多源信息融合技術在泵站設備監(jiān)測中的應用

胡 鑫，雷文平，韓 捷

（鄭州大學振動工程研究所，鄭州 450001）

0 引言

多源信息融合即多傳感器信息融合，工業(yè)現(xiàn)場機組往往安裝多種傳感器以測得機組的振動參數(shù)、工藝量參數(shù)、電氣參數(shù)等數(shù)據(jù)。唐初直諫大夫魏征曾有一句名言：“兼聽則明，偏聽則暗”，意思是說采納各種不同的意見作決策往往是明智的，而偏信一家之言則難免有失偏頗。人類和動物在獲得客觀對象的感知信息時，通過看、聽、摸、嗅、味等方式獲得不同的感知信息，經(jīng)過大腦處理之后才形成一個完整的認知結(jié)果。同樣，在工業(yè)現(xiàn)代化和智能化的今天，對水泵設備實時監(jiān)測獲得的多源參數(shù)，做到綜合考慮分析得出故障診斷結(jié)果和機組的總體評價結(jié)果，對提高機組運行的安全性和可靠性，保障機組高效的運行，具有重要意義。

1 多源信息融合技術概述

多源信息融合技術的原理是模擬人類大腦[1]對接收到的各種信息進行加工處理，然后根據(jù)經(jīng)驗或相關理論知識對數(shù)據(jù)進行綜合分析做出最終判斷的過程。多源信息融合中在把各種傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行去除冗余、時空對準等處理操作后，根據(jù)某種組合規(guī)則對各種數(shù)據(jù)信息進行綜合處理，最后獲得對被監(jiān)測目標一致的理解和認知。多源信息融合的目的是通過對多方面的信息有規(guī)則的組合進而推導出更多有價值的信息，這個過程不是簡單的輸入輸出，而是各類信息相互作用的結(jié)果。多源信息融合就是利用多種傳感器提供的多方面多角度的優(yōu)勢，從而提高整個傳感器融合系統(tǒng)的準確性和有效性[2]。

2 設備故障監(jiān)測系統(tǒng)的組成及功能簡介

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括現(xiàn)場安裝的傳感器、智能信號采集器、交換機、服務器等；軟件包括存儲采集信號數(shù)據(jù)用的數(shù)據(jù)庫和實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)整體布局圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體布局圖

系統(tǒng)通過對現(xiàn)場機組安裝的振動、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、電流等多種傳感器，將實時數(shù)據(jù)收集到采集器中，經(jīng)過處理后，再通過交換機上傳到系統(tǒng)服務器，并存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。用戶通過局域網(wǎng)交換機訪問服務器，實現(xiàn)對機組實時數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測。另外通過網(wǎng)絡，遠程診斷中心專家可以對機組做出在線診斷；用移動智能手機，可以實時查看機組的運行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)功能簡介

系統(tǒng)主要功能包括狀態(tài)監(jiān)測、振動分析、專家系統(tǒng)、綜合評價等模塊。狀態(tài)監(jiān)測模塊可以查看機組實時動態(tài)數(shù)據(jù)；振動分析模塊提供波形、頻譜、倒頻譜、細化譜、功率譜、短時FFT分析等分析方法；專家系統(tǒng)模塊通過分析振動數(shù)據(jù)的頻譜特征，融合工藝量數(shù)據(jù)的變化特征，做出對機組的故障診斷；綜合評價模塊整合振動評價、電氣評價、溫度評價、潤滑點檢評價及效率評價等信息，做出對機組的整體評價。

3 多源信息融合技術在系統(tǒng)中的運用

多源信息融合技術在系統(tǒng)中的應用主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面是在專家系統(tǒng)中的應用，另一方面是在綜合評價中的應用。

3.1 在專家系統(tǒng)中的應用

專家系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的實時報警信息，提取振動參數(shù)的故障征兆信息、工藝參數(shù)的變化信息及電氣參數(shù)信息，通過模糊產(chǎn)生式規(guī)則將三者融合，最后推理得到診斷結(jié)果。故障推理流程如圖2所示。

圖2 故障推理流程圖

專家系統(tǒng)采用基于規(guī)則的正向推理模式進行診斷，系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，識別測點振動的波形頻譜結(jié)構(gòu)特征，及機組近段時間的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力變化情況，最后得出診斷決策結(jié)果及可信度，并生成報告。

3.2 在綜合評價中的應用

綜合評價是將設備的振動、溫度、電氣等項目進行分項評價，將多項評價的總體評價結(jié)果作為設備的健康狀態(tài)。系統(tǒng)單靠某一個通道的通頻值評價有可能造成機組狀態(tài)報警信息的誤報或者漏報，為避免這一現(xiàn)象造成的干擾，系統(tǒng)對各類信息進行分門別類的細化處理。首先對振動數(shù)據(jù)，將振動信號中的各個子頻段抽取出來，并進行對應的子部件比如轉(zhuǎn)子，軸承，齒輪等進行評價，并依據(jù)模糊加權理論，確定振動指標的評價結(jié)果。其次，對電機感應電流數(shù)據(jù)，通過細化譜技術，引入電機電流信號分析模型，對其轉(zhuǎn)子斷條，匝間短路，氣隙偏心等故障進行分項評價，并依據(jù)模糊加權理論，確定電機信號的評價結(jié)果。再次對溫度指標，處理考慮實測值之外，還對機組運行的環(huán)境因素進行考察，比如考慮環(huán)境溫度，機組轉(zhuǎn)速等因素的影響，對其數(shù)值進行歸一化的整理并進行評價，并依據(jù)模糊加權理論，確定溫度指標的評價結(jié)果。最后，將振動，電機電流，溫度以及其他的比如潤滑、點檢、效率等工藝量評價結(jié)果通過模糊加權綜合評價，得出機組整體的評價。例如：設定綜合評價各項指標的權重系數(shù)，見表1。

表1 指標權重系數(shù)表

最后根據(jù)H的大小確定機組的整體健康狀態(tài)，H＞0.9（機組良好），0.7＜H＜0.9（機組可用），H＜0.7（機組需檢查）。

4 實際應用

上海某水廠泵站共五臺泵，每臺泵安裝8個振動測傳感器，泵房安裝環(huán)境溫度傳感器一個，另外通過工業(yè)OPC數(shù)據(jù)庫獲取軸承溫度、定子溫度、泵流量、轉(zhuǎn)速、壓力、動態(tài)電流等數(shù)據(jù)。

水泵機組的故障具有種類復雜、多樣且漸變、不規(guī)則等特點，若從某單一方面進行故障診斷，其診斷結(jié)果不完備也不準確[3]。泵常見故障類型有轉(zhuǎn)子不平衡，不對中、彎曲、動靜碰摩、葉輪偏心以及軸承磨損等。為準確識別這些故障，選取相關故障特征參數(shù)為指導：0～0.4倍頻、1/3倍頻、0.4～0.5倍頻、1/2倍頻、0.5～1倍頻、1倍頻、2倍頻、3倍頻、4倍頻、5倍頻、機組轉(zhuǎn)速、負荷、壓力、流量、定子溫度、軸承溫度、動態(tài)電流。系統(tǒng)根據(jù)報警信息，識別以上特征參數(shù)，分別得到其權值大小，并診斷出各參數(shù)對應的故障診斷結(jié)果及置信度，最后根據(jù)置信度的大小對診斷結(jié)果排序過濾，將置信度最大的診斷結(jié)果作為最終的診斷結(jié)果。結(jié)果表明，采用多源信息融合技術的故障診斷系統(tǒng)，大大提高了故障確診率，減小了診斷的不確定性。

圖3 綜合評價界面

對機組的綜合評價方面，自系統(tǒng)運行以來，有時會出現(xiàn)機組運行效率低，或潤滑不及時等情況造成的單方面評價較低，但是這些都不是機組健康狀況的主要影響，因此最終對機組的總體評價仍是良好。評價界面見圖3。

5 結(jié)語

5.1 采用多源信息融合技術將振動、工藝參數(shù)相融合，并應用到泵站故障診斷系統(tǒng)中，大大提高了故障的診斷效率和準確性，并在實際應用中取得了較好的效果。

5.2 系統(tǒng)通過對各參數(shù)的單項評價，通過模糊加權原則，最后得出機組的總體評價，方便及時掌握機組的實時健康狀況，提高了機組的可維護性。

［1］ 趙黎明，劉賀平，張冰.多源信息融合技術及其工業(yè)應用［J］.自動化儀表，2010，31（9）：1-5.

［2］ 王新濤.多源信息融合方法研究［D].哈爾濱工程大學，2012.

［3］ 賀建軍，趙蕊.基于信息融合技術的大型水輪發(fā)電機故障診斷［J］.中南大學學報:自然科學版，2007，38（2）:333-338.

［4］ 陳超，李凌均，雷文平，韓捷，郝旺身.基于多源信息融合的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷專家系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動化，2014，36（10）:16-22.

［5］ 孫慕群，劉霞，符向前.水泵機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011，36:113-116.

［6］ 付勝，張亞彬.基于模糊理論的水泵監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)開發(fā)［J］.北京工業(yè)大學學報，2012，38（7）:1008-1.