孫培峰，徐高歡

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

浙江省地處東南沿海，是臺(tái)風(fēng)、洪水等多發(fā)地區(qū)，防洪排澇水泵站在抵御災(zāi)害、確保人民命財(cái)產(chǎn)安全等方面起著無(wú)可替代的作用。浙江省現(xiàn)有泵站大量地建于上個(gè)世紀(jì)，由于年代久遠(yuǎn)，以及受當(dāng)時(shí)技術(shù)、資金及設(shè)備等方面的條件限制，且長(zhǎng)年老化失修，這些泵站的健康狀態(tài)不容樂(lè)觀，泵站能耗逐年升高，排灌效率逐年降低。近年來(lái)浙江省高度重視防汛搶險(xiǎn)救援工作，在防汛物資儲(chǔ)備、搶險(xiǎn)裝備采購(gòu)、人員基地建設(shè)等硬件條件建設(shè)方面已形成了較好的基礎(chǔ)，但針對(duì)防洪排澇泵站水泵機(jī)組尚缺乏全面科學(xué)和有效的監(jiān)測(cè)與維護(hù)，一些機(jī)組存在著較為嚴(yán)重的健康隱患，影響了防洪排澇的效率和效益。目前全省防洪排澇水泵機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，一方面機(jī)組帶病運(yùn)行引起流量、壓力的降低，造成電量的浪費(fèi)；另一方面，因水泵零部件損壞導(dǎo)致的突然停泵，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。目前，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為直接面向生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，通常只對(duì)水泵機(jī)組和主變壓器的溫度進(jìn)行簡(jiǎn)單的趨勢(shì)分析，并通過(guò)事件順序記錄(SOF)對(duì)各報(bào)警信息進(jìn)行“離散”“經(jīng)驗(yàn)性”地分析事故原因，在“設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)和事故分析診斷功能”方面較為欠缺，未能對(duì)水泵機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行智能化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，也未能對(duì)故障預(yù)測(cè)和事故分析診斷進(jìn)行自動(dòng)快速的定位，因此尋找事故原因相對(duì)困難，特別是對(duì)于復(fù)雜的多起聯(lián)動(dòng)、突發(fā)事故，甚至找不出真正的事故根源，由于事故處理的低效率，影響了生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

目前針對(duì)水泵機(jī)組的故障維修，采取的均是計(jì)劃維修或事后維修。與之不同的是，視情維修可通過(guò)對(duì)水泵當(dāng)前和將來(lái)狀態(tài)的正確可靠預(yù)測(cè)來(lái)安排維修活動(dòng)，具有自動(dòng)化、高效率、經(jīng)濟(jì)性好、尤其是可以避免重大事故等顯著優(yōu)勢(shì)，因此在水泵運(yùn)行管理領(lǐng)域具有極好的發(fā)展前景。實(shí)現(xiàn)視情維修的前提是水泵機(jī)組自身具有對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行自我管理的能力，由此產(chǎn)生了針對(duì)水泵機(jī)組的故障預(yù)測(cè)與健康管理(prognostic and health management，PHM) 概念，即利用盡可能少的傳感器來(lái)采集水泵的各種數(shù)據(jù)信息，借助各種智能化的推理算法來(lái)評(píng)估水泵機(jī)組自身的健康狀態(tài)，在故障發(fā)生前對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施，最終實(shí)現(xiàn)針對(duì)水泵機(jī)組的視情維修。

因此，為及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)異常情況做出診斷，有效預(yù)防和消除故障，保證防洪排澇水泵機(jī)組安全運(yùn)行，有必要研究PHM技術(shù)在水泵機(jī)組故障檢測(cè)與維護(hù)中的運(yùn)用，建立相關(guān)的診斷與管理系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與判定[2-3]?；舅悸肥牵菏叭∷脵C(jī)組的振動(dòng)、溫度、噪聲等信號(hào)，經(jīng)一系列預(yù)處理、采集、計(jì)算后，與其狀態(tài)報(bào)警閾值比較，判斷機(jī)組運(yùn)行工況，并用軟件分析判斷設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)的故障類(lèi)型。該系統(tǒng)的建立為水泵機(jī)組的故障預(yù)測(cè)及健康管理開(kāi)辟一條新的技術(shù)途徑，有助于促進(jìn)自動(dòng)化、高效率及避免重大事故的水泵機(jī)組視情維修制度的建立。

1 水泵機(jī)組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)基本架構(gòu)

水泵機(jī)組健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程應(yīng)用時(shí)，主要針對(duì)振動(dòng)、噪聲、轉(zhuǎn)速、流量以及軸承溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)處理后作進(jìn)一步的綜合分析。系統(tǒng)可分為傳感器層、設(shè)備層和監(jiān)測(cè)分析層，各數(shù)據(jù)可通過(guò)CAN總線并利用工業(yè)交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至推理系統(tǒng)，推理系統(tǒng)主要解決檢測(cè)信息的處理及故障的判定等關(guān)鍵性問(wèn)題。系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、A/D卡以及信號(hào)調(diào)理儀等。此外，需開(kāi)發(fā)一個(gè)界面友好的人機(jī)交互系統(tǒng)，并建立包括設(shè)備信息、測(cè)點(diǎn)信息、維修信息、歷史信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息等的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[4]。

根據(jù)以上要求，水泵機(jī)組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)建立的基本思路為：利用傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)并采集反映水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，如水泵流量、軸振動(dòng)量、噪聲以及設(shè)備溫度等，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理與特征提取后，經(jīng)相關(guān)計(jì)算，與狀態(tài)報(bào)警閾值等進(jìn)行智能化比較分析，以判斷水泵機(jī)組是否正常以及非正常的原因。故障預(yù)測(cè)與健康管理的基本過(guò)程包括信號(hào)檢測(cè)、報(bào)警處理、信號(hào)征兆提取、健康評(píng)估與故障診斷以及處理對(duì)策等。由于水泵機(jī)組故障產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，為提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障判斷的性能，可建立具有演繹推算能力的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)并融入先進(jìn)的故障推理技術(shù)。圖1為水泵機(jī)組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)[5],該系統(tǒng)主要包括6個(gè)部分。

圖1 水泵機(jī)組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)基本架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

利用傳感器、溫度儀等采集水泵運(yùn)行的相關(guān)信息參數(shù)，如振動(dòng)、溫度等，還需要對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾以及A/D轉(zhuǎn)換等的處理，以使得數(shù)據(jù)滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的要求。

(2)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

接受來(lái)自傳感器、數(shù)據(jù)處理以及其他狀態(tài)模塊的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的失效參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，即由提供的閾值來(lái)獲得故障判斷的能力。

(3)健康評(píng)估

接受狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊以及其它健康評(píng)估模塊的數(shù)據(jù)，用于評(píng)估水泵機(jī)組當(dāng)前的健康狀態(tài)，比如是否有關(guān)鍵性參數(shù)的退化，是否有反映接近故障產(chǎn)生的參數(shù)出現(xiàn)等，以及判定機(jī)組故障產(chǎn)生的可能性。健康評(píng)估所需要的參數(shù)可基于各歷史數(shù)據(jù)，包括可人工輸入的參數(shù)以及系統(tǒng)自動(dòng)輸入的歷史維修數(shù)據(jù)等。

(4)故障預(yù)測(cè)

利用前述各個(gè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)綜合分析評(píng)估，來(lái)判定水泵機(jī)組的健康狀況以及對(duì)是否可能產(chǎn)生故障做出預(yù)判，并提供檢測(cè)或者維護(hù)修理等方面的相關(guān)建議。

(5)推理決策

推理決策可有各種思路與方法，如基于案例匹配、基于融合、基于規(guī)則、基于知識(shí)等的推理技術(shù)。本系統(tǒng)擬建立基于規(guī)則與知識(shí)匹配的推理決策系統(tǒng)。

(6)人—機(jī)接口

人—機(jī)接口包括系統(tǒng)管理維護(hù)模塊、各種所需數(shù)據(jù)輸入模塊、水泵狀態(tài)參數(shù)的信息顯示以及維護(hù)建議信息提供等。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立的關(guān)鍵性技術(shù)

防洪排澇水泵機(jī)組健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)在于診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，具體包括知識(shí)庫(kù)的建立以及推理機(jī)的設(shè)計(jì)等?；谀：评淼膶＜蚁到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(見(jiàn)圖2)[6]。

圖2 基于模糊推理的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

模糊數(shù)據(jù)庫(kù)的功能包括數(shù)據(jù)存放、執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)檢索等，它包括了水泵機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)、決策時(shí)的中間數(shù)據(jù)以及最終計(jì)算數(shù)據(jù)等，也包括推理所需的閾值等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，數(shù)據(jù)庫(kù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)增加或刪除，并且隨著數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的不斷豐富，系統(tǒng)診斷的速度以及精確度等得以不斷提升。

專家知識(shí)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)與診斷的基礎(chǔ)，它包括水泵機(jī)組的大量事實(shí)以及專家處理各種實(shí)際問(wèn)題的知識(shí)、案例、方法等，這些知識(shí)經(jīng)過(guò)分析以及整理后存于知識(shí)庫(kù)中。該知識(shí)庫(kù)具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能，能不斷進(jìn)行完善和充實(shí)。

水泵機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是推理技術(shù)，推理的過(guò)程即模擬專家解決問(wèn)題的過(guò)程，它實(shí)際上是一套具有較為豐富經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)程序，其功能為利用機(jī)組傳感器等采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)用知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照診斷的規(guī)則進(jìn)行邏輯推理，從而獲得所需要的診斷結(jié)論及維修建議等[7]。

水泵機(jī)組故障診斷模糊推理的基本過(guò)程為：選取第一條模糊規(guī)則，輸入故障征兆，模糊化后形成模糊證據(jù)庫(kù)，從知識(shí)庫(kù)中取某條規(guī)則進(jìn)行模糊匹配，將證據(jù)關(guān)鍵詞與規(guī)則前提進(jìn)行匹配，如匹配成功，則確認(rèn)證據(jù)隸屬度，進(jìn)行模糊推理計(jì)算，并將結(jié)論加入到證據(jù)庫(kù)中；如匹配不成功，則選取下一條規(guī)則進(jìn)行匹配，直到模糊匹配成功。最后在證據(jù)庫(kù)中找出最終結(jié)論，輸出故障及其隸屬度。在本系統(tǒng)中，推理機(jī)根據(jù)從水泵機(jī)組獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如振動(dòng)、溫度等的相關(guān)征兆的參數(shù)，根據(jù)推理模型，來(lái)預(yù)測(cè)水泵機(jī)組可能存在的故障類(lèi)型、位置、故障強(qiáng)度以及趨勢(shì)等[8]。

3 模糊診斷推理實(shí)例

水泵機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行狀態(tài)從無(wú)故障到發(fā)生故障是一個(gè)漸變的過(guò)程。在這個(gè)漸變過(guò)程中，它不是完全的“完好”，也不是完全的“故障”，它往往是一種中間狀態(tài)，所表現(xiàn)出來(lái)的故障征兆也同樣如此。因此，實(shí)際運(yùn)行中的水泵機(jī)組，其健康狀況實(shí)際上是模糊的。以機(jī)組振動(dòng)故障為例，它可能是軸承的磨損或損壞造成，也可能是水泵軸與電機(jī)軸偏心造成，還可能是機(jī)械松動(dòng)以及機(jī)組安裝不牢固等造成，而軸承的磨損或損壞，除了引起異常振動(dòng)，還可能引起相關(guān)位置溫度的上升。因此，水泵機(jī)組健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要內(nèi)嵌一個(gè)模糊的專家系統(tǒng)，其推理機(jī)能處理模糊的規(guī)則與事實(shí)。

模糊診斷系統(tǒng)在采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，獲得故障征兆向量X，設(shè)某水泵機(jī)組的發(fā)熱、劇烈振動(dòng)、流量不足、噪聲大、不上水分別表示該水泵的5個(gè)典型故障征兆，軸承損壞、軸彎曲、零件松動(dòng)、管路漏水、電機(jī)故障分別表示該水泵的5個(gè)典型的故障原因，它們之間的模糊關(guān)系矩陣R由該水泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和維修經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及專家的意見(jiàn)來(lái)確定[9]。

若已知征兆向量

X=(0,0.1,0.8,0.1,0)

則故障原因向量

Y=XoR=(0.144 0.007 0.12 0.88 0.012)

以上是在模糊理論基礎(chǔ)上建立的專家系統(tǒng)，它依據(jù)水泵模糊的不確定信息進(jìn)行水泵故障的診斷。依據(jù)最大隸屬度原則，本例診斷出的故障原因?yàn)榈?個(gè)即管路漏水[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

防洪排澇水泵機(jī)組健康管理與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)的建立涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、故障預(yù)測(cè)與診斷技術(shù)等諸多學(xué)科，此外系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中還必須考慮數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)安全性等問(wèn)題。本系統(tǒng)的研究建立了一種新型的水泵機(jī)組故障預(yù)測(cè)與健康管理方法，具有一定的創(chuàng)新性，是對(duì)傳統(tǒng)的水泵機(jī)組故障維修方法的創(chuàng)新及改進(jìn)，可提高故障診斷的精確性、靈活性及工作效率，為預(yù)測(cè)維修、主動(dòng)維修提供了可能，也在一定程度范圍內(nèi)減少了設(shè)備的拆卸及避免了事故的發(fā)生，確保設(shè)備經(jīng)常性地處于健康良好的運(yùn)行狀態(tài)，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。