基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)分析

戴 明

(江蘇大劇院， 江蘇 南京 210000)

0 引言

自動(dòng)化技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，包含計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子信息技術(shù)、液壓氣壓技術(shù)等[1]。自動(dòng)化技術(shù)主要應(yīng)用在機(jī)械故障診斷與保養(yǎng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制、信息系統(tǒng)管理方面。由于技術(shù)、設(shè)備等各種原因，在早期的機(jī)械設(shè)備故障診斷方面，主要靠相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷，如通過聽覺、觸覺、視覺等去分析設(shè)備是否有異常。隨著信息化、自動(dòng)化技術(shù)等的巨大進(jìn)步，機(jī)械故障診斷與保養(yǎng)有了質(zhì)的改變，實(shí)現(xiàn)了利用信息化、自動(dòng)化等技術(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)。

1 自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)

通過自動(dòng)化技術(shù)獲取到設(shè)備的診斷數(shù)據(jù)，如何利用這些數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備的故障作出分析判斷是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化診斷故障的關(guān)鍵，處理和分析診斷數(shù)據(jù)主要是通過診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。診斷系統(tǒng)分析處理數(shù)據(jù)的能力，決定了自動(dòng)化解決故障的精確性和效率。目前，診斷系統(tǒng)主要有基于知識(shí)領(lǐng)域的專家診斷系統(tǒng)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家診斷系統(tǒng)[3]。

1.1 基于知識(shí)領(lǐng)域的專家診斷系統(tǒng)

該專家系統(tǒng)又可分為一般知識(shí)領(lǐng)域和復(fù)雜知識(shí)領(lǐng)域。一般知識(shí)主要指對(duì)經(jīng)驗(yàn)及常識(shí)得出結(jié)論，復(fù)雜知識(shí)是指需要通過演算推理等手段得出結(jié)論?；谝话阒R(shí)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)是通過對(duì)比系統(tǒng)存儲(chǔ)的故障，找出異常，從中可以看出該專家診斷系統(tǒng)具有局限性，故障存儲(chǔ)庫(kù)數(shù)據(jù)越豐富，故障越能被找出。相反，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容不足，故障也就很難通過比對(duì)被發(fā)現(xiàn)?；趶?fù)雜知識(shí)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)是通過集合具有輸入輸出特性的實(shí)際環(huán)境變量與理論環(huán)境變量的不同期望，分析出可能存在的故障及原因?；趶?fù)雜知識(shí)領(lǐng)域的專家診斷系統(tǒng)，檢索故障能力更強(qiáng)，但其診斷速度相對(duì)較慢。為了優(yōu)化診斷系統(tǒng)，使診斷結(jié)論具有可靠性，通常將兩者診斷方法結(jié)合在一起。

1.2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家診斷系統(tǒng)

隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)相比，該專家系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)能力，它可以通過專家診斷系統(tǒng)的案例不斷優(yōu)化自我學(xué)習(xí)。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷流程，主要是通過對(duì)數(shù)據(jù)初始化、輸入訓(xùn)練樣本、計(jì)算中間層以及輸出層的輸出、計(jì)算輸出誤差、計(jì)算二次系數(shù)、對(duì)比中間層全值、以及權(quán)值對(duì)比判斷等技術(shù)達(dá)到對(duì)機(jī)械裝置的智能化診斷與保養(yǎng)?；赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷流程，主要是通過多個(gè)傳感器判別機(jī)械裝置的狀態(tài)，反饋對(duì)應(yīng)的算法函數(shù)，經(jīng)過預(yù)定閥值的過濾分析提取診斷的結(jié)果信號(hào)，以提高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。該專家系統(tǒng)具有自我判斷能力，如果設(shè)備出現(xiàn)故障進(jìn)而引起險(xiǎn)情，該專家系統(tǒng)可以迅速反應(yīng)，向管理中心發(fā)送警報(bào)信息，并采取相關(guān)措施，控制風(fēng)險(xiǎn)[4]。

2 自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

機(jī)械故障診斷通過運(yùn)用檢測(cè)技術(shù)定位，判斷，分析診斷故障后給出解決方案。如圖1所示，完備的自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)應(yīng)該是一套完整的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過構(gòu)建上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)，可以完整地對(duì)故障部位進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析，對(duì)設(shè)備故障作出預(yù)警和診斷[2]。下位機(jī)系統(tǒng)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到上位機(jī)控制系統(tǒng)，上位機(jī)控制系統(tǒng)通過比、校驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)作出故障判斷，得出故障結(jié)論。如果是設(shè)備參數(shù)問題，上位機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制下位機(jī)，如果設(shè)備儀器本身故障，上位機(jī)可以發(fā)送信息提示安排維修人員維護(hù)或更換儀器元器。

圖1 診斷技術(shù)的原理與程序

2.1 單模組自動(dòng)故障診斷

自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)包含單個(gè)模組診斷檢測(cè)和集成式綜合檢測(cè)兩個(gè)方面。企業(yè)工廠設(shè)備有大型設(shè)備和中小型設(shè)備，根據(jù)經(jīng)濟(jì)效率和運(yùn)行維護(hù)成本，可以針對(duì)性地選擇對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)。經(jīng)費(fèi)有限且設(shè)備某些部位具有舉足輕重的作用或者人工檢測(cè)較難實(shí)現(xiàn)，例如戶外暴雪的極端惡劣環(huán)境下電力設(shè)備故障診斷，基于單個(gè)模組的自動(dòng)化診斷系統(tǒng)更有性價(jià)比。實(shí)現(xiàn)單個(gè)模組的自動(dòng)化故障診斷，主要通過相關(guān)檢測(cè)儀器發(fā)送數(shù)據(jù)，診斷系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后通過對(duì)比、專家會(huì)診等手段，評(píng)估故障狀況并反饋。在線檢測(cè)系統(tǒng)就是通過安裝由諸多傳感器構(gòu)成的硬件檢測(cè)系統(tǒng)，利用信息處理技術(shù)，對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和匯集，進(jìn)而傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2.2 集成式自動(dòng)故障診斷

集成式自動(dòng)化綜合檢測(cè)是在單模組檢測(cè)技術(shù)上發(fā)展起來的，解決了單模組檢測(cè)只能在有限范圍內(nèi)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的整體有機(jī)分析。同時(shí)，集成式自動(dòng)化綜合檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多部門快速流動(dòng)，讓不同部門可以第一時(shí)間了解到相關(guān)問題，避免形成信息孤島。集成式綜合檢測(cè)將分布在不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯集到信息管理系統(tǒng)中，信息管理系統(tǒng)又是企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(MIS)中的一個(gè)分支模塊，可以進(jìn)行整合資源，協(xié)調(diào)各組織部門。

3 自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械故障診斷中的發(fā)展

3.1 借助先進(jìn)的云端技術(shù)打造智慧機(jī)械診斷系統(tǒng)

隨著5G時(shí)代的到來，萬物互聯(lián)成為可能，以前通過傳感器收集數(shù)據(jù)，然后整合傳感器的數(shù)據(jù)回傳到信息處理系統(tǒng)，這個(gè)過程需要單獨(dú)的系統(tǒng)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理。5G時(shí)代的到來，可以實(shí)現(xiàn)直接將傳感器采集的數(shù)據(jù)回傳到系統(tǒng)，減少了中間平臺(tái)。同時(shí)運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整體分析，提升機(jī)械設(shè)備性能，強(qiáng)化診斷設(shè)備故障能力。運(yùn)用5G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸能力，可以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備零部件各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，企業(yè)可以整合工廠設(shè)備，將各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳云端，利用云計(jì)算管理便捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、通用性強(qiáng)的特性，專屬定制自己的云管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的智慧機(jī)械診斷系統(tǒng)。

3.2 診斷系統(tǒng)融入到智能制造過程中

隨著機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的發(fā)展，智能制造隨之應(yīng)運(yùn)而生。智能制造并沒有準(zhǔn)確的定義，但是根據(jù)各國(guó)的工業(yè)規(guī)劃大致可以得出智能制造其核心主要是數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，目的是縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高效率，降低能耗。診斷系統(tǒng)融入到智能制造過程中，一旦生產(chǎn)車間某個(gè)模塊出現(xiàn)問題，智能制造系統(tǒng)可以根據(jù)診斷系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)配和生產(chǎn)任務(wù)調(diào)整，智能化降低設(shè)備故障期間帶來的經(jīng)濟(jì)損失[5]。

3.3 將視覺處理、虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用到機(jī)械故障診斷中

機(jī)器視覺圖像處理和AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在機(jī)械故障診斷中主要通過將現(xiàn)場(chǎng)獲取的設(shè)備圖像與正常設(shè)備圖像進(jìn)行比對(duì)作出診斷結(jié)論。機(jī)器視覺可發(fā)現(xiàn)人眼不易察覺的設(shè)備損傷，在一些高精密儀器設(shè)備上，機(jī)器視覺可以快速發(fā)現(xiàn)零件表面肌理是否產(chǎn)生損壞[6]。

4 結(jié)語

目前我國(guó)針對(duì)機(jī)械設(shè)備故障檢測(cè)和保養(yǎng)還未制定指導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)建議，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化故障檢測(cè)，要求企業(yè)具有一定的科研和資金實(shí)力。因此，應(yīng)該推動(dòng)行業(yè)頭部企業(yè)研發(fā)系統(tǒng)的自動(dòng)化解決方案，讓其他企業(yè)可通過付費(fèi)的方式擁有自動(dòng)化設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的整體進(jìn)步。