设备状态监测与故障诊断技术发展浅析

李 政

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300450）

0 引言

在现代化工业生产越来越大型化、高速化、自动化，其生产率和自动化程度逐步提高的同时，特别是在航空航天、核工业、造纸、钢铁、食品、石油化工等部门中，机械装备故障停机可能造成重大经济损失，甚至导致重大安全事故的发生。因此，现代装备对安全性和可靠性提出越来越高的要求[1]。在现代设备中，要做到不出事故是很难的，最好的方法应该是努力争取做到故障早期发现，防患于未然。对于现代装备的安全性和可靠性而言，设备故障诊断技术显得尤为重要。

1 设备故障的概念

所谓设备故障，一般是指设备在外界或自身干扰下，原来的稳定状态被打破，此时由外界或自身干扰造成的损伤与自身抗损伤能量进行斗争，表现为设备的某些零部件在功能、形态和结构上的改变以及对环境的适应能力的下降，妨碍机器正常运行，并表现出一系列征兆，进而使机器功能、出力等受到影响，这就产生了故障。

故障在实际使用时常常与异常、事故等词语混淆，设备管理人员必须把设备的异常状态和故障状态进行区分。

事故也属于故障范畴，是基于安全环保与经济的考量。通常是指装备处于非安全状态或装备受到非正常损坏，失去性能和功能等。

2 旋转设备故障诊断技术研究的重点

目前，旋转设备故障诊断技术研究的重点主要集中在以下3 个方面：

2.1 旋转设备故障机理和诊断方法的研究

旋转设备故障机理和诊断方法研究的目的，主要是为了掌握旋转设备各种故障产生的原因和故障形成的机理，研究故障表征与故障信号之间的逻辑关系，通过对故障特征的深入研究，运用数学、物理、化学、机械动力学等基础学科的理论和方法，建立科学的故障模型。这些是开展故障诊断技术的基础[2]。

2.2 旋转设备故障信号的提取与分析方法的研究

随着各学科基础理论和技术的发展，旋转设备故障信号的提取与处理技术得到极大提升，数据采集、信号处理技术手段日臻完善，从前无法和难以解决的故障诊断问题变得可能和容易起来。可以利用旋转设备故障表征信号，更精确地判断故障原因，更可靠地对旋转设备或部件的寿命进行预测，做到对旋转设备或部件进行全寿命周期运行的管理。旋转设备故障信号的提取和再处理是旋转设备故障诊断技术的基础，对旋转设备故障信号的分析，则是断定旋转设备故障源和故障类型及损坏程度的可靠工具。

3 旋转设备故障诊断技术的发展趋势

旋转设备状态监测与故障诊断技术应用领域从最早的军事装备，逐渐应用到石化、冶金、电力等工业大型关键机组、机泵群。近年来，已经逐渐从单纯的机械领域拓宽到其他应用领域，如在发电系统、水利系统、核能系统、航空航天系统、远洋船舶，交通运输系统的监控中，发挥了巨大的作用。旋转设备故障诊断技术是多个学科交叉，综合发展起来的新兴学科，同时是一门综合性的应用技术。国内外近二三十年设备诊断技术的研究开发和应用非常活跃，发展迅猛，取得了出人意料的实效。随着科学技术的发展，这一技术将会得到更加广泛和深入的应用。旋转设备故障诊断技术正在变成计算机、控制、通信和人工智能的集成技术，不断向故障诊断软硬件的集成化；故障诊断机理模型化；故障诊断与监测系统化；诊断信息数据化，故障诊断工程化的方向发展。具体表现在以下4 个方面。

1）旋转设备故障诊断技术吸收了大量现代科技成果，除了传统的振动信号，还可以综合利用噪声、电流、温度、压力、流量、性能曲线等多种信息实施诊断，同时还可以利用几种方法进行综合诊断。同时，多种现代信号处理方法，如全息谱技术、小波分析、数据融合技术（Date Fusion）、数据挖掘技术（Date Mining）等前沿科技成果，也被运用于旋转设备故障诊断领域。这种多种方法的融合，实现优势互补，更能有效地判断旋转设备故障源及故障的信息，使得旋转设备故障诊断的准确度和精确度得到了很大提高。

2）现代化工业要求生产装备的高度自动化、集成化和大型化发展，越是复杂的工业装备越是要具备高度的可靠性和防御故障的能力，以确保生产系统安全、稳定、长期连续满负荷优化运行。因此，需要对现代化工业生产中复杂的旋转设备进行全方位、多维度的监测与控制，便于对旋转设备的实时运行状态有全面的了解。同时，应对有些复杂情况早模拟，早研究，早认知，这样可以在设备未发生故障之前制定处置预案，干预设备发生故障。而虚拟仪器技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种学科技术，是当今计算机领域的新技术之一。虚拟仪器可以直接模拟和研究仿真对象在环境变化中的变化与关系，为探索旋转设备故障的发生、发展和发生故障以后所表现的特征、特性提供了一种全新的手段，可以把故障现象更形象、生动和具体地表达或呈现出来，帮助人们更直观地对故障进行认知，提高了旋转设备故障诊断的准确性。同时，实际生产实践中，有很多旋转设备故障不能在实验台进行模拟，而虚拟仪器可以进行模拟，弥补了某些旋转设备故障、叠加故障难以实验的不足。将虚拟仪器应用于旋转设备故障诊断具有显著的工程实践应用价值，能够产生良好的经济效益，为旋转设备故障诊断技术的发展提供了良好的支撑。

3）在实际工业现场的应用中，从监测到的故障信息去判别故障类型常常需要技术人员具有较高的专业水平和丰富的现场经验，这一难题往往制约着旋转设备故障诊断技术的推广和应用。所以，必须使旋转设备故障诊断仪器或故障诊断系统智能化。这样，一方面可以降低使用者技术水平的限制，一方面还可以帮助技术人员储备知识和积累丰富的经验，使已有的技术水平和经验数据化或固化。计算机及其软件技术和专家的知识与经验，使旋转设备故障诊断智能化，而神经网络、故障诊断专家系统、决策支持系统、数据挖掘技术、算法和模型等为实现人工智能诊断提供了技术支持[3]。发展具有旋转设备状态监测与故障诊断能力的综合系统，并向智能化方向发展是目前一个时期的研究重点。

4）随着Internet 和Intranet 技术的普及与应用，国内外许多大型企业设备管理工作已向网络化发展，旋转设备状态监测和诊断网络化发展的时代已经到来。通过网络实现实时地监测旋转设备的实时运行状态，提前发现故障，提前干预处理，保证设备运行可靠性。

图1 基于网络的旋转设备故障诊断系统结构图Fig.1 Structure chart of rotating equipment fault diagnosis system based on network

基于网络的旋转设备故障诊断系统结构图如图1 所示，采用传感器群对工业旋转设备进行监测，将旋转设备数据采集系统采集的数据，通过有线或无线与故障诊断监测系统、企业设备（资产）管理系统连接，使企业管理层实时获取设备运行状态信息，有利于更科学地对设备维护维修进行决策。通过网络对设备集群实施在线状态监测与故障诊断，可以更大范围地提供专家支援，网上会诊，实现远程故障诊断，为设备群状态评估分析提供数据支持；预测设备故障原因和部位，综合专家们在知识和经验上的优势，从而提高设备故障诊断水平，保证旋转设备运行的可靠性。

4 总结

随着现代科学技术的发展，旋转设备故障信号处理技术不断突破，旋转设备故障机理的不断深入研究使旋转设备故障诊断系统工程必将迈入新的发展阶段。总之，旋转设备状态监测与故障诊断技术发展，必须依靠现代科学理论和技术水平的相互发展。企业生产部门、设备管理部门、技术部门要密切配合，才能将这一技术深入推广应用，切实为企业的生产服务，推动企业设备管理水平踏上一个新台阶，为企业实现良好的经济、安全、环保及社会效益做出贡献。