工程机械远程故障诊断及维护系统构架

    摘 要：本文介绍了工程机械行业的特点，详细阐述了设备故障诊断技术，进而结合设备故障诊断技术及计算机网络技术提出了基于集成媒体“看门狗”式的机电一体化产品的工程机械远程故障诊断及维护系统的构架。对工地上机械设备故障迅速诊断、尽快修复，保证施工正常进行具有十分重要的意义。（参考《www.jianzhu518.com》）

    关键词：工程机械远程故障诊断与维护

    近年来，随着国民经济的高速发展，一些高等级交通枢纽成了必要的建设项目，由此，对土木工程的施工工期，施工进度，施工质量等提出了更高的要求。对于那些工程量大，工期紧，工程质量要求十分严格的工程项目，必然要用现代化程度很高的施工机械设备来完成。从某种意义上讲，施工机械对工程施工起着决定性的作用。然而，由于施工机械多系露天作业，受风雨、日晒、大气、粉尘影响和侵蚀，工作环境十分恶劣，故障频繁；加之，施工生产的特性决定了它们工作在各工地上，分散性大，流动性强，给故障的及时排除带来了很大困难。尤其近年来随着施工规模日益庞大，现代的机械设备也日趋大型化、连续化、机电一体化，其性能与复杂程度不断提高，对设备故障的诊断也更为复杂。靠传统的填写值班日志、靠参数越限报警等人工或半自动化的方法来维护机械设备既落后，又不客观，虽然可以有类似黑匣子之类的自动数据记录器，但也只能做事后分析。而且这种陈旧的设备维护模式，无论是数据的可靠性或实时性，还是设备的维护质量均无法满足要求，导致施工机械在施工过程中停机多，检修时间长，严重影响到工程的进度和质量。所以，为了保持处于异地的施工设备良好的技术状态，将异地的信息技术协调起来进行实时诊断和维护是很必要的，建立远程故障诊断及维护系统是解决问题的很好的方法。

    远程故障诊断技术就是通过设备故障诊断技术与计算机网络技术相结合，在施工机械设备上建立状态监测点，采集设备状态数据；而在技术力量较强的科研单位建立诊断中心，对设备运行进行分析诊断的一项新技术。远程故障诊断与维护的实现可以使机械设备的故障诊断更加灵活方便，也能实现资源共享。

    1、工程机械故障诊断及维护技术的行业特点

    工程机械故障诊断及维护技术作为一个新兴而特殊的行业，随着现代维修理论、相关基础学科理论和各种检查技术、工艺手段的不断发展而发展和完善。它有三个主要特点：

    （1）目的明确

    诊断的目的就是要确定机械运行状况、检查故障部位、分析故障产生的原因和制定经济有效的维修方案。

    （2）交叉性强

    诊断及维修涉及摩擦学、材料学、力学、化学等多种学科；包括机械制造、金属结构、液压、电气和制动化等相关专业；需采用焊接、铸造、车、钳、锻、镀等多种工艺手段；要掌握维修理论，机构学及经营管理等多方面知识。

    （3）工作环境恶劣，实践性强

    一切诊断方法和维修技术都必须以机械的实际状况为基础，处理结果很快得到实践验证。

    2、故障诊断技术

    设备故障诊断技术包括故障检测与故障诊断，通常合在一体统称为故障检测和诊断（FDD）。

    2.1故障机理

    通常我们说设备工作正常是指它具备应有的功能，没有任何缺陷，或虽有缺陷但仍在容限范围内。异常是缺陷有了进一步发展，使设备状态发生变化，性能恶化，但仍能维持工作。故障则是缺陷发展到使设备性能和功能都有所丧失的程度。

    设备的异常或故障是在设备运行中通过其状态信号（即二次效应）变化反映出的。由于监测与故障是在设备不停机的情况下进行的，因此必然以状态信号为依据。二次效应就是设备在运行中出现的各种物理的、化学的现象，如振动、噪声、温升、油耗、变形、功耗、磨损、气味等，这些都是一种设备运行所固有的。监测与诊断就是要快速、准确地提取设备运行时二次效应所反映的特征。

    2.2故障诊断过程

    2.2.1状态监测

    主要是测取与设备运行有关的状态信号。状态信号是故障信息的唯一载体，也是诊断的唯一依据。因此在状态监测中及时、准确地获取状态信号是十分重要的。

    状态信号的获取主要是依靠传感器或其它监测手段进行故障信号的检测。检测中主要有以下几个过程：

    （1）信号测取：主要是通过电量的或传感器组成的探测头直接感知被测对象参数的变化；

    （2）中间变换：主要完成由探测头取得的信号的变换和传输；

    （3）数据采集：就是把中间变换的连续信号进行离散化过程。数据是诊断的基础，能否采集到足够长的客观反映设备运行状态的信息，是诊断成败的关键。

    2.2.2特征提取

    就是从状态信号中提取与设备故障有关的特征信息。

    2.2.3故障诊断

    故障诊断就是根据所提取的特征判别状态有无异常，并根据此信息和其它补充测试的辅助信息寻找故障源。

    2.2.4决策

    根据设备故障特征状态，预测故障发展趋势，并根据故障性质和趋势，做出决策，干预其工作过程（包括控制、调整、维修等）。故障诊断基本过程如图1所示：

    2.3诊断原理

    设备诊断是利用被诊断的对象（设备）提供的一切有用信息，经过分析处理以获得最能识别设备状态的特征参数，以便做出正确的诊断结论。机械设备运行时产生多种信息，当其功能逐渐劣化时，就出现相应的异常信息，如机器的状态变化而产生的异常振动、噪声、温度等机械信号；机械劣化过程产生的磨损微粒、油液及气体成分变化的化学信号等。利用检测仪器对最敏感的故障特征信号进行状态监测，做出正确的分析和诊断，可以及时预测机器设备可能发生的故障。图2为诊断技术的工作原理。

    传感器安装在诊断对象（设备）上，以传递温度、压力、振动、变形等信号，这些信号进一步转化为电信号，输入到信号处理装置，在信号处理装置中将输入的诊断信号与预先储存在系统内的标准信号进行比较，标准信号是根据事先积累的大量数据资料和实际经验分析归纳而制定出来的判定标准，是设备各种参数的允许值。通过比较做出判断，确定故障的部位和原因，预测可能发生的故障。

    3、工程机械故障诊断及维护系统

    由于工程机械故障的多样性、突发性、成因的复杂性和进行故障诊断所需要的知识对领域专家实践经验和诊断策略的依赖性；人工神经网络能通过自身的学习机能建立故障征兆和故障模式之间的复杂映射关系，可以进行多因素预测。因此，基于工程机械自身的工作特性和人工神经网络的优越性，提出了如图3所示基于集成媒体“看门狗”式的机电一体化产品的工程机械远程故障诊断及维护系统的构架。

    3.1系统简介

    系统通过一个基于神经计算算法的“看门狗”智能单元对机械运行状态进行在线分析和推理，对机器的工况及相关信息做出相应评价；还可以通过电话线与远程单元相连，以便在异地获取机器工况及其性能信息，并以此做出评价。据此给出具体的维修策略与预防措施，对故障进行及时的修复和预防，确保机械始终处于良好的运行状态。“看门狗”单元及其工作原理如图4所示：

    知识密集型智能工具“看门狗”可以随时对机器工况进行跟踪，获取和组织机器及其周围环境的数据。“看门狗”芯片作为机器的“黑匣子”，可以储存主要部件的状态“轨迹”。一旦发生失效，操作者可以读取“黑匣子”，获得最近几分钟的工况信息，迅速确定故障，并给予及时修复。当机械设备出现新的故障时，通过自学不断调整权值、阀值，以提高故障的正确检查率，减低漏报率和误报率。这些基于知识的信息同样可以为其他站点的用户所共享。

    3.2系统优点

    远程故障诊断及维护系统的一个突出优点在于进行协作诊断和维护，及时排除故障。

    （1）故障工况数据收集。通过远程诊断系统，可以积累更多的机器/过程的故障工况，由此，从各远程站点获取的故障工况中可以开发更好的诊断算法。

    （2）故障诊断。不同地点的专家可以访问服务器中存放的有效信息，因此，分散在各站点的知识可以集成起来完成更复杂的协作诊断。

    （3）远程服务系统提供了多种类型的信息。例如在线的过程/机器传感数据，故障/性能下降的历史数据等。进行性能评价时，必须对这些信息加以整体考虑。

    3.3进一步研究方向

    在线传感是远程服务系统的基础，由于机器及其所处环境的复杂性，可能要用到各种类型传感器。一个机器故障（例如轴失衡）的出现会引发不同的征兆（例如振动、温度变化、电机负荷变化等），这些可由不同的传感器（例如加速度计、热电藕、电机电流等）测量获取。因此需要有多种数据采集协议的支撑。同样，一个传感器也可以感知同时发生的不同故障，并且当运行条件发生变化时，其灵敏度也会不同。因此，传感信息融合的自适应能力是非常重要的，这样将有利于提高诊断策略的可靠性。此外，还需要研究面向目标的传感器优化布置策略，通过实现知识与经验的共享和学习，实现远程诊断中的上述技术。随着远程服务活动的扩展，将会有更多的机器/过程连接到远程诊断系统上，因此应该致力于开发用于传感系统