在线监测与故障诊断

河海大学物联网工程学院在线监测与故障诊断学习报告授课班号专业学号学生姓名指导教师目录一：在线监测1.1 相关概念 (3)1.2 在线监测系统的构成 (4)1.3 在线监测系统的分类 (5)二：故障诊断2.1 相关概念 (5)2.2 故障诊断系统的分类 (6)2.3 故障诊断技术的发展历程 (7)2.4 常用的故障诊断算法 (7)三：相关应用及其未来展望 (10)一：在线监测1.1 相关概念1.1.1 状态监测对运转中的设备整体或其零部件的技术状态进行检查鉴定，以判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，或对异常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等，这种活动就称为状态监测（Condition Monitoring）。

状态检测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，以便事前采取针对性措施控制和防止故障地发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备有效利用率。

对于在使用状态下的设备进行不停机或在线监测，能够确切掌握设备的实际特性有助于判定需要修复或更换的零部件和元器件，充分利用设备和零件的潜力，避免过剩维修，节约维修费用，减少停机损失。

特别是对自动线、程式、流水式生产线或复杂的关键设备来说，意义更为突出。

1.1.2 设备状态监测的分类设备状态监测按其监测的对象和状态量划分，可分为两方面的监测：①机器设备的状态监测。

指监测设备的运行状态，如监测设备的振动、温度、油压、油质劣化、泄漏等情况。

②生产过程的状态监测。

指监测由几个因素构成的生产过程的状态，如监测产品质量、流量、成分、温度或工艺参数量等。

上述两方面的状态监测是相互关联的。

例如生产过程发生异常，将会发现设备的异常或导致设备的故障；反之，往往由于设备运行状态发生异常，出现生产过程的异常。

设备状态监测按监测手段划分，可分为两类型的监测：①主观型状态监测。

即由设备维修或检测人员凭感官感觉和技术经验对设备的技术状态进行检查和判断。

这是目前在设备状态监测中使用较为普及的一种监测方法。

由于这种方法依靠的是人的主观感觉和经验、技能，要准确的做出判断难度较大，因此必须重视对检测维修人员进行技术培训，编制各种检查指导书，绘制不同状态比较图，以提高主观检测的可靠程度。

②客观型状态监测。

即由设备维修或检测人员利用各种监测器械和仪表，直接对设备的关键部位进行定期、间断或连续监测，以获得设备技术状态（如磨损、温度、振动、噪音、压力等）变化的图像、参数等确切信息。

这是一种能精确测定劣化数据和故障信息的方法。

1.1.3 状态监测的其他说明当系统地实施状态监测时，应尽可能采用客观监测法。

在一般情况下，使用一些简易方法是可以达到客观监测的效果的。

但是，为能在不停机和不拆卸设备的情况下取得精确的检测参数和信息，就需要购买一些专门的检测仪器和装置，其中有些仪器装置的价值比较昂贵。

因此，在选择监测方法时，必须从技术与经济两个方面进行综合考虑，既要能不停机地迅速取得正确可靠的信息，又必须经济合理。

这就要将购买仪器装置所需费用同故障停机造成的总损失加以比较，来确定应当选择何种监测方法。

一般地说，对以下四种设备应考虑采用客观监测方法：发生故障时对整个系统影响大的设备，特别是自动化流水生产线和联动设备；必须确保安全性能的设备，如动能设备；价格昂贵的精密、大型，重型、稀有设备；故障停机修理费用及停机损失大的设备1.2 在线监测系统的构成在线监测系统组成框图信号变送一般由相应的传感器来完成，从电气设备上检测出那些反映设备状态的物理量，并将其转换为合适的电信号，传送到后续单元。

它对监测信号起着观测和读数的作用。

信号处理对传感器变送来的信号进行预处理，对干扰信号进行抑制。

数据采集对经过处理的信号进行采集、A/D转换和记录。

信号传输将采集到的信号传送到后续单元，对固定型的监测系统，须配置专门的信号传送单元；对便携式的监测装置只需要对信号进行适当的变换和隔离。

数据处理对所采集到的数据进行处理和分析，如读取特征值，并作必要的分析，为故障诊断提供有效的数据和信息。

故障诊断对历史数据和当前数据分析、比较后诊断或依赖人工智能技术、专家系统诊断1.3 在线监测系统的分类二：故障诊断2.1 相关概念2.1.1 定义利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程是故障检测；而进一步确定故障所在大致部位的过程是故障定位。

故障检测和故障定位同属网络生存性范畴。

要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次（可更换单位）的过程称为故障隔离。

故障诊断就是指故障检测和故障隔离的过程。

2.1.2 故障诊断的由来系统故障诊断是对系统运行状态和异常情况作出判断，并根据诊断作出判断为系统故障恢复提供依据。

要对系统进行故障诊断，首先必须对其进行检测，在发生系统故障时，对故障类型、故障部位及原因进行诊断，最终给出解决方案，实现故障恢复。

2.1.3 故障诊断的任务故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复等。

其中：故障检测是指与系统建立连接后，周期性地向下位机发送检测信号，通过接收的响应数据帧，判断系统是否产生故障；故障类型判断就是系统在检测出故障之后，通过分析原因，判断出系统故障的类型；故障定位是在前两部的基础之上，细化故障种类，诊断出系统具体故障部位和故障原因，为故障恢复做准备；故障恢复是整个故障诊断过程中最后也是最重要的一个环节，需要根据故障原因，采取不同的措施，对系统故障进行恢复。

2.1.4 故障诊断的性能指标评价一个故障诊断系统的性能指标有：1）故障检测的及时性：是指系统在发生故障后，故障诊断系统在最短时间内检测到故障的能力。

故障发生到被检测出的时间越短说明故障检测的及时性越好。

2）早期检测的灵敏度：是指故障诊断系统对微小故障信号的检测能力。

故障诊断系统能检测到的故障信号越小说明其早期检测的灵敏度越高。

3）故障的误报率和漏报率：误报指系统没有出去故障却被错误检测出发生故障；漏报是指系统发生故障却没有被检测出来。

一个可靠的故障诊断系统应尽可能使误报率和漏报率最小化。

4）故障分离能力：是指诊断系统对不同故障的区别能力。

故障分离能力越强说明诊断系统对不同故障的区别能力越强，对故障的定位就越准确。

5）故障辨识能力：是指诊断系统辨识故障大小和时变特性的能力。

故障辨识能力越高说明诊断系统对故障的辨识越准确，也就越有利于对故障的评价和维修。

6）鲁棒性：是指诊断系统在存在噪声、干扰等的情况下正确完成故障诊断任务，同时保持低误报率和漏报率的能力。

鲁棒性越强，说明诊断系统的可靠性越高。

7）自适应能力：是指故障诊断系统对于变化的被测对象具有自适应能力，并且能够充分利用变化产生的新信息来改善自身。

以上性能指标在实际应用中，需要根据实际条件来分析判断哪些性能是主要的，哪些是次要的，然后对诊断方法进行分析，经过适当的取舍后得出最终的诊断方案。

2.2 故障诊断系统的分类2.2.1离线系统(巡检系统)也称为机械故障巡检系统，通常由传感器、便携式数据采集器和计算机软件组成。

采用定期巡回检测和离线分析的方式工作。

适合于对工厂中量大面广的中、小型机械设备，尤其是那些尚无固定监测点的机器进行定期的状态监测与故障诊断。

2.2.2在线系统(集中式、分布式)在线监测与诊断系统具有数据采集连续、快速、数据处理实时性好、分析诊断功能全面、丰富等特点。

适用于具有固定监测点的大型连续运转的关键机械设备。

这类系统又可分为集中式单机系统、集散式系统以及分布式系统。

集中式结构是以单一(微型)计算机为主体的监测与诊断系统。

由计算机主控完成现场工况监测、数据采集、信号处理与分析、故障诊断等全部工作。

优点：便于管理控制，具有较高的稳定性和可靠性;系统具备信号处理、特征提取、状态分类、趋势分析以及分析报告生成、数据库管理等多方面的功能。

集散式结构利用多台计算机来联合实施监测与诊断，但这里的每台计算机彼此相互独立，基本上没有联系，其实质是集中式结构的简单迭加。

通过RS232或RS422串行通讯方式把一台主控计算机与若干台从属计算机联接起来协同工作的主从式结构。

其中，从属计算机(或称辅助计算机)分别独立地完成现场数据采集与状态监测并共享主机，而主机则负责完成分析与诊断功能并始终肩负对从属机进行管理和控制的任务。

分布式结构针对地域分布较广的多台机器设备，通过计算机网络把分布于各局部现场、独立完成特定功能的本地计算机互联接起来，并在一台主控计算机的控制下，构成分级管理模式，最终达到资源共享、协同工作、分散监测与集中管理、诊断的目的。

2.2.3 远程故障诊断系统远程诊断系统能够方便地实现企业内部、行业内部、甚至更大范围的诊断数据和知识的共享，能够有效地组织异地专家会诊等。

远程诊断系统还是一个集咨询、培训、讨论、数据交换等于一体的全方位的信息交流系统。

这样既解决了生产企业技术力量不足和技术水平提高的问题又有利于研究机构更准确、更有效的获得设备运行的第一手资料，充实理论和技术研究。

一个完整的远程故障诊断系统通常应当包括三个主要子系统远程诊断中心：在高性能WEB服务器和数据库服务器的支撑下担负整个系统的控制协调任务。

企业监测分析中心(初级诊断中心)：主要负责企业内部的监测、分析和诊断，以及设备管理工作，同时负责对下属监测工作站的控制及管理。

现场监测工作站：由网络化的高性能再线数据采集器或便携式数据采集器所构成，主要负责数据采集、预处理以及报警监控等工作。

2.3 故障诊断技术的发展历程故障诊断(FD)始于(机械)设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断(CMFD)。

它包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。

设备故障诊断是随设备管理和设备维修发展起来的。

欧洲各国在欧洲维修团体联盟(FENMS)推动下，主要以英国倡导的设备综合工程学为指导；美国以后勤学(Logistics)为指导；日本吸收二者特点，提出了全员生产维修(TPM)的观点。

美国自1961年开始执行阿波罗计划后，出现一系列因设备故障造成的事故，导致1967年在美国宇航局(NASA)倡导下，由美国海军研究室(ONR)主持成立了美国机械故障预防小组(MFPG)，并积极从事技术诊断的开发。

美国诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门仍处于世界领先地位。

英国在60～70年代，以Collacott为首的英国机器保健和状态监测协会(MHMG & CMA)最先开始研究故障诊断技术。

英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断方面具领先地位。

日本的新日铁自1971年开发诊断技术，1976年达到实用化。

日本诊断技术在钢铁、化工和铁路等部门处领先地位。

我国在故障诊断技术方面起步较晚，1979年才初步接触设备诊断技术。