基于网络环境的设备动态故障诊断与预测维修

谭显坤

(重庆交通大学国际学院，重庆 400074)

基于网络环境的设备动态故障诊断与预测维修

谭显坤

(重庆交通大学国际学院，重庆 400074)

为了克服故障发生后导致设备必须强制维修的弊端，探讨了基于网络环境的设备故障诊断与预测维修。基于对事后维修、预防维修与预测维修等3种制度的比较，指出了单机故障诊断系统的局限性，研究了故障诊断方法，探讨了基于网络环境的设备故障诊断技术。以电力设备预测维修为例，验证了预测维修制度的优势。研究结果表明:基于网络环境的设备故障诊断方法是可行与合理的，有利于预防设备事故的发生，可提高系统运行的可靠性、安全性和有效性。

设备故障;远程监测;故障诊断;预测维修

1986年，前苏联切尔诺贝利核电站4号机组核泄漏事故导致直接经济损失30亿美元，死亡2000多人;2011年，日本福岛第一核电站1号反应堆核泄漏事故对全球造成的直接与间接危害更是有目共睹。每年大量的类似报道让人触目惊心，因此如何将设备事故防患于未然就显得十分重要。尽管某些设备事故是因为不可抗力因素导致的，但是绝大多数设备事故是可以事前发现的。一旦某个设备有异常现象出现，基于先进的技术手段，可及时采取技术措施对设备进行维修以预防事故的发生。当然，上述预期目标的实现有赖于对设备故障诊断技术的应用与设备维修制度的合理选择，这方面已经取得许多研究成果［1－5］。

1 维修制度与设备故障诊断系统

1.1 维修制度

为了确保系统的安全可靠运行，必须保证设备的健康状况良好。一旦设备出现不良征兆，必须对设备进行维修，恢复其正常的规定功能。随着检测技术的进步，设备维修制度先后经历了事后维修制度(breakdown maintenance，BM)、预防维修制度(preventive maintenance，PM)和预测维修制度(predictive maintenance，PRM)3个阶段。BM是一种早期的维修制度，在运行过程中只要设备能够运行，就不会关心设备的健康状况，其显著特征表现为“不坏不修，坏了再修”，显然是一种很落后的维修制度。尽管该方法落后，但对系统中某些非关键部位的小型设备仍然采用这种维修方法。PM是一种静态维修制度，如对系统中某些设备规定一个使用期限，设备运行一个季度或半年后就进行中修与大修，即运行到规定的使用时间设备必须停产维修。预防维修制度的特点是当设备运行到达计划规定期限或人为指定的态势时必须对设备进行强制维修。PM制度与BM制度相比较，无疑前者比后者前进了一大步，对充分保障设备的完好率与工作人员人身安全起到了积极的作用。PRM制度的特点在于:它基于对设备运行状态的在线监测，按照设备运行状态实际劣化程度决定是否对设备进行维修，如果有必有对设备进行维修，那么再进一步确定设备的维修时间和维修规模。显然PRM是一种比较理想的动态维修制度，但是该维修方式必须有强大的技术支撑，是基于设备故障诊断技术与设备在线运行状态监控的。PRM维修制度不仅可减少可能发生的事故损失和延长检修周期以降低系统停机带来的负面影响，同时它创造的经济效益也是相当可观的。如英国对2 000个工厂的调查发现:实施PRM维修制度每年可节约3亿英镑，扣除诊断费用0.5亿英镑后可获净利2.5亿英镑，因此PRM维修制度是一种值得推广的设备维修制度。

1.2 设备故障诊断系统

鉴于系统设备故障的分散性、复杂性、隐蔽性、随机性与模糊性等特征，用单一信息反映设备的状态行为往往是不完备的。为了避免对同一设备为单一故障信号诊断可能导致的误警及虚警现象，有必要从多个侧面获取多维的故障冗余信息，通过多方面的综合分析与对比研究，提取出有效的诊断信息，才有可能对设备的状态行为做出更可靠、更精确的监测和诊断。

至今，设备故障诊断技术已经历了3个阶段:

1)人工离线监测与诊断系统。主要特征是以监测仪器作为辅助工具，对设备进行人工巡检，凭借监测人员的经验对设备的状态行为及其发展趋势做出简单判断。因此诊断结果的准确性有赖于监测人员的责任心和经验、技能与智慧，常常受人为主观因素的影响。对于复杂的高、精、尖设备，这种方式是不可取的。

2)基于集中式的单机在线监测与诊断系统。该系统以配有工况监测、信号分析处理、故障诊断模块的计算机为中心，设备的所有传感监测信息都传送到该中心，由计算机对设备故障进行分析诊断。其主要特征在于集主要功能于一体，有利于重要主体设备的集中监控与诊断，相对地投资较少并且维护方便，但单机监测的设备数目有限，系统诊断功能受到较多限制。

3)基于网络环境的设备故障诊断系统。该系统以设备的状态维修为目标，可形成一个完整的诊断网络，从多角度对系统进行诊断，更有利于解析冗余故障动态诊断方法的综合利用，在更大范围内共享系统故障诊断资源。分布式的下位机用于设备状态行为的数据采集与实时在线监测和信号预处理，信号分析和数据管理由上位机负责，借助网络可对每台机组的采样数据进行精密分析和逻辑判断，从而给出对设备健康状况的诊断建议。

2 故障动态诊断方法

动态系统故障检测与诊断涉及众多应用学科，只有充分利用已有的各种知识与被诊断系统的各种状态信息，才能对系统运行状态和故障状况作出正确的综合评价。诊断方法包括了基于解析模型、信号处理与基于知识的方法，还采用了涵盖主元分析、支持向量机、小波变换与分形等在内的多种新理论和方法。

基于解析模型的故障诊断方法就是对可测信息与系统先验信息的比较残差进行分析和处理以实现对设备故障的诊断技术。针对残差产生形式的不同又可以细分为参数估计法、等价空间法与状态估计方法。基于信号处理的故障诊断方法包括绝对值校验和趋势校验、基于信号模态与基于自适应滑动窗格形滤波器的方法、δ算子方法以及利用Kullback信息准则检测故障诊断方法，此外它还包括了新近出现的主元分析法、小波变换法、分形法等基于信号处理的故障诊断方法。基于知识的故障诊断方法包括了基于症状与基于定性模型的方法，其主要显著特征在于该方法无需建立数学模型，可以充分利用有关诊断对象的全面信息和领域专家的诊断知识，适用于复杂大型系统与非线性系统的故障诊断。在基于症状的诊断方法中有专家系统、模糊推理、基于神经网络、范例推理、灰色理论与支持向量机等故障诊断的方法，各种方法都有其应用的局限性，但是相互之间可以互补，具体方法的选取与被诊断对象特性和实现诊断所具备的技术条件有关。关于基于定性模型的设备故障诊断可以归纳成3种方法:即基于带符号有向图、故障树和定性仿真的设备故障诊断方法。

随着人工智能和信号处理等学科的发展，故障诊断技术正在向更高层次的智能故障诊断与集成故障诊断方向发展，例如引入遗传算法等新方法，研究故障诊断中的知识表示和知识自动获取、实用化和通用化故障诊断软件与远程分布式故障诊断等。鉴于实际工程中设备故障诊断问题的复杂性，任何单一的诊断方法都有其应用的特定范围与局限性，不可能解决所有的设备故障诊断问题。因此，正确的方法是将多种方法相互融合，充分发挥各种诊断方法的优势，在不断吸取其他领域学科新成果的基础上，将最新研究成果尽可能地应用于设备故障诊断技术，这正是当前故障诊断技术发展的整体趋势［6－10］。

3 基于网络环境的故障诊断系统构建

设备故障监测诊断系统直接服务于设备的维修、管理与生产调度，它是以设备的状态维修为主要目标，因此有别于一般监控系统，已经获得了广泛的应用［11－14］。

3.1 基于LAN的设备故障诊断系统

基于LAN的网络化监测和故障诊断系统如图1所示。该诊断方式的地理范围相对较小，可对企业内部设备的运行状态行为进行监测，对其设备故障实施诊断。通讯采用TCP/IP协议实现，因此兼容性好，程序实现方便，通讯安全简单。

图1 基于LAN的设备故障诊断

3.2 设备远程监测诊断系统

图2为该系统的网络体系结构。其中，远程监测诊断中心为某个企事单位或者某一领域的故障诊断专家组成的虚拟诊断中心，其职责是对异地传输来的监测数据信息进行分析处理，综合各诊断领域的专家意见，并对诊断结果给出具有可操作性的措施对策;然后借助诊断网络将诊断结果反馈至被诊断设备的生产现场，以指导实际诊断问题的解决。机电设备的实时监测与监测数据信息的采集、存储和处理由现场监测系统完成，信息传输采用远距离网络实现。

图2 远程诊断系统

系统运行模式有实时诊断和电子信函诊断2种方式。实时诊断专家可以借助电话会议、视频方式与现场监测人员和相关领域专家一起实时监测，共同完成对设备故障的诊断。电子信函会诊基于监测系统传输信息作分析判断，其诊断结果以电子信函返回监测现场。该系统除了硬件设施外，其软件系统结构如图3所示，远程诊断中心应用软件包括硬件驱动程序、数据接收、数据分析、诊断推理、诊断信息反馈、故障数据库等。

图3 远程诊断软件结构

3.3 基于Internet的设备故障诊断

在关键设备的恰当位置上设置数据采样点以采集设备的动态运行状态信息，借助Internet技术就可实施异地的远程故障诊断。基于Internet技术的优势在于:可以充分共享数据与获得异地专家的技术支持，Web相关技术的应用可为远程信号分析与故障诊断提供强大的技术后援。这里有C/S和B/S 2种结构模式，基于B/S提供了跨平台的浏览环境，相比于C/S模式，可实现应用环境和开发环境的分离。因此，有利于应用程序的开发，便于系统管理与维护，可扩展性好、远程诊断效率高。

1)C/S结构模式

C/S 2层结构模式的结构体系如图4所示。其应用程序逻辑通常分布在客户和服务器两端，数据资源请求由客户端发出，服务器端负责将设备故障诊断结果返回客户端。逻辑上可分为表示、业务、事务和数据逻辑等4个部分，表示与业务逻辑位于客户端，事务与数据逻辑位于服务器端。

图4 C/S 2层结构模型

对于小型的部门级应用该结构是可行的，一旦客户端数目增加时，在客户端的业务逻辑层会导致整个故障诊断系统的安全性、可扩充性与可维护性变得非常差，如果此时将其置于服务器端又将增加服务器的实现难度和负载。其解决办法是将业务逻辑层放置于位于客户端和服务器端之间的另外一层，因此C/S结构分成了3层。

图5表示了3层C/S体系结构的模型。系统的部分应用逻辑功能、用户界面输入与服务请求由客户端软件实现，客户请求由服务器提供服务，并将故障诊断结果返回给客户。该体系中，由服务器实现与数据存取有关的模块功能，其优势在于可减少网络通信流量，在网络上传输的主要是诊断结果信息，信息处理过程由服务器完成，无需网络进行数据交换。由于数据库放在单独的服务器上，可清晰方便地将软件设计任务作分工处理，因此降低了对客户机的要求，保证了数据的安全性，避免了第三方数据访问对数据库的非法操作。

图5 C/S 3层体系结构图

尽管C/S 3层体系结构有较好的专业性和安全性，但是劣势也是显而易见的。它必须为客户安装特定的应用程序，因此缺乏应用的灵活性。在该模式下，客户机服务器模型中的客户应用软件不具有通用性，其应用软件只能用于特定的环境，导致客户应用程序中的任何修改都将引起客户机应用程序的改变。这将带来繁重的系统维护负担，在现代远程故障诊断中，已很难满足实际应用的需要。

2)B/S结构模式

以Web为中心的现代企业网络，以HTTP为传输协议，采用TCP/IP技术，客户端是浏览器访问Web以及与Web相连的后台数据库，这种结构形式被称为B/S模式。组成3层B/S模式的系统结构图如图6所示，其诊断的信息流程是:用户浏览器向Web服务器提交请求，Web服务器处理请求，查询数据库，并将查询到的结果组织成HTML页面发送到客户，其诊断结果在用户的浏览器上显示。与C/S模型比较可知:它以浏览器作为统一的客户端，简化了客户端软件。在该体系结构中，由服务器端负责所有软件的开发、维护和升级工作，它使系统更加易于维护和管理，实现系统的升级只需修改服务器端软件即可。在B/S 3层结构下，浏览器放置在表示层，数据服务层由数据库提供服务，整个软件体系的重点在业务逻辑层。

图6 B/S模式3层结构模型

具有B/S结构模式的优势主要体现在:利用了HTML规范，可将表示逻辑设计成HTML页，有数量更多、应用范围更广的潜在用户;无须开发客户端软件，易扩充与升级，更易于实现应用系统的管理。在该模型下，任何地域的计算机都具有良好的跨平台特性，无任何地点限制。客户机只需安装浏览器软件，不需安装其它任何客户端应用程序，非常适合设备远程诊断系统的开发与应用。因为复杂应用程序全部移到了服务器，客户端变“瘦”了。就浏览器而言，只需知道它们的URL即可，无需清楚程序和数据的具体位置，更便于现场设备故障诊断人员的使用。

4 结束语

现代生产系统结构愈来愈复杂，其设备维护难度也愈来愈大。随着自动化与数字化程度的提高，愈来愈有利于网络环境下基于设备状态监测的故障自动诊断系统的构建。基于设备预测维修制度可将设备事故防患于未然以提高设备的安全运行周期。以变压器维修为例，它是电力变电站的核心设备，为了提高其运行的可靠性，一般采用预防维修制度，设备运行按照规定的期限使用，到规定的使用时间后，必须停产维护或维修，以预防电力系统事故的发生。为了验证状态维修的优越性，某变电站搭建了一个基于LAN的设备故障诊断系统，对变压器设备的运行参数进行实时状态监测，经过2个维修周期的观察，系统参数都在规定参数范围内，没有发现任何异常，因此也没有停产维护。这足以说明基于设备预测维修制度能克服维修制度的缺陷，突显设备预测维修制度的优势。

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(责任编辑 何杰玲)

Equipment Dynamic Fault Diagnosis and Predictive Maintenance Based on Computer Network Environment

TAN Xian－kun
(International School，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In order to overcome the malpractice leaded to compulsory maintenance of equipment for preventing the occurrence of fault，the paper explored the equipment fault diagnosis and the predictive maintenance based on computer network environment.In the paper，it conducted the comparison research based on three sorts of breakdown maintenance(BM)，preventive maintenance(PM)and predictive maintenance(PRM)system，pointed out the boundedness of the single fault diagnosis system，researched on the fault diagnosis method，and explored the equipment fault diagnosis technology based on computer network environment.It took the predictive maintenance of power equipment as an example，and demonstrated the superiority of predictive maintenance(PRM)system.The research result shows that it is feasible and reasonable to the equipment fault diagnosis method based on computer network environment，conducive to the prevention of accidents，and can greatly improve the reliability，safety and effectiveness of system operating.

equipment fault;remote monitoring;fault diagnosis;predictive maintenance

TP273

A

1674－8425(2014)03－0098－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.018

2014－02－10

教育部科技项目(2012－LJZY06－01)

谭显坤(1969—)，男，重庆人，讲师，主要从事机电液系统智能自动化方面的教学与科研工作。

谭显坤.基于网络环境的设备动态故障诊断与预测维修［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(3):98－102.

format:TAN Xian－kun.Equipment Dynamic Fault Diagnosis and Predictive Maintenance Based on Computer Network Environment［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):98－102.