工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)構(gòu)架

作者   趙仙花

摘　要：本文介紹了工程機械行業(yè)的特點，詳細闡述了設(shè)備故障診斷技術(shù)，進而結(jié)合設(shè)備故障診斷技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了基于集成媒體“看門狗”式的機電一體化產(chǎn)品的工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)的構(gòu)架。對工地上機械設(shè)備故障迅速診斷、盡快修復(fù)，保證施工正常進行具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：工程機械　遠程故障診斷與維護

　　近年來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，一些高等級交通樞紐成了必要的建設(shè)項目，由此，對土木工程的施工工期，施工進度，施工質(zhì)量等提出了更高的要求。對于那些工程量大，工期緊，工程質(zhì)量要求十分嚴(yán)格的工程項目，必然要用現(xiàn)代化程度很高的施工機械設(shè)備來完成。從某種意義上講，施工機械對工程施工起著決定性的作用。然而，由于施工機械多系露天作業(yè)，受風(fēng)雨、日曬、大氣、粉塵影響和侵蝕，工作環(huán)境十分惡劣，故障頻繁；加之，施工生產(chǎn)的特性決定了它們工作在各工地上，分散性大，流動性強，給故障的及時排除帶來了很大困難。尤其近年來隨著施工規(guī)模日益龐大，現(xiàn)代的機械設(shè)備也日趨大型化、連續(xù)化、機電一體化，其性能與復(fù)雜程度不斷提高，對設(shè)備故障的診斷也更為復(fù)雜?？總鹘y(tǒng)的填寫值班日志、靠參數(shù)越限報警等人工或半自動化的方法來維護機械設(shè)備既落后，又不客觀，雖然可以有類似黑匣子之類的自動數(shù)據(jù)記錄器，但也只能做事后分析。而且這種陳舊的設(shè)備維護模式，無論是數(shù)據(jù)的可靠性或?qū)崟r性，還是設(shè)備的維護質(zhì)量均無法滿足要求，導(dǎo)致施工機械在施工過程中停機多，檢修時間長，嚴(yán)重影響到工程的進度和質(zhì)量。所以，為了保持處于異地的施工設(shè)備良好的技術(shù)狀態(tài)，將異地的信息技術(shù)協(xié)調(diào)起來進行實時診斷和維護是很必要的，建立遠程故障診斷及維護系統(tǒng)是解決問題的很好的方法。

　　遠程故障診斷技術(shù)就是通過設(shè)備故障診斷技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在施工機械設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測點，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)；而在技術(shù)力量較強的科研單位建立診斷中心，對設(shè)備運行進行分析診斷的一項新技術(shù)。遠程故障診斷與維護的實現(xiàn)可以使機械設(shè)備的故障診斷更加靈活方便，也能實現(xiàn)資源共享。

　1　工程機械故障診斷及維護技術(shù)的行業(yè)特點 　　工程機械故障診斷及維護技術(shù)作為一個新興而特殊的行業(yè)，隨著現(xiàn)代維修理論、相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科理論和各種檢查技術(shù)、工藝手段的不斷發(fā)展而發(fā)展和完善。它有三個主要特點： ?。?）目的明確 　　診斷的目的就是要確定機械運行狀況、檢查故障部位、分析故障產(chǎn)生的原因和制定經(jīng)濟有效的維修方案。 ?。?）交叉性強 　　診斷及維修涉及摩擦學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等多種學(xué)科；包括機械制造、金屬結(jié)構(gòu)、液壓、電氣和制動化等相關(guān)專業(yè)；需采用焊接、鑄造、車、鉗、鍛、鍍等多種工藝手段；要掌握維修理論，機構(gòu)學(xué)及經(jīng)營管理等多方面知識。 　?。?）工作環(huán)境惡劣，實踐性強?！∫磺性\斷方法和維修技術(shù)都必須以機械的實際狀況為基礎(chǔ)，處理結(jié)果很快得到實踐驗證。 　

　2　故障診斷技術(shù) 　　設(shè)備故障診斷技術(shù)包括故障檢測與故障診斷，通常合在一體統(tǒng)稱為故障檢測和診斷。 　　2.1　故障機理 　　通常我們說設(shè)備工作正常是指它具備應(yīng)有的功能，沒有任何缺陷，或雖有缺陷但仍在容限范圍內(nèi)。異常是缺陷有了進一步發(fā)展，使設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化，性能惡化，但仍能維持工作。故障則是缺陷發(fā)展到使設(shè)備性能和功能都有所喪失的程度。 　　設(shè)備的異?；蚬收鲜窃谠O(shè)備運行中通過其狀態(tài)信號（即二次效應(yīng)）變化反映出的。由于監(jiān)測與故障是在設(shè)備不停機的情況下進行的，因此必然以狀態(tài)信號為依據(jù)。二次效應(yīng)就是設(shè)備在運行中出現(xiàn)的各種物理的、化學(xué)的現(xiàn)象，如振動、噪聲、溫升、油耗、變形、功耗、磨損、氣味等，這些都是一種設(shè)備運行所固有的。監(jiān)測與診斷就是要快速、準(zhǔn)確地提取設(shè)備運行時二次效應(yīng)所反映的特征。 　　2.2　故障診斷過程 　　2.2.1　狀態(tài)監(jiān)測 　主要是測取與設(shè)備運行有關(guān)的狀態(tài)信號。狀態(tài)信號是故障信息的唯一載體，也是診斷的唯一依據(jù)。因此在狀態(tài)監(jiān)測中及時、準(zhǔn)確地獲取狀態(tài)信號是十分重要的。 　　狀態(tài)信號的獲取主要是依靠傳感器或其它監(jiān)測手段進行故障信號的檢測。檢測中主要有以下幾個過程： 　?。?）信號測?。褐饕峭ㄟ^電量的或傳感器組成的探測頭直接感知被測對象參數(shù)的變化； ?。?）中間變換：主要完成由探測頭取得的信號的變換和傳輸； 　?。?）數(shù)據(jù)采集：就是把中間變換的連續(xù)信號進行離散化過程。數(shù)據(jù)是診斷的基礎(chǔ)，能否采集到足夠長的客觀反映設(shè)備運行狀態(tài)的信息，是診斷成敗的關(guān)鍵。 　　2.2.2　特征提取 　　就是從狀態(tài)信號中提取與設(shè)備故障有關(guān)的特征信息。 　　2.2.３　故障診斷 　故障診斷就是根據(jù)所提取的特征判別狀態(tài)有無異常，并根據(jù)此信息和其它補充測試的輔助信息尋找故障源。 　　2.2.４　決策 　　根據(jù)設(shè)備故障特征狀態(tài)，預(yù)測故障發(fā)展趨勢，并根據(jù)故障性質(zhì)和趨勢，做出決策，干預(yù)其工作過程（包括控制、調(diào)整、維修等）。故障診斷基本過程如圖1所示： 　2.3　診斷原理 　　設(shè)備診斷是利用被診斷的對象（設(shè)備）提供的一切有用信息，經(jīng)過分析處理以獲得最能識別設(shè)備狀態(tài)的特征參數(shù)，以便做出正確的診斷結(jié)論。機械設(shè)備運行時產(chǎn)生多種信息，當(dāng)其功能逐漸劣化時，就出現(xiàn)相應(yīng)的異常信息，如機器的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的異常振動、噪聲、溫度等機械信號；機械劣化過程產(chǎn)生的磨損微粒、油液及氣體成分變化的化學(xué)信號等。利用檢測儀器對最敏感的故障特征信號進行狀態(tài)監(jiān)測，做出正確的分析和診斷，可以及時預(yù)測機器設(shè)備可能發(fā)生的故障。圖2為診斷技術(shù)的工作原理。 　　傳感器安裝在診斷對象（設(shè)備）上，以傳遞溫度、壓力、振動、變形等信號，這些信號進一步轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到信號處理裝置，在信號處理裝置中將輸入的診斷信號與預(yù)先儲存在系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號進行比較，標(biāo)準(zhǔn)信號是根據(jù)事先積累的大量數(shù)據(jù)資料和實際經(jīng)驗分析歸納而制定出來的判定標(biāo)準(zhǔn)，是設(shè)備各種參數(shù)的允許值。通過比較做出判斷，確定故障的部位和原因，預(yù)測可能發(fā)生的故障。 　

3　工程機械故障診斷及維護系統(tǒng) 　由于工程機械故障的多樣性、突發(fā)性、成因的復(fù)雜性和進行故障診斷所需要的知識對領(lǐng)域?qū)＜覍嵺`經(jīng)驗和診斷策略的依賴性；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能通過自身的學(xué)習(xí)機能建立故障征兆和故障模式之間的復(fù)雜映射關(guān)系，可以進行多因素預(yù)測。因此，基于工程機械自身的工作特性和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，提出了如圖3所示基于集成媒體“看門狗”式的機電一體化產(chǎn)品的工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)的構(gòu)架。 　　3.1　系統(tǒng)簡介 　　系統(tǒng)通過一個基于神經(jīng)計算算法的“看門狗”智能單元對機械運行狀態(tài)進行在線分析和推理，對機器的工況及相關(guān)信息做出相應(yīng)評價；還可以通過電話線與遠程單元相連，以便在異地獲取機器工況及其性能信息，并以此做出評價。據(jù)此給出具體的維修策略與預(yù)防措施，對故障進行及時的修復(fù)和預(yù)防，確保機械始終處于良好的運行狀態(tài)?！翱撮T狗”單元及其工作原理如圖4所示：  　　知識密集型智能工具“看門狗”可以隨時對機器工況進行跟蹤，獲取和組織機器及其周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。“看門狗”芯片作為機器的“黑匣子”，可以儲存主要部件的狀態(tài)“軌跡”。一旦發(fā)生失效，操作者可以讀取“黑匣子”，獲得最近幾分鐘的工況信息，迅速確定故障，并給予及時修復(fù)。當(dāng)機械設(shè)備出現(xiàn)新的故障時，通過自學(xué)不斷調(diào)整權(quán)值、閥值，以提高故障的正確檢查率，減低漏報率和誤報率。這些基于知識的信息同樣可以為其他站點的用戶所共享。 　3.2　系統(tǒng)優(yōu)點 　　遠程故障診斷及維護系統(tǒng)的一個突出優(yōu)點在于進行協(xié)作診斷和維護，及時排除故障。 　　(1)故障工況數(shù)據(jù)收集。通過遠程診斷系統(tǒng)，可以積累更多的機器/過程的故障工況，由此，從各遠程站點獲取的故障工況中可以開發(fā)更好的診斷算法。 　　(2)故障診斷。不同地點的專家可以訪問服務(wù)器中存放的有效信息，因此，分散在各站點的知識可以集成起來完成更復(fù)雜的協(xié)作診斷。 　　(3)遠程服務(wù)系統(tǒng)提供了多種類型的信息。例如在線的過程/機器傳感數(shù)據(jù)，故障/性能下降的歷史數(shù)據(jù)等。進行性能評價時，必須對這些信息加以整體考慮。 　3.3　進一步研究方向 　　在線傳感是遠程服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于機器及其所處環(huán)境的復(fù)雜性，可能要用到各種類型傳感器。一個機器故障（例如軸失衡）的出現(xiàn)會引發(fā)不同的征兆（例如振動、溫度變化、電機負荷變化等），這些可由不同的傳感器（例如加速度計、熱電藕、電機電流等）測量獲取。因此需要有多種數(shù)據(jù)采集協(xié)議的支撐。同樣，一個傳感器也可以感知同時發(fā)生的不同故障，并且當(dāng)運行條件發(fā)生變化時，其靈敏度也會不同。因此，傳感信息融合的自適應(yīng)能力是非常重要的，這樣將有利于提高診斷策略的可靠性。此外，還需要研究面向目標(biāo)的傳感器優(yōu)化布置策略，通過實現(xiàn)知識與經(jīng)驗的共享和學(xué)習(xí)，實現(xiàn)遠程診斷中的上述技術(shù)。隨著遠程服務(wù)活動的擴展，將會有更多的機器/過程連接到遠程診斷系統(tǒng)上，因此應(yīng)該致力于開發(fā)用于傳感系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的綜合工具。 　對于遠程診斷系統(tǒng)，在目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)條件下，大量數(shù)據(jù)遠程傳輸過程是一個瓶頸，必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和取舍，如何選取一種切實有效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是傳輸中的一個關(guān)鍵問題。

　　4　結(jié)　語 　故障診斷技術(shù)使設(shè)備維修從傳統(tǒng)的按時維修及故障維修轉(zhuǎn)換到預(yù)報及主動維修方式；而建立在對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的基礎(chǔ)上的工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)，能較準(zhǔn)確地診斷出故障發(fā)生的時間和部位，從而及時確定維修時間及內(nèi)容。 　　遠程故障診斷技術(shù)目前還處于發(fā)展初期，還有很多問題尚待解決，這包括故障診斷技術(shù)本身要解決的問題及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的問題。但是，無論是從經(jīng)濟觀點出發(fā)，還是從整個施工來考慮，借助Internet，準(zhǔn)確、及時、有效地實現(xiàn)工程機械遠程故障診斷的方法都值得關(guān)注和研究。 　　　　　　　　　　　

參考文獻
　　1.田金信. 建筑企業(yè)管理學(xué). 北京：中國建筑工業(yè)出版社.1999  　　2.覃征,汪應(yīng)洛,張磊,衛(wèi)民堂,閻禮祥. 網(wǎng)絡(luò)企業(yè)管理.西安：西安交通大學(xué)出版社.2001  　3.郭小宏,朱戰(zhàn)良,鞠萍,陳楚宣. 高等級公路機械化施工技術(shù). 北京：人民交通出版社.2000  　4.須章遂,房立清,王希武,左憲章.故障信息診斷原理及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社.2000');

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