紅外熱成像技術(shù)在數(shù)據(jù)中心預(yù)測(cè)性維護(hù)中的應(yīng)用

伍盛達(dá)， 田宇

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370）

0 引言

預(yù)測(cè)性維護(hù)是指通過(guò)各種技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)的采集、 分析， 同時(shí)結(jié)合設(shè)備運(yùn)行的壽命期統(tǒng)計(jì)規(guī)律或歷史數(shù)據(jù)， 預(yù)測(cè)可能的后果， 提前采取有針對(duì)性的維護(hù)活動(dòng)[1]。 得益于無(wú)損檢測(cè)、 智能監(jiān)控和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)據(jù)中心積累了大量的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、 環(huán)境參數(shù)等監(jiān)測(cè)指標(biāo)， 為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供了良好的基礎(chǔ)。

設(shè)備溫度是預(yù)測(cè)性維護(hù)中重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)之一。 溫度異常經(jīng)常是通信機(jī)房設(shè)備存在隱患的前兆[2]。 紅外熱成像技術(shù)作為一種非接觸、 無(wú)損的溫度檢測(cè)手段， 如何應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心預(yù)測(cè)性維護(hù)中， 值得我們探討。

1 流程

應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)的預(yù)測(cè)性維護(hù)流程圖如圖1 所示。 根據(jù)設(shè)備的使用壽命規(guī)律和歷史數(shù)據(jù)來(lái)制定預(yù)測(cè)性維護(hù)策略， 通過(guò)數(shù)據(jù)采集篩選， 最終形成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。 根據(jù)決策判斷方法及模型標(biāo)準(zhǔn)， 結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析， 若出現(xiàn)異常值， 則進(jìn)行原因查找并修復(fù)， 修復(fù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)測(cè)并重新錄入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比； 若無(wú)異常值， 當(dāng)次檢測(cè)完成， 根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)重新制定預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。

圖1 應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)的預(yù)測(cè)性維護(hù)流程圖

1.1 預(yù)測(cè)性維護(hù)策略

預(yù)測(cè)性維護(hù)策略包括維護(hù)范圍、 維護(hù)頻次和更新策略等。

根據(jù)紅外熱成像技術(shù)的特點(diǎn)， 將維護(hù)范圍規(guī)定為電纜、 母排、 接線端子和斷路器等電氣元件。

在設(shè)備投入使用的早期， 其失效率較高， 隨著時(shí)間的延續(xù)呈逐步下降趨勢(shì)[3]。 這一時(shí)期被稱(chēng)為早期失效期。 因此， 在設(shè)備施工調(diào)試后正式投入使用前需進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)， 并且在額定滿負(fù)荷狀態(tài)下測(cè)量電氣元件的溫度并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。 在設(shè)備投入使用的首年， 預(yù)測(cè)性維護(hù)頻率為每季度一次。 若一年內(nèi)， 檢測(cè)數(shù)據(jù)符合要求且無(wú)明顯的變化， 則可判斷設(shè)備進(jìn)入恒定失效率期。 在此期間， 應(yīng)以半年一次的頻率檢測(cè)電氣元件的溫度。 當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間接近壽命限期或從數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)劣化趨勢(shì)， 可判斷它已進(jìn)入耗損失效期， 預(yù)測(cè)性維護(hù)頻率應(yīng)加大到每季度一次。

對(duì)于超期使用的設(shè)備， 預(yù)測(cè)性維護(hù)頻率應(yīng)加大到每月一次， 若溫度指標(biāo)無(wú)異常， 經(jīng)維護(hù)審批部門(mén)對(duì)其維護(hù)成本、 更換成本和使用價(jià)值評(píng)估后可決定是否繼續(xù)使用。 對(duì)于溫度指標(biāo)異常的設(shè)備應(yīng)進(jìn)行修復(fù)或更換。

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集可通過(guò)在線監(jiān)測(cè)及離線檢測(cè)兩種手段完成。 檢測(cè)過(guò)程中， 要注意排除人體熱輻射、 陽(yáng)光、 運(yùn)行指示燈或熒光燈等干擾。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常熱點(diǎn)時(shí)， 應(yīng)確定紅外發(fā)射率已根據(jù)熱點(diǎn)位置的材料進(jìn)行合理設(shè)置， 并以不同的角度反復(fù)掃描， 排除外部熱反射引入的干擾。

1.3 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)采集完成后， 存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行歸檔， 用于后續(xù)的判斷分析中。 歸檔數(shù)據(jù)應(yīng)包含采集日期、 被測(cè)元件位置、 電流、 環(huán)境溫度和熱像圖等信息。 必要時(shí)還可以添加更詳細(xì)的描述， 如設(shè)備（元件） 的額定電流、電流諧波、 紅外發(fā)射率和外部影響因素等內(nèi)容， 使分析的原材料更豐富和詳實(shí)， 提高決策判斷的可信度。

1.4 決策判斷方法

決策判斷方法主要有3 種， 分別是表面溫度判斷法、 同類(lèi)比較法和歷史比較法。 判斷輸出結(jié)果有4 種情況， 分別為正常、 一般缺陷、 嚴(yán)重缺陷和緊急缺陷。 為了方便判斷分析， 下文提供了各種方法的數(shù)學(xué)模型， 并規(guī)定正常、 一般缺陷、 嚴(yán)重缺陷和緊急缺陷4 種情況分別對(duì)應(yīng)數(shù)字0、 1、 2 和3。

a） 表面溫度判斷法

將紅外熱成像儀測(cè)得的電氣元件表面溫度與溫度限值進(jìn)行比較判斷。 對(duì)于實(shí)際的運(yùn)行負(fù)荷電流為額定電流或接近額定電流時(shí)， 判斷結(jié)果的可信度較高。 因此， 在早期失效期內(nèi)進(jìn)行滿載壓力檢測(cè)時(shí)，優(yōu)先采用此方法進(jìn)行判斷。 表面溫度判斷法的模型如下：

式（1） 中： t——電氣元件最熱點(diǎn)的溫度；

T1， T2——溫度限值。

T1， T2的具體取值如表1 所示。

表1 T1、 T2 具體的取值表 [4]

b） 同類(lèi)比較法

在同一電氣回路中， 當(dāng)三相電流對(duì)稱(chēng)和三相（或兩相） 設(shè)備相同時(shí)， 比較三相（或兩相） 電流致熱型設(shè)備對(duì)應(yīng)部位的溫升值， 判斷設(shè)備是否正常。 若三相設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)異常， 可與同回路的同類(lèi)設(shè)備比較[5]。 此外， 還應(yīng)引入溫升限值作為判斷依據(jù)。 同類(lèi)比較法的模型如下：

式（2） 中： t——電氣元件最熱點(diǎn)的溫度；

δ——被測(cè)點(diǎn)與同類(lèi)點(diǎn)的相對(duì)溫差；

T1——溫度限值。

T1的具體取值如表2 所示。

表2 T1 的具體取值表

c） 歷史數(shù)據(jù)比較法

將紅外熱成像儀測(cè)得的電氣元件表面溫度與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 綜合分析負(fù)荷電流、 環(huán)境溫度、圖像特征和變化趨勢(shì)等因素， 得出判斷結(jié)果。 在歷史數(shù)據(jù)存量較少無(wú)法擬合趨勢(shì)線的情況下， 可僅與前次的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較； 在兩次的負(fù)載電流及環(huán)境溫度相近時(shí)， 其模型如下：

式（3） 中： δ——本次檢測(cè)值與上次檢測(cè)值的相對(duì)溫差。

1.5 原因查找及修復(fù)

數(shù)據(jù)中心中電氣元件的異常熱點(diǎn)以電流致熱型為主。 溫度異常原因有接觸不良， 電纜松股、 斷股、 老化和設(shè)計(jì)容量不足等， 可根據(jù)各種缺陷的典型熱像圖進(jìn)行分析。

根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度制定相應(yīng)的修復(fù)策略。 對(duì)于一般缺陷， 可利用停電維護(hù)的機(jī)會(huì)， 有計(jì)劃地安排修復(fù)工作， 消除缺陷； 對(duì)于嚴(yán)重缺陷， 宜在一周內(nèi)進(jìn)行修復(fù)； 對(duì)于緊急缺陷， 應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)。

2 實(shí)例分析

以華南某大型數(shù)據(jù)中心為例做分析。

首先， 制定初次預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。 規(guī)定本次預(yù)測(cè)性維護(hù)的范圍為變壓器出線柜、 ATS 柜、 饋線柜、 UPS 輸入柜、 輸出柜和動(dòng)力配電柜內(nèi)的電氣元件。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)， 設(shè)備已運(yùn)行8 年， 而交直流配電設(shè)備的平均壽命約15 年。 根據(jù)全生命周期失效率變化規(guī)律， 可知設(shè)備處于恒定失效率期。 預(yù)測(cè)性維護(hù)頻率為半年一次。

采集配電房溫度及流過(guò)各個(gè)電氣元件的電流參數(shù)及紅外熱成像儀的檢測(cè)結(jié)果存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。 例如： 3-2UP6 B 相銅排存入以下要素， 如圖2 所示。

圖2 歷史數(shù)據(jù)要素

由于此次是初次預(yù)測(cè)性維護(hù)， 缺乏歷史數(shù)據(jù)，因此， 只采用表面溫度判斷法和同類(lèi)比較法進(jìn)行分析， 過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩處缺陷。

如圖3 所示， 3 # 電抗器的最熱電溫度為134.1 ℃， 可直接采用表面溫度判斷法進(jìn)行判斷。根據(jù)式（1） 及表1 判斷該處存在緊急缺陷。 如圖4所示， A 相最熱電為34.8 ℃， 雖然熱點(diǎn)溫度未超過(guò)限值， 但溫度高于其余兩相。 因此， 選擇同類(lèi)比較法進(jìn)行分析。 通過(guò)DCIM 平臺(tái)參數(shù)采集可知， 環(huán)境溫度為22.6 ℃， A 相電流為122.6 A， B 相電流為120.1 A， C 相電流為118.2 A， 三相電流接近。通過(guò)紅外熱成像儀檢測(cè)得出B、 C 相的最熱電溫度分別為25.6、 25.2 ℃。 計(jì)算得到A 相熱點(diǎn)相對(duì)B相熱點(diǎn)的相對(duì)溫差δ 為307%。 根據(jù)式（2） 及表2判斷該處存在嚴(yán)重的缺陷。

圖3 -1F P12 配電柜3 #電抗器熱像圖

圖4 3-1UP1 A 相銅排熱像圖

如圖3 所示， 電抗器與外部電氣接線的連接處為最熱點(diǎn)， 溫度以接頭為中心向四周快速地遞減，因此推斷缺陷原因可能為接頭老化或接觸不良。 立即啟動(dòng)緊急缺陷響應(yīng)措施， 更換電抗器接頭， 復(fù)測(cè)后溫度恢復(fù)正常。 如圖4 所示， 熱像以銅排連接處螺栓為中心緩慢地向四周擴(kuò)散， 因此可推斷缺陷原因可能為連接螺栓松動(dòng)。 并在兩周后完成了螺栓緊固工作， 溫度恢復(fù)正常。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明， 通過(guò)紅外熱成像數(shù)據(jù)采集， 合理地選取決策判斷模型進(jìn)行分析， 能有效地發(fā)現(xiàn)缺陷，消除隱患， 對(duì)數(shù)據(jù)中心的安全可靠運(yùn)行起到積極的效果。

紅外熱成像技術(shù)在數(shù)據(jù)中心預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用中的難點(diǎn)在于決策分析， 因?yàn)檫@不僅涉及大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比對(duì)， 還涉及圖像特征的判斷。 當(dāng)前， 對(duì)紅外熱像的特征判斷還停留在人工階段。 如何利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行圖像特征智能識(shí)別， 提高判斷效率及準(zhǔn)確性。 這一課題值得我們研究探討。