設(shè)備故障診斷和監(jiān)測技術(shù)

1、2022-5-6上海交通大學 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室12022-5-62提綱提綱n引 言n學科范疇n學科發(fā)展意義n監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢n結(jié)束語2022-5-6上海交通大學 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3引言引言n引 言n學科范疇n學科發(fā)展意義n監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢n結(jié)束語2022-5-64引言引言n現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對機械設(shè)備的要求:n可靠性n可用性n維修性n經(jīng)濟性n安全性n進行全壽命管理，實行全面質(zhì)量保證體系制度n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在滿足上述這些要求中，扮演著越來越重要的角色2022-5-65引言引言

2、n機械設(shè)備是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，設(shè)備管理則是企業(yè)管理中的重要領(lǐng)域n也就是說，企業(yè)管理的現(xiàn)代化必然要以設(shè)備管理的現(xiàn)代化作為其重要組成部分n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在設(shè)備管理與維修現(xiàn)代化中占有重要的地位我國已將我國已將設(shè)備診斷技術(shù)設(shè)備診斷技術(shù)、修復技術(shù)修復技術(shù)和和潤滑技術(shù)潤滑技術(shù)列為設(shè)備管理和維修工作的三項基礎(chǔ)技術(shù)列為設(shè)備管理和維修工作的三項基礎(chǔ)技術(shù)2022-5-66引言引言n維修方式歸納起來有三大類，共五種形式：n事后維修(BM)n改善維修(CM)n預防維修(PM)視情維修(COM)、狀態(tài)維修(CBM)和計劃(定期)維修(TBM)改善維修(CM)改裝、改進(型)、重新設(shè)計、變更式

3、樣視情維修視情維修給定計劃、制定界限值、有缺陷和需要時狀態(tài)維修狀態(tài)維修以狀態(tài)為基礎(chǔ)、基于統(tǒng)計分析、信號處理、趨勢分析定期維修定期維修以時間為基礎(chǔ)、長期計劃、定期性能嚴重劣化或故障停機時導致的非計劃維修事后維修(BM)預防維修(PM)維修方式2022-5-67引言引言n狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是預防(狀態(tài))維修的必要條件n推廣和應用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)可以達到如下目的：n保障設(shè)備運行安全，防止突發(fā)事故n保證設(shè)備工作精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量n實施狀態(tài)維修(或預防維修)，節(jié)約維修費用n避免設(shè)備事故帶來的環(huán)境污染及其它危害n給企業(yè)部門帶來較大的間接經(jīng)濟效益2022-5-68引言引言n實踐證明，機械設(shè)備狀

4、態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)n正在改變著我國傳統(tǒng)維修管理的被動局面n正在向預防(狀態(tài))維修的新方式推進n促使設(shè)備壽命周期費用最經(jīng)濟和綜合效率最高n可見，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是開展預防(狀態(tài))維修的重要支撐2022-5-69引言引言n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷n是一門正在不斷完善和發(fā)展的交叉型學科n是一項與現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)緊密相關(guān)的技術(shù)n是機械學科領(lǐng)域的研究熱點之一n故障診斷學科需解決的重要問題n故障特征信息提取和故障分類、識別的新理 論及新方法研究n復雜故障產(chǎn)生機理及模型的深入研究n故障診斷智能系統(tǒng)研究，包括診斷專家系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化遠程診斷系統(tǒng)2022-5-6上海交通大學 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室

5、10學科范疇學科范疇n引 言n學科范疇n學科發(fā)展意義n監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢n結(jié)束語2022-5-611學科范疇學科范疇機器機器建模技術(shù)建模技術(shù)測量技術(shù)測量技術(shù)分析分析聲音或振動信號聲音或振動信號CAD, CAE圖像處理圖像處理結(jié)構(gòu)與強度結(jié)構(gòu)與強度參數(shù)辨識參數(shù)辨識故障診斷故障診斷FEM機械工程機械工程信號處理技術(shù)信號處理技術(shù)應用力學應用力學* Power Spectral Density (PSD), * Correlation, * Fuzzy Logic, * Bispectrum,* Higher-Order Statics (HOS), * Neur

6、al Networks (NN), * Wavelet Transform,* Spectral Correlation Density (SCD), * Time-Frequency Distribution (TFD),* Sound Intensity, * Near-Field Acoustic Holographics, * .* Stability,* Chaos,* Fractal,* .坐標反求坐標反求2022-5-612定義定義n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷n是識別機械設(shè)備(機器或機組)運行狀態(tài)的一門綜合性應用科學和技術(shù)，它主要研究機械設(shè)備運行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映n通過

7、測取設(shè)備狀態(tài)信號，并結(jié)合其歷史狀況對所測信號進行處理分析，特征提取，從而定量診斷(識別)機械設(shè)備及其零部件的運行狀態(tài)(正常、異常、故障)，進一步預測將來狀態(tài)，最終確定需要采取的必要對策的一門技術(shù)n主要內(nèi)容包括監(jiān)測、診斷(識別)和預測三個方面2022-5-613定義定義 技術(shù)結(jié)構(gòu)關(guān)系技術(shù)結(jié)構(gòu)關(guān)系S癥狀邏輯關(guān)系F故障 正向邏輯：故障反映C工作狀態(tài)M監(jiān)測正常異常D診斷表現(xiàn)振動、噪聲、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、.診斷理論與方法 統(tǒng)計識別， 模糊邏輯， 灰色理論， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，.簡易、精密類別磨損、腐蝕、變形、裂紋、不平衡、不對中、松動、滲漏、.性質(zhì)與程度暫時、永久、突發(fā)、漸發(fā)、破壞、非破壞、先天、錯

8、用、.分析參數(shù)監(jiān)測，癥狀識別，特征提取，.邏輯關(guān)系簡單映射、加權(quán)相關(guān)、規(guī)則相關(guān)、置信因子、.逆向邏輯：機理研究在線、離線；定期、連續(xù)；.(I)(II)2022-5-614定義定義 監(jiān)測與診斷的關(guān)系監(jiān)測與診斷的關(guān)系n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷既有區(qū)別、又有聯(lián)系，同一學科的兩個層次：簡易/精密n狀態(tài)監(jiān)測也稱為簡易診斷，一般是通過測定設(shè)備的某些較為單一的特征參數(shù)(如振動、溫度、壓力等)來檢查設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)特征參數(shù)值與門限值之間的關(guān)系來決定設(shè)備的狀態(tài)n如果對設(shè)備進行定期或連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測，便可獲得有關(guān)設(shè)備狀態(tài)變化的趨勢規(guī)律，據(jù)此可預測和預報設(shè)備的將來狀態(tài)。通常這就叫做趨勢分析n故障診斷也稱為精密診斷，

9、不僅要掌握設(shè)備的狀態(tài)正常與否，同時還需要對產(chǎn)生故障的原因、部件（位置）以及故障的嚴重程度進行深入的分析和判斷2022-5-6上海交通大學 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室15學科發(fā)展意義學科發(fā)展意義n引 言n學科范疇n學科發(fā)展意義n監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢n結(jié)束語2022-5-616故障診斷的目的故障診斷的目的n目標：保證設(shè)備的安全、可靠和高效、經(jīng)濟運行n主要目的：n及時、正確、有效地對設(shè)備的各種異常或故障狀態(tài)作出診斷，預防或消除故障；同時對設(shè)備的運行維護進行必要的指導。確?？煽啃?、安全性和有效性n制定合理的監(jiān)測維修制度，保證設(shè)備發(fā)揮最大設(shè)計能力,同時在允許的條

10、件下充分挖掘設(shè)備潛力，延長其服役期及使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費用n通過檢測、分析、性能評估等，為設(shè)備修改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息2022-5-617故障診斷的任務故障診斷的任務n狀態(tài)監(jiān)測：n了解和掌握設(shè)備的運行狀態(tài)。包括采用各種檢測、測量、監(jiān)視、分析和判別方法，結(jié)合設(shè)備的歷史和現(xiàn)狀，考慮環(huán)境因素，對運行狀態(tài)作出評估，并為進一步分析提供信息n故障診斷：n根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所得信息，結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)、環(huán)境條件及運行歷史，對故障進行預報和分析、判斷，確定故障的性質(zhì)、類別、程度、原因、部位，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢及其后果2022-5-618故障診斷的任務故障診斷的任務n

11、指導設(shè)備管理和維修：n根據(jù)故障診斷的結(jié)果，提出控制故障繼續(xù)發(fā)展和消除故障的對策或措施(調(diào)整、維修、治理)；為推進視情維修體制提供依據(jù)2022-5-619開展故障診斷工作的意義開展故障診斷工作的意義n有利于提高設(shè)備管理水平n“ 管好、用好、修好”設(shè)備，不僅是保證簡單再生產(chǎn)的必要條件，而且能提高企業(yè)經(jīng)濟效益，推動國民經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地發(fā)展n機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是提高設(shè)備管理水平的一個重要組成部分2022-5-620開展故障診斷工作的意義開展故障診斷工作的意義n避免重大事故發(fā)生，減少事故危害性n現(xiàn)代設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復雜，功能越來越完善，自動化程度越來越高。但是，當設(shè)備出現(xiàn)故障時所帶來的影響

12、程度也明顯增大，有時不僅僅是造成巨大的經(jīng)濟損失，往往還會帶來災難性的事故n發(fā)展機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，并進行有效、合理的實施，可以掌握設(shè)備的狀態(tài)變化規(guī)律及發(fā)展趨勢，防止事故于未然，將事故消滅在萌芽2022-5-621開展故障診斷工作的意義開展故障診斷工作的意義n可以獲得潛在的巨大經(jīng)濟和社會效益n生產(chǎn)設(shè)備停機、停工帶來的單位損失越來越大n最大限度降低設(shè)備壽命周期費用，最大限度提高以生產(chǎn)經(jīng)濟性為目標的管理n壽命周期費用(LCC) 研制費用生產(chǎn)費用使用、維修費用 購置費用使用、維修費用 推行設(shè)備診斷技術(shù)和現(xiàn)代維修技術(shù)，有助于減少使用、維修費用，從而從整體上降低設(shè)備的壽命周期費用2022-5-

13、622開展故障診斷工作的意義開展故障診斷工作的意義 舉例舉例n我國因機械設(shè)備事故造成的損失十分嚴重n1985年10月29日山西大同第二電廠20萬千瓦2號機組因超速誘發(fā)軸系強烈振動，軸系斷裂為五段，機組嚴重損壞，直接經(jīng)濟損失達1400萬元；n1988年2月12日陜西秦嶺電廠20萬千瓦5號機組軸系發(fā)生突發(fā)性強烈振動，軸系斷裂為十三段，機組嚴重損毀，直接經(jīng)濟損失達3000萬元；n對石化引進30萬噸合成氨和40萬噸尿素化肥廠中的五大透平壓縮機組的初步調(diào)查結(jié)果表明，僅1977年和1978年的兩年的不完全統(tǒng)計，機械事故就高達一百多次，遭受經(jīng)濟損失約有幾個億2022-5-623開展故障診斷工作的意義開展故障

14、診斷工作的意義 舉例舉例n宏觀上實施故障診斷能帶來經(jīng)濟效益n1980年度美國用于設(shè)備維修的費用為2460億美元，其中有將近1/3 (約750億美元)屬于維修方法采用不當(包括缺乏正確的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù))而浪費掉的n我國1987年國營工業(yè)和交通企業(yè)有40萬個以上，總固定資產(chǎn)約為7000億元，每年用于設(shè)備大修、小修及處理故障的費用一般占固定資產(chǎn)原值的35%。因此，采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)改善設(shè)備維修方式和方法后，一年就有可能取得數(shù)百億元的經(jīng)濟效益2022-5-624開展故障診斷工作的意義開展故障診斷工作的意義 舉例舉例n對生產(chǎn)單位有很高的收益/投資比n日本資料報道，實施故障診斷后，事故率減

15、少75%，維修費用降低25-50%n英國2000家大型工廠采用診斷技術(shù)后每年節(jié)省維修費用達3億英鎊，而每年用于投資故障診斷系統(tǒng)和技術(shù)手段的費用為0.5億英鎊，從而凈獲益達2.5億英鎊/年n美國pekrul發(fā)電廠實施故障診斷技術(shù)后的經(jīng)濟效益達到其本身投入的36倍2022-5-625美國美國Pekrul電廠故障診斷效益分析電廠故障診斷效益分析電廠情況裝機容量：1000MW，電費：US$ 0.015 元/千瓦時，年產(chǎn)值約：US$ 1 億元事故損失按可靠性分析，事故停機 14 次/年，停產(chǎn)損失 US$ 15萬元/天診斷效果能查出 50的事故，其中 50由診斷系統(tǒng)查出，內(nèi)含虛警 20，修復時間：3 天/

16、每次事故診斷效益(節(jié)約費用)B14x0.5x0.5x3x15x(1- 0.2) = US$126 萬元/年投入經(jīng)費投資：US$ 20 萬元，年監(jiān)測費：US$ 1.5 萬元/年診斷成本A(20 萬/10 年折舊) + 1.5 萬/年=US$ 3.5 萬元/年診斷經(jīng)濟效益系數(shù)CB/A = 362022-5-6上海交通大學 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室26監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n引 言n學科范疇n學科發(fā)展意義n監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢n結(jié)束語2022-5-627管理體制管理體制n監(jiān)測與診斷工作是一個系統(tǒng)工程n首先要有設(shè)備n其次要有懂專業(yè)的技術(shù)人員n更

17、重要的是還必須有系統(tǒng)完善的管理體制2022-5-628基于振動基于振動(噪聲噪聲)測量與分析測量與分析n在這里所提及的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，均是指基于振動測量與分析方面的技術(shù)n事實上狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是一門綜合性極強、涉及面非常廣泛、學科交叉滲透十分豐富的技術(shù)n除了應用振動分析方法之外，還可采用油液分析、紅外熱像、超聲探傷以及溫度、壓力分析等多種不同技術(shù)2022-5-629基于振動基于振動(噪聲噪聲)測量與分析測量與分析n振動是自然界中的一種很普遍的運動n機械振動信號中包含了豐富的機器狀態(tài)信息，它是機械設(shè)備故障特征信息的良好載體n利用振動信號來獲取機械設(shè)備的運行狀態(tài)并進行故障診斷具有如下優(yōu)點：n

18、方便性：利用各種振動傳感器及分析儀器，可以很方便地獲得振動信號n在線性：振動監(jiān)測可在現(xiàn)場不停機的情況下進行n無損性：在振動監(jiān)測過程中，不會對被測對象造成損傷2022-5-630信號處理技術(shù)信號處理技術(shù)n信號處理技術(shù)是進行故障診斷的基礎(chǔ)，是特征提取必不可少的工具n信號處理技術(shù)分為傳統(tǒng)和現(xiàn)代兩大類，其中：n傳統(tǒng)的信號處理技術(shù)是指以FFT為核心的信號分析技術(shù)，在實際運用中發(fā)揮著重要的作用n而近年來發(fā)展起來的現(xiàn)代信號處理技術(shù)在故障特征提取方面正嶄露出頭角2022-5-631(傳統(tǒng)傳統(tǒng))信號處理技術(shù)信號處理技術(shù)22,xxxEEyyy,22 X fY f tptFxx, F t p tyy, x t y

19、t X f Y f x ty t Rxx Ryy Sfxx Rxy Sfxy Sfyy x t y t X f Y fXf Yf Cqpx Cqpy HfY fX fxy HfSfSfxyxyxx xyxyxxxxfSfSfSf222022-5-632(傳統(tǒng)傳統(tǒng))信號處理結(jié)果示例信號處理結(jié)果示例2022-5-633現(xiàn)代信號處理技術(shù)現(xiàn)代信號處理技術(shù)n現(xiàn)代信號處理的本質(zhì)可用七個“ 非”字來高度概括，即研究：n非線性、非因果、非最小相位系統(tǒng)n非高斯、非平穩(wěn)、非整數(shù)維(分形)信號n非白色加性噪聲n為準確、有效地獲得故障特征信息，目前重點是：研究和發(fā)展基于非高斯、非平穩(wěn)及非線性故障信號的分析理論及方法n

20、時頻分布、小波分析、高階統(tǒng)計量分析、循環(huán)平穩(wěn)信號處理、非線性分析、2022-5-634現(xiàn)代信號處理技術(shù)現(xiàn)代信號處理技術(shù)2022-5-635現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-時頻分布時頻分布tfAAdetxtxftWVDfjx222)()(),(*defXfXftWVDtjx222)()(),(*2022-5-636現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-時頻分布時頻分布2040608010012000.0202004006008001000Frequency (Hz)020406080-0.500.5Time (ms) (a) RGKD of the original signal

21、(200256fxLL,) (b) Hough transform of (a) (162max) (c) RGKD of signal envelope (170512fxLL,) (d) Hough transform of (c) (270max)2022-5-637現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-小波分析小波分析n在時-頻平面上，時間-頻率分辨率是變化的n高頻處：時間分辨率高、而頻率分辨率低n低頻處：時間分辨率低、而頻率分辨率高2022-5-638現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-小波包分析小波包分析2022-5-639現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-連續(xù)小

22、波分析連續(xù)小波分析用用Hermitian小波變換探測小波變換探測正弦信號中的微弱準脈沖正弦信號中的微弱準脈沖用用Hermitian小波變換小波變換對含有微弱準脈沖和噪對含有微弱準脈沖和噪聲的正弦信號進行分析聲的正弦信號進行分析2022-5-640現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-小波尺度與相位譜小波尺度與相位譜2022-5-641現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-雙譜分析雙譜分析n非參數(shù)雙譜定義為三階累積量譜)()()()(),(),(),(2121213nxnxnxEnxnxnxcumcx 12221121321)(),(),(jxxecB2022-5-642現(xiàn)代信號處理結(jié)果

23、示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-雙譜分析雙譜分析Input vector for LVQ:u 4 x 8 Peak values of projection of Bispectrumprojection of Bi-Sp00.10.20.30.40.50246x 10-5Original Result, Node # = 16000.10.20.30.40.502468x 10-5010020030040050010-410-310-210-11001011021MACiicTinicTicinTin( )( )( )22022-5-643現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-雙譜分析雙譜分析

24、Thicknessno noise30dB20dB10dBAverage1.00mm100.00% 100.00% 100.00%80.19%95.05%1.25mm100.00% 100.00%98.04%90.20%97.06%1.40mm88.24%86.27%92.16%70.59%84.32%1.50mm100.00% 100.00%98.04%60.78%89.71%1.75mm78.43%78.43%80.39%45.10%70.59%Average93.33%92.94%93.73%69.37%87.34%Thicknessnonoise30dB20dB10dBAverage1

25、.00mm56.86%56.86%54.90%47.06%53.92%1.25mm54.90%56.89%49.02%47.06%51.97%1.40mm50.98%49.02%52.94%39.22%48.04%1.50mm47.06%43.14%45.01%43.12%44.58%1.75mm19.61%21.56%19.61%21.56%20.59%Average45.88%45.49%44.30%39.60%43.82%Bi-Sp MethodMAC Method2022-5-644現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-循環(huán)平穩(wěn)信號循環(huán)平穩(wěn)信號n循環(huán)平穩(wěn)信號是一種帶有隱含周期性的特

26、殊非平穩(wěn)信號，其統(tǒng)計特性表現(xiàn)為周期平穩(wěn)性，或者說其統(tǒng)計函數(shù)呈周期或多周期(各周期不成比例)變化n旋轉(zhuǎn)機械的振動信號，尤其是當故障發(fā)生時，往往表現(xiàn)為典型的周期性變化信號00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-2-1.5-1-0.500.511.52 (s)( V /m m s )2022-5-645現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-循環(huán)平穩(wěn)信號循環(huán)平穩(wěn)信號SCD - Spectral correlation density BPSK signal - Binary Phase-Shift Keyed signal2022-5-646現(xiàn)代信號處理結(jié)果

27、示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-循環(huán)平穩(wěn)信號循環(huán)平穩(wěn)信號n給定調(diào)制信號x(t)= (1+cos(230t)+cos(270t)*cos(21000t)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)循環(huán)自相關(guān)函數(shù) (CACF)2022-5-647現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-循環(huán)平穩(wěn)信號循環(huán)平穩(wěn)信號00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5Cyclic Autocorrelation functionTime lag sAmplitude0500100015002000250000.020.040.060.080

28、.10.120.140.160.18Power Spectral DensityFrequency HzAmplitude循環(huán)頻率30 Hz處的切片00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5Cyclic Autocorrelation functionTime lag sAmplitude0500100015002000250000.020.040.060.080.10.120.140.160.18Power Spectral DensityFrequency HzAmplitude循

29、環(huán)頻率70 Hz處的切片00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.020.040.060.080.10.120.14Cyclic Autocorrelation functionTime lag sAmplitude60 Hz處的切片0500100015002000250000.0050.010.0150.020.0250.03Power Spectral DensityFrequency HzAmplitude2022-5-648現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-循環(huán)平穩(wěn)信號循環(huán)平穩(wěn)信號00.010.020.030.040.050.060.

30、070.080.090.100.050.10.150.20.25Cyclic Autocorrelation functionTime lag sAmplitude0500100015002000250000.020.040.060.080.10.12Power Spectral DensityFrequency HzAmplitude00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.050.10.150.20.25Cyclic Autocorrelation functionTime lag sAmplitude0500100015002000250000

31、.020.040.060.080.10.12Power Spectral DensityFrequency HzAmplitude循環(huán)頻率1970 Hz處的切片循環(huán)頻率1930 Hz處的切片2022-5-649現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-盲源分離盲源分離n所謂盲源分離技術(shù)(Blind Source Separation)，是研究在未知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、源信號的混合系數(shù)及其概率分布的情況下，僅利用源信號之間相互獨立這一微弱已知條件，從一組傳感器測量所得的混合信號中分離出獨立源信號的一種技術(shù)Sssn1ABSyyYn1X=ASY=BX2022-5-650現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)

32、果示例-盲源分離盲源分離兩個源信號的波形兩個源信號的頻譜四個測量信號的波形四個測量信號的頻譜盲源分離結(jié)果 Sensor 1Sensor 2XYSource-1Source-2Sensor 3Sensor 42022-5-651現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘nKDD從存放在數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫或其他信息庫中的大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用知識的過程。 Jiawei Han2022-5-652現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘n數(shù)據(jù)挖掘用于知識庫建立海量數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)2022-5-653現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘nF

33、ayyad等人提出的過程模型（1996年）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)選擇選擇數(shù)據(jù)清理數(shù)據(jù)清理和預處理和預處理挖掘目標與挖掘目標與方法的匹配方法的匹配定義目標定義目標知識準備知識準備選擇數(shù)據(jù)選擇數(shù)據(jù)挖掘算法挖掘算法數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘挖掘整理整理知識知識知識知識知識知識知識知識知識知識目標數(shù)據(jù)目標數(shù)據(jù)模型模型數(shù)據(jù)約簡數(shù)據(jù)約簡解釋解釋評價評價預處理后預處理后的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)約簡后約簡后的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)2022-5-654現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘n數(shù)據(jù)挖掘的應用過程測試數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)故障數(shù)據(jù)故障數(shù)據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)2022-5-655現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘2022-

34、5-656現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘2022-5-657現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘n德國DataEngine 4.0系統(tǒng)2022-5-658現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例現(xiàn)代信號處理結(jié)果示例-數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘采用先進計算采用先進計算方法比較方法比較2022-5-659可視化聲源定位技術(shù)可視化聲源定位技術(shù)n通過重建設(shè)備輻射的噪聲場以直觀的動通過重建設(shè)備輻射的噪聲場以直觀的動態(tài)圖像來進行噪聲源的識別和定位，為態(tài)圖像來進行噪聲源的識別和定位，為噪聲控制、預測及故障診斷等提供依據(jù)噪聲控制、預測及故障診斷等提供依據(jù)2022-5-660常用的聲場可視化

35、方法常用的聲場可視化方法n近場聲全息近場聲全息（NAH）傳統(tǒng)方法n基于邊界元建?；谶吔缭＃˙EM）的NAHnHELS方法方法（Helmholtz方程最小平方誤差方程最小平方誤差）n波疊加方法波疊加方法（Wave Superposition）n波束形成波束形成（Beamforming）2022-5-661可視化聲源定位實例可視化聲源定位實例汽車發(fā)動機電機2022-5-6626300 HzR 5 cm3150 HzR 10 cm4000 HzR 8 cm5000 HzR 6 cm汽車發(fā)動機聲場圖汽車發(fā)動機聲場圖 Beamforming(66)近場聲全息需要約 3300 個測點，才能識別這樣的

36、高頻2022-5-6上海交通大學 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室63監(jiān)測與診斷系統(tǒng)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n引 言n學科范疇n學科發(fā)展意義n監(jiān)測與診斷技術(shù)基礎(chǔ)n監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n監(jiān)測與診斷技術(shù)發(fā)展趨勢n結(jié)束語2022-5-664監(jiān)測與診斷系統(tǒng)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n在完成狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的過程中，通常需要依靠一定的監(jiān)測與診斷工具和手段，即需要有相應的計算機化的自動監(jiān)測與診斷裝置、儀器或系統(tǒng)2022-5-665監(jiān)測與診斷系統(tǒng)前的考慮監(jiān)測與診斷系統(tǒng)前的考慮n建立監(jiān)測與診斷系統(tǒng)之前應考慮如下問題：n經(jīng)濟性 - 應能夠盡可能地節(jié)省投資；n可靠性 - 自身應具有更高的可靠性；n實用性 - 實用的功能，操作簡便；n有效性

37、- 分析、診斷結(jié)果有效；n擴展性 - 較好的可擴展性和自開發(fā)性能。n一般情況下，根據(jù)經(jīng)驗企業(yè)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的投資應占其固定資產(chǎn)的15。并且，隨著設(shè)備復雜程度和技術(shù)先進性的增加，此項投資的額度還應有相應的增加2022-5-666監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的分類與選用監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的分類與選用n離線系統(tǒng)(巡檢系統(tǒng))n在線系統(tǒng)(集中式、分布式)n遠程系統(tǒng)(C/S結(jié)構(gòu)、B/S結(jié)構(gòu))設(shè)備類型一般設(shè)備重要設(shè)備關(guān)鍵設(shè)備損壞后果小部分停產(chǎn)或不停產(chǎn)大部分停產(chǎn)(50-100%)完全停產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)類型離線監(jiān)測系統(tǒng)一般在線系統(tǒng)計算機化在線系統(tǒng)便攜式測量儀器推薦選用至少選用2022-5-667離線系統(tǒng)離線系統(tǒng)n也稱為機械

38、故障巡檢系統(tǒng)，通常由傳感器、便攜式數(shù)據(jù)采集器和計算機軟件組成n采用定期巡回檢測和離線分析的方式工作n適合于對工廠中量大面廣的中、小型機械設(shè)備，尤其是那些尚無固定監(jiān)測點的機器進行定期的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷(手持式)傳感器便攜式數(shù)據(jù)采集器PC計算機+監(jiān)測、分析與診斷軟件RS-232c2022-5-668在線系統(tǒng)在線系統(tǒng)n在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集連續(xù)、快速、數(shù)據(jù)處理實時性好、分析診斷功能全面、豐富等特點n適用于具有固定監(jiān)測點的大型連續(xù)運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵機械設(shè)備n這類系統(tǒng)又可分為集中式單機系統(tǒng)、集散式系統(tǒng)以及分布式系統(tǒng)2022-5-669集中式結(jié)構(gòu)集中式結(jié)構(gòu)n是以單一(微型)計算機為主體的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)n

39、由計算機主控完成現(xiàn)場工況監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、信號處理與分析、故障診斷等全部工作n優(yōu)點：便于管理控制，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性;系統(tǒng)具備信號處理、特征提取、狀態(tài)分類、趨勢分析以及分析報告生成、數(shù)據(jù)庫管理等多方面的功能2022-5-670集散式結(jié)構(gòu)集散式結(jié)構(gòu)n利用多臺計算機來聯(lián)合實施監(jiān)測與診斷，但這里的每臺計算機彼此相互獨立，基本上沒有聯(lián)系，其實質(zhì)是集中式結(jié)構(gòu)的簡單迭加n通過RS232或RS422串行通訊方式把一臺主控計算機與若干臺從屬計算機聯(lián)接起來協(xié)同工作的主從式結(jié)構(gòu)。其中，從屬計算機(或稱輔助計算機)分別獨立地完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)測并共享主機，而主機則負責完成分析與診斷功能并始終肩負對從屬機進

40、行管理和控制的任務2022-5-671分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)-遠程系統(tǒng)的雛形遠程系統(tǒng)的雛形n針對地域分布較廣的多臺機器設(shè)備，通過計算機網(wǎng)絡(luò)把分布于各局部現(xiàn)場、獨立完成特定功能的本地計算機互聯(lián)接起來，并在一臺主控計算機的控制下，構(gòu)成分級管理模式，最終達到資源共享、協(xié)同工作、分散監(jiān)測與集中管理、診斷的目的主計算機輔 助 計 算 機輔 助 計 算 機輔 助 計 算 機網(wǎng) 絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)主計算機輔 助 計 算 機輔 助 計 算 機網(wǎng) 絡(luò)(a)(b)2022-5-672分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)-遠程系統(tǒng)的雛形遠程系統(tǒng)的雛形n分布式結(jié)構(gòu)具有資源分散、結(jié)構(gòu)模塊性、工作并行性、協(xié)作自治性、系統(tǒng)透明性等優(yōu)點。此外：n

41、分散數(shù)據(jù)采集，集中狀態(tài)監(jiān)測、診斷和管理n可靠性高各現(xiàn)場工作站均能夠獨立完成分布式處理，各節(jié)點具有相對獨立性，當某一節(jié)點發(fā)生問題時，并不影響其它節(jié)點的正常工作n可護展性和靈活性好由于采用了網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)能在適應新技術(shù)的發(fā)展過程中，方便地將落后設(shè)備從網(wǎng)上卸下、將更新設(shè)備掛到網(wǎng)上n功能強系統(tǒng)支持多用戶、多任務，可承擔較多的工作負荷n成本低網(wǎng)絡(luò)接口集成度高，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可與生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等共享，系統(tǒng)的整體性能價格比高2022-5-673遠程故障診斷的基本概念遠程故障診斷的基本概念n基于Internet/Intranet的遠程故障診斷是設(shè)備診斷技術(shù)與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)以及控制

42、技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物n遠程診斷跨越了企業(yè)與研究機構(gòu)、企業(yè)與企業(yè)在時間和空間上的距離n學術(shù)界可以利用網(wǎng)上診斷服務器開設(shè)技術(shù)知識講座，對企業(yè)技術(shù)人員進行輔導和技術(shù)培訓，同時發(fā)表有關(guān)的最新研究成果n企業(yè)界則可以利用監(jiān)測服務器為研究機構(gòu)提供寶貴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，向研究機構(gòu)或其它企業(yè)提出咨詢2022-5-674遠程故障診斷的基本概念遠程故障診斷的基本概念n遠程診斷系統(tǒng)能夠方便地實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、行業(yè)內(nèi)部、甚至更大范圍的診斷數(shù)據(jù)和知識的共享，能夠有效地組織異地專家會診等n遠程診斷系統(tǒng)還是一個集咨詢、培訓、討論、數(shù)據(jù)交換等于一體的全方位的信息交流系統(tǒng)n這樣既解決了生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)力量不足和技術(shù)水平提高的問題n又有利于研究機構(gòu)

43、更準確、更有效的獲得設(shè)備運行的第一手資料，充實理論和技術(shù)研究2022-5-675遠程故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)遠程故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)n一個完整的遠程故障診斷系統(tǒng)通常應當包括三個主要子系統(tǒng)n遠程診斷中心：在高性能WEB服務器和數(shù)據(jù)庫服務器的支撐下?lián)撜麄€系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)任務n企業(yè)監(jiān)測分析中心(初級診斷中心)：主要負責企業(yè)內(nèi)部的監(jiān)測、分析和診斷，以及設(shè)備管理工作，同時負責對下屬監(jiān)測工作站的控制及管理n現(xiàn)場監(jiān)測工作站：由網(wǎng)絡(luò)化的高性能再線數(shù)據(jù)采集器或便攜式數(shù)據(jù)采集器所構(gòu)成，主要負責數(shù)據(jù)采集、預處理以及報警監(jiān)控等工作2022-5-676遠程故障診斷系統(tǒng)的模型遠程故障診斷系統(tǒng)的模型Internet遠程診斷中心企業(yè)

44、監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫現(xiàn)場工作站防火墻防火墻打印機HubHubHub數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫HubPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB% UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB% UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXY

45、ZTAB% UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/s2022-5-677遠程故障診斷系統(tǒng)的基本要求遠程故障診斷系統(tǒng)的基本要求n無成本客戶端：客戶端軟件應當是一般用戶桌面系統(tǒng)都具有的瀏覽器n廉價的系統(tǒng)維護：系統(tǒng)功能可以由用戶添加組件進行擴展；系統(tǒng)性能可以通過遠程升級組件獲得提高n低廉的網(wǎng)絡(luò)投資：用戶可以充分利用企業(yè)內(nèi)部已建立的Intranet，進行整個系統(tǒng)的構(gòu)建n低廉的監(jiān)測和診斷費用：各種(關(guān)鍵)設(shè)備可以共享同一套系統(tǒng)2022-5-678遠程故障診斷系統(tǒng)的基本要求遠程故障診斷系統(tǒng)的基本要求n知識共享：對于地域分布的大型企業(yè)集團，允許在一個地區(qū)獲取診斷知識，然后通過中心知識庫，

46、讓整個企業(yè)共享相同或相近知識n專家共享：能夠通過網(wǎng)絡(luò)匯集同行專家完成數(shù)據(jù)分析和故障原因會診及評價n協(xié)作診斷：不同地區(qū)的診斷系統(tǒng)和專家可以在遠程診斷中心的協(xié)調(diào)下組成一個大的診斷網(wǎng)絡(luò)，通過對不同來源的診斷結(jié)果進行融合的形式，最終給出協(xié)作診斷的結(jié)論2022-5-679遠程故障診斷系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)遠程故障診斷系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)n三層B/S結(jié)構(gòu)體系n表示層(應用層)n邏輯層n數(shù)據(jù)層n工作模式Internet服 務 器 組 件W eb服 務 器 /IIS 4.0A SPJavaScript/V B Script基 于 瀏 覽 器 的 客 戶 工 作 站數(shù) 據(jù) 庫H TM LJavaScript/V B Scri

47、ptA ctiveX /Java A pplet2022-5-680遠程在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)示例遠程在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)示例nVSN-NetMDS遠程診斷中心遠程診斷中心企業(yè)監(jiān)測中心企業(yè)監(jiān)測中心現(xiàn)場監(jiān)測站現(xiàn)場監(jiān)測站2022-5-681示例：示例：VSN-NetMDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖基于網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)測基于網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)VSN-NetMDS基于基于VXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)VSNsNetDAU企業(yè)監(jiān)測中心企業(yè)監(jiān)測中心VSNsNetEMC遠程診斷中心遠程診斷中心VSNsNetRDC數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫VSNsNetDB用戶管理系統(tǒng)用戶管理系統(tǒng)UMS狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

48、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)CMS設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)EMS故障診斷系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)FDS用戶管理系統(tǒng)用戶管理系統(tǒng)UMS遠程分析系統(tǒng)遠程分析系統(tǒng)RAS組件庫系統(tǒng)組件庫系統(tǒng)CLS2022-5-682示例：示例：VSNsNetEMC企業(yè)監(jiān)測中心企業(yè)監(jiān)測中心2022-5-683示例：示例：VSNsNetDAU監(jiān)測工作站監(jiān)測工作站。128 kHz、51.2 kHz、25.6 kHz、12.8 kHz、 (按1:2:5抗混濾波器A/D數(shù)字抗混濾波器DSP預處理器JV53112SCSI硬盤RAMDSP處理板網(wǎng)絡(luò)主控計算機數(shù)據(jù)庫服務器100M振動信號倍頻器采樣脈沖序列轉(zhuǎn)速JV53413慢變信號適配器VXI總線2022-

49、5-684示例：示例：VSNsNetDAU監(jiān)測工作站監(jiān)測工作站2022-5-685示例：示例：VSNsNetDB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫nSQL ServernOracle2022-5-686示例：監(jiān)測與分析界面匯集示例：監(jiān)測與分析界面匯集2022-5-687遠程巡檢遠程巡檢(離線離線)系統(tǒng)示例系統(tǒng)示例Internet或Intranet企業(yè)監(jiān)測診斷中心監(jiān)測分析工作站數(shù)據(jù)庫防火墻防火墻打印機數(shù)據(jù)庫HubPRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB% UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/sHY-106數(shù)采器監(jiān)測分析工作站數(shù)據(jù)庫PRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODG