采用不同的传感器来采集获取。,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,信号处理：将采集到的信号进行分类处理、加工，从而获得能够表征机器特征的过程，也称为特征提取，如振动信号从时域变成频域进行频谱分析的过程。,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,状态识别：将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的参数或判别参数进行比较、对比，通过相应的判别标准以确定设备当前所处的状态，并运用一定的诊断策略和方法来确定设备的故障类型和性质。,1.2设备故障诊断技术,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,诊断决策：根据设备当前的状态，决定应采取的对策和措施。同时根据当前和历史信号来预测设备未来的发展趋势，进行趋势分析。,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,上述的整个诊断过程如下图所示,2020/5/28,36,故障诊断难点多学科的综合与交叉,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,振动诊断法：是主要使用的方法噪声诊断法：声压、声强法油液分析法：铁谱、光谱法无损检测法：超声、声发射技术温度检测法：接触法、红外法应力、应变法其它方法：压力法、电流法、转速法等,故障诊断方法,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,故障诊断的专家系统,专家系统是一个故障诊断的专用程序。用户可以把其中积累的诊断专家的知识用于诊断工作。,从“德国制造”说起,2.5故障诊断,常用的设备维护体制,1.事后维护故障后维修是指允许设备运行到故障损坏为止，而不预先采取措施。它也被称为事后维修。其维修理念是:损坏后维修。,从“德国制造”说起,2.4基于状态维护,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,设备维护是设备维修与保养的结合。为防止设备性能劣化或降低设备失效的概率，按事先规定的计划或相应技术条件的规定进行的技术管理措施。,2.计划维护计划维护是指按企业的维修计划进行的维修停工前进行检修计划维修的观点是，机器的寿命是有限的，它发生故障的机率随使用时间增加而增加。其维修理念是：定期维修,常用的设备维护体制,从“德国制造”说起,2.4基于状态维护,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,3.预测性维修预测性维修也被称为“基于状态的维修”（CBM）它的维修理念是：对故障时间和、类型预测，并加以预防。,常用的设备维护体制,从“德国制造”说起,2.4基于状态维护,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,4.主动维护主动维护也称为“精确维护”、“基于可靠性的维护”。其维修理念是：一旦维修，就进行精确维修。,常用的设备维护体制,从“德国制造”说起,2.4基于状态维护,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,远程维护技术是通过设备的状态监测技术、故障诊断技术与计算机网络技术相结合，用若干台中心计算机作为服务器，在重要关键设备上建立监测点，采集设备的状态数据，建立设备状态的网络分析中心，对大型设备进行远程的状态监测、状态征兆匹配及设备诊断，从而达到高效维护的目的。,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,1.3设备远程维护技术,远程故障诊断系统总体结构图,基于状态的维护(Condition-BasedMaintenance，CBM)是一种全新的设备维护模式，其核心思想是在有证据表明故障将要发生时才对设备进行维护。它通过对设备工作状态和工作环境的实时监测，借助人工智能等先进的计算方法，诊断和预测设备未来的有效工作周期，合理确定设备未来的维修时机。CBM方法根据设备的实际运行状态确定设备的最佳维护时间，有效降低设备全寿命周期维护费用，提高设备的可靠性。,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,OSA-CBM标准把CBM系统分成了7个层次不同的技术模块，其层次结构如图所示,从“德国制造”说起,2.6远程维护技术,航空航天领域,大型机械设备,海洋领域,军工等其他领域,飞机电源系统运载器、卫星等直升机等,-大型起重机-地铁盾构-蒸汽锅炉等,军事装备等领域维护,应用领域,-舰艇推进系统-船舶电力系统-燃气轮机,CBM系统应用的领域非常广泛,CBM系统应用于飞机的故障诊断,状态监测,健康评估,预测评估,决策支持,CBM系统应用于蒸汽锅炉的故障诊断,1.7现有应用实例介绍,状态监测,健康评估,预测评估,决策支持,CBM系统应用于盾构机的故障诊断,1.7现有应用实例介绍,状态监测,CBM基于状态的维护是一种新型维护方式，我国在2010年也颁布了国标（GB26221-2010-T）。采用OSA-CBM架构有助于系统整体的通用性与标准性，系统的分模块设计与开发结合系统提供的统一接口实现模块的即插即用，有利于系统的重构与扩展。基于OSA-CBM的“机械设备故障诊断及远程维护系统”的提出为实际应用系统的研制和开发提供了理论依据、实现方法和思路，对其故障诊断与远程维护技术在研究上提升到一个新的水平具有深远的意义。,CBM的意义,建立闭环全生命周期数据集成管理与应用系统,从“德国制造”说起,2.7全生命周期管理,2020/5/28,53,三、关键技术,2020/5/28,54,从“德国制造”说起,3.1关键技术概览,2020/5/28,55,4,传感器技术,传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在生产车间中一般存在许多的传感节点，24小时监控着整个生产过程，当发现异常时可迅速反馈至上位机，可以算得上设备的“五官”。传感器在采集数据的过程中主要特性是其输入与输出的关系。其静态特性反映了传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入和输出关系，我们总是希望传感器的输入与输出成线性关系。一般情况下，由于存在这迟滞、蠕变等因素的影响，输入与输出不会符合所要求的线性关系。因此我们不能忽视工厂中的外界影响。其影响程度取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善加以抑制，有时也可以加对外界条件加以限制。,从“德国制造”说起,3.2数据采集技术,2020/5/28,56,工业中的数据传输主要为现场级数据通信和远程数据通信两类，其中现场级数据通信是现场设备与设备或者设备与主控器之间的通信；远程通信是现场设备或主控器与远程管理器之间的通信。,现场总线、工业以太网、串口、WiFi,光纤、GPRS、GSM、3G/4G,从“德国制造”说起,3.3数据传输技术,2020/5/28,57,4,无线射频技术,RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关的数据信息。利用射频方式进行非接触双向通信，达到识别目的并交换数据。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。在工作时，RFID读写器通过天线发送出一定频率的脉冲信号，当RFID标签进入磁场时，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。,从“德国制造”说起,3.3数据传输技术,2020/5/28,58,4,随着数据传输的速度、可靠性、距离等技术性问题的解决，制造企业实现设备之间的通信从技术上来说并不存在太大问题，但是数据的安全和保密问题对希望实践工业4.0的企业有着顾虑。如果说数据传输技术是人与物的博弈，那么数据安全就是人与人之间的博弈。为实现数据安全和保密，就必须满足两个条件：确保生产设施和产品本身对人或环境不造成任何危险。防止数据被滥用和未经授权的访问,从“德国制造”说起,3.3数据传输技术,安全技术,2020/5/28,59,传感器技术、通信技术和存储技术的推动，工业企业已进入了“大数据”时代，企业所管理数据的规模、种类和复杂度都在以前所未有的速度呈爆炸式增长。据麦肯锡咨询公司统计，“制造业的数据存储量高于其它行业2010年的新数据存储量接近2EB”（1EB=210PB=220TB=230GB）。管理工业大数据的困难并不只限于信息量；由于数据具有不同的格式和来自不同来源，还存在数据多样性和复杂度问题。经常存在过程信息“岛”，必须进行合并、储存和分析，以便获取背景和有意义的值。获取与存储数据并不是最终目的，最终目的是从数据中获取有效的信息。,从“德国制造”说起,3.4大数据处理技术,2020/5/28,60,无法在一定时间内用常规软件工具对其内容进行抓取、管理和处理的大量而复杂的数据集合。维基百科数量大、获取速度快或形态多样的数据，难以用传统关系型数据分析方法进行有效分析，或者需要大规模的水平扩展才能高效处理。美国NIST体量大、快速和多样化的信息资产，需用高效率和创新型的信息技术加以处理，以提高发现洞察、做出决策和优化流程的能力。Gartner公司,大数据定义,从“德国制造”说起,3.4大数据处理技术,大数据在工业领域的解决方案,云计算分布式计算（DistributedComputing）、并行计算（ParallelComputing）、效用计算（UtilityComputing）、网络存储（NetworkStorageTechnologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（LoadBalance）和热备份冗余（HighAvailable）等传统计算机和网络技术发展融合的产物。目前最典型的云计算工具是Hadoop。高级历史数据库对于工业大数据解决方案，人们首先想到的可能并不是历史数据库软件，但许多企业可能没有意识到的是：这些先进、开箱即用的解决方案是专为高效采集、存储和管理大量时间序列过程数据而设计，而这正是工业大数据的难点所在。高级历史数据库采用了时间序列友好的数据结构，使其性能大大优于传统的关系或关键值数据结构，可在大数据集和相关时间段内高效地进行查询。高级历史数据库能够与过程数据源连接，直接获取数据合并整个企业的数据并进行压缩，实现高效存储，极大减少了精确再生时间序列信号所需的数据量。,从“德国制造”说起,3.4大数据处理技术,2020/5/28,62,4,故障诊断的主要分析方法,从“德国制造”说起,3.5故障诊断技术,2020/5/28,63,4,借助专家系统的故障诊断流程,从“德国制造”说起,3.4故障诊断技术,基于数据挖掘与人工智能的故障诊断与预测,基于多目标的维护决策优化,最佳维护时间,最优维护方法,2020/5/28,66,4,信息可视化技术主要解决的问题,呈现错综复杂而规模庞大的数据，让人们了解数据本身及其背后的意义。展示客观事物及其内在联系，激发人的形象思维。,从“德国制造”说起,3.6信息可视化技术,寿命预测,在设备维修决策过程中，如果能够比较准确地对设备故障停机时间做出预测,在后续制定维修计划过程中可以充分整合已有的企业资源,保证生产的正常进行,减少因故障停机时间过长造成的损失。采用寿命预测方法对设备机械故障停机时间进行数学建模,对设备机械故障停机时间做预测,为生产准备、设备维修提供必要的信息支持。建模方法二曲线拟合时间序列分析建模GM灰色预测模型,从“德国制造”说起,3.5寿命预测,时间序列分析,2020/5/28,68,信息可视化技术主要研究内容,可视化技术,技术可视化,数据可视化,信息可视化,知识可视化,将计算或采集的数据图形图像化,可视化在非空间数据领域的应用,可视化感知和处理非数值型信息,构建和传达复杂知识的图解方式,从“德国制造”说起,3.5信息可视化技术,2020/5/28,69,四、运用实例,2020/5/28,70,5,从“德国制造”说起,4.1背景,5,项目目标,3.2系统总体体系结构,系统总体的体系结构,从“德国制造”说起,4.2系统设计,3.2系统总体体系结构,从系统的总体结构简图可以看到，故障诊断及远程维护系统分为两个部分：,2020/5/28,74,2020/5/28,75,核心功能：数据接收、存储及转发,从“德国制造”说起,4.3机载系统设计,3.3机载监控系统,机载监控系统首先采集设备关键零部件的实时数据，将采集到的数据进行处理以后存入数据库中，把数据处理、状态监测、健康评估、分析与预测等程序进行封装，开发设备的机载监控系统。从而可以及时了解设备运行状态、故障情况以及剩余的工作时间。同时对设备的维修提供建议生成模块，将企业内、甚至行业内的专家资源整合起来，对故障问题的解决提供专家级的经验和指导，并提供专家级的故障解决方案与维修建议。,2020/5/28,77,从“德国制造”说起,4.4远程服务中心设计,设备的远程维护系统以机载监控系统为客户端，远程监控中心为服务器端。远程监控中心通过通信网络在线收集现场设备的状态数据；根据远程维护系统内嵌的专家系统对收到的数据实现设备远程维护管理，包括进行整合分析、判断、统计以及变化趋势分析，并为施工中的设备提供远程报警、故障诊断、故障定位、故障解决方案查询等功能。,3.4远程维护系统,设备维护工程师、企业内的专家等通过远程监控中心了解与掌握各设备运行状态、故障情况以及剩余的工作时间，从而能够根据设备的现状制定出合理有效的故障解决方案或设备维护计划，为现场的工作人员提供技术支持和服务，实现设备远程维护。,系统体系结构总共为7个层次，每个层次对应于一个模块。,系统结构模块图,从“德国制造”说起,4.5系统各模块介绍,1).数据采集模块(DataAcquision，DA)：和底层物理设备进行通讯，采集需监测部位各零部件的实时数据，为其他的模块提供现场的原始数据。,采集数据的底层物理设备主要有：各类传感器可编程控制器PLC单片机智能仪表其它,2).数据处理模块(DataManipulation，DM)：获得采集得到的原始数据，对原始数据信号进行一些预处理，如滤波、降噪、转换等功能，然后再把这些数据存储到计算机数据库。,3.5每层模块介绍,2020/5/28,83,3).远程通信模块,远程无线通信技术的选取主要依据以下两个方面：无线网络组建的性能要求，如传输距离、数据传输速率、可靠性、稳定性等；2.通信技术是否能满足用户需求。我们需要的是远距离、传输数据大、可扩展、协议简明