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1、现代造纸机械监诊学之浅识吕江印山东亚太森博浆纸有限公司摘要：现代造纸机械装备的大型化、连续化、高速化、自动化特点使得故障诊断技术越来越重要，预知性维护可使设备系统实现高效、安全、可靠、低成本运行，否则当其发生非预知性故障时，会造成巨大的停机损失。本文简述了机械状态监测与故障诊断技术的起源与最新发展、现代造纸机械监诊学的研究目的、对象、特征、基本理论基础、方法原理、发展趋势，以及它在本公司中的实际应用。关键词：造纸机械 状态监测 故障诊断 The brief Introduction of Condition Monitoring and Fault Diagnosis for Paper Ma
2、chinery Lv Jiang Yin Shandong Asia Pacific SSYMB Pulp & Paper Co.LTDRizhao Shandong Abstract：Due to more larger / continuous, higher speed/ automatic for modern paper machinery, the fault diagnosis technology become more and more important. So the preventive maintenance will make equipments higher e
3、fficiency, more safe / secure and lower cost, otherwise, will result in huge loss of shut-down. This paper introduces the progress of machinery condition monitoring and fault diagnosis technology ,also including the study object, principle & methods, developmental trend , and the application of SSYM
4、B company。Keywords: Paper Machinery Condition Monitoring Fault Diagnosis 1前言自20世纪60年代末美国国家宇航局创立了故障预防小组以来，故障诊断技术是逐渐发展起来的一门以数学、物理、现代控制论、计算机工程、通讯技术、信号处理、模式识别、人工智能、人工神经网络以及相应应用学科为基础的多学科综合交叉的新学科,也是促进工业生产现代化和机器设备的大型化、连续化、高速化、自动化而迅速发展起来的一门新技术。现代化造纸机械设备的应用，一方面大大促进了造纸生产的发展，另一方面也潜伏着一个很大的危机,即一旦发生故障所造成的直接和间接的损失
5、将是十分严重的。现代造纸机械监诊学的宗旨就是运用当代科技的新成就发现设备的隐患, 以期对设备事故防患于未然，具体说它是通过获得造纸机械设备在静止或运行中的状态信息，并参考设备过去的运行经历，来获得设备的实时状况，并推断未来的趋势，从而确定必要的维修策略。2 机械状态监测与故障诊断技术的起源与最新发展20世纪60年代，航天、军工方面的事故常造成严重后果，为避免这些灾难性的后果，迫切需要提高系统的稳定性、安全性、可靠性和故障预知性，因此在美国发展了机器状态监测与故障诊断技术，并在7080年代间获得了迅速发展。在8090年代，随着计算机技术的发展和普及，迅速推进了该技术的应用和发展。机械状态监测与故
6、障诊断技术是一项新兴的、有广泛实际应用价值的交叉型工程应用性科学技术，目前大致可分3个发展阶段：依靠人工为主的直接监测和故障分析阶段；利用传感器测试技术、处理分析技术形成依靠传统的信号分析手段监测与诊断的发展阶段；以现代信号处理理论、软计算、智能化信息处理以及计算机网络为核心的现代化机械与设备故障诊断技术阶段。现代化工业大生产的装备系统具有连续、高速、复杂、大型、自动化程度高等特点，因此当其发生非预知性故障时，会造成巨大的停机损失。若做到预知性维护，可使设备系统实现高效、安全、可靠、低成本运行。国外许多行业将机器状态监测与故障诊断技术的普遍原理与各行业装备密切结合，得到了广泛研究和实际应用，成
7、效十分明显，其不仅可用于大型联机系统的在线监测与诊断，还可用于许多单机的关键部位。我国自20世纪90年代中期，以设备振动、噪声、温度。油样、腐蚀、电机电流等为主要特征的诊断基础理论、方法和应用实践在国防军工、航天航空、船舶、机械制造、土木建筑、石油化工、电力、地震、计量等部门和行业得到了推广和应用；相关的通用和专用硬件、软件的国产化也已基本成熟。国内发展经历了4个阶段：引进消化阶段(80年代中后期)；自行开发、应用在线监测与故障诊断技术装置阶段(90年代初中期)；研制出与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统(90年代中后期)；具有智能化特征的远程通讯及网络化监测诊断系统(当前)。目前，国内
8、检测技术的研究主要集中在以下几个方面：（1）传感器技术研究：传感技术是反应设备状态参数的仪表技术。国内先后开发了各种类型的传感器，如电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和温度传感器等；最近开发的传感技术有光导纤维、激光、声发射等。（2）关于信号分析与处理技术的研究：从传统的谱分析、时序分析和是与分析，开始引入了一些先进的信号分析手段，如快速傅立叶变换器，Winger谱分析和小波变换等。这类方法的引入弥补了传统分析方法的不足。（3）关于人工智能和专家系统的研究：这方面的研究已成为诊断技术的发展主流，目前已有“日程机械故障诊断专家系统”，但这一技术在工程方面的研究尚未达到人们所期望的水平。（4）
9、关于神经网络的研究：比如旋转机械神经网络分类系统等的研究已经得到了应用，取得了满意的效果。（5）关于诊断系统的开发与研究：从单机巡检与诊断到上下位机式的主从机结构，直至以网络为基础的分布式系统的结构越来越复杂，实时性越来越高。（6）专门化与便携式诊断仪器和设备的研制与开发。3 现代造纸机械监诊学研究的目的、对象及其特征现代造纸装备的连续、高速、复杂、大型、自动化程度高等特点决定了状态监测与故障诊断技术系统具有重大价值，使得故障诊断技术越来越重要。为了切实保障造纸设备的可靠性、安全性和有效性，迫切需要建立一个监控系统来监督设备的运行状态，实时检测系统变化和故障信息，采取有效的措施，以防止重大事故
10、的发生，最大限度的提高机械的使用效率。造纸机械故障诊断技术对确保机械设备的安全、提高产品质量、节约维修费用以及防止环境污染均起到重要作用。 造纸设备状态监测，是指用人工或专用的仪器工具，按照规定的监测点(设备及部位)进行间断或连续的(周期)监测，掌握设备运行所处于的状态(状态识别)，有压力、流量、温度、振动与噪声等等。造纸设备诊断，是指在设备运行中或基本不拆卸的情况下，根据设备的运行技术状态，判断故障的部位和原因，并预测设备今后的技术状态变化1。 现代造纸机械监诊的根本目的就是要保证造纸设备的安全、稳定、长周期、满负荷、优良运行，主要为：1、对造纸设备运行中各种异常状态做出及时、正确、有效的判
11、断，预防和消除故障，或者将故障的危害性降低到最低程度；同时对设备运行进行必要的指导，确保运行的安全性、稳定性和经济性。2、确定合理的故障检修时机及项目，既要保证设备的带病运行时安全、不发生重大设备故障，又要保证停机检查时发现设备有问题，合理延长设备的使用寿命和降低维修费用。3、通过状态监测，为提高设备性能而进行的技术改造及优化运行参数提供数据和信息。现代造纸机械监诊学研究的内容主要包括以下三个环节：（1）特征信号的采集：这一过程属于准备阶段，主要用一些仪器测取被测仪器的有关特征值，如速度、湿度、噪音、压力、流量等。现在信号的采集主要用传感器，在这一阶段的主要研究基于各种原理的传感技术，目标是能
12、在各种环境中得到高可靠、高稳定的传感测试信号。国内传感器类型：电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和湿度传感器等； （2）信号的提取与处理：从采集到的信号中提取与设备故障有关的特征信息，与正常信息只进行对比，这一步就可以称之为状态检测。目前，小波分析在这方面得到广泛应用，尤其是在旋转机械的轴承故障诊断中。基于相空间重构的GMD数据处理方法也刚刚开始研究，此方法对处理一些复杂机械的非线性振动，从而进一步预测故障的发展趋势非常有效。（3）判断故障种类：从上一步的结果中运用各种经验和知识，对设备的状态进行识别，进而做出维修决策。这一步关键是研究系统参数识别和诊断中相关的实用技术，探讨多传感器优化配
13、置问题，发展信息融合技术、模糊诊断、神经网络、小波变换、专家系统等在设备故障诊断中的应用。4 现代造纸机械监诊学的基本理论基础 造纸机械设备在劣化进程中, 基本遵循如图1所示的规律。图1 图1 浴盆曲线期：称为磨合期。指的是新设备设计、装配后的跑合阶段, 这个阶段故障率较高。故 障率与零部件的设计、制造、装配质量关系密切。一般设备的劣化曲线不包括这一期。期：正常使用期。指的是机器在经过第期后, 已经处于稳定状态, 进入正常使用阶段。这个阶段故障率显然较低。期：耗损期。指机器由于磨损疲劳等原因已处于生命中的老年阶段, 其故障率逐渐升高。 通过对机器进行必要的测量和诊断, 可以
14、及时发现设备在某一阶段处在哪一期, 避免设备提前进入耗损期或发生故障。诊断一词来源于中医学中的望、闻、问、切, 辨证施治 八字诀, 而这几个字也充分体现了设备故障诊断的全过程。设备故障诊断的基本过程原理框图如图2所示。 图2 机械故障诊断基本过程和原理也就是说,在机械设备运行的劣化进程中,会产生大量的有用的诊断信息,我们把这些诊断信息所产生的信号用适当的传感器转化为电信号,再对所采集来的电信号进行处理、提取其特征,从而进行故障诊断。故障诊断技术的实质工作和核心目标是： (1)掌握设备的运行状态； (2)确定设备运行正常与否； (3)预测设备的可靠性； (
15、4)预测设备能安全运行的时间； (5)发现早期故障； (6)预测故障的发生、发展趋势。围绕这些核心目标,针对机械不同组件,分别采用相应的诊断技术与方法,也就形成了故障诊断技术更深层的研究。5 现代造纸机械监诊学的方法与原理5.1现代造纸机械监诊学的工作原理 在设备监测和故障诊断技术中，异常及故障的表现叫做征兆，征兆的特点叫模式。 要将故障征兆进行分类（如振动、噪声、变形、殘留物、松动、斑点、坑、断裂等），弄清故障类别（磨损、裂纹、腐蚀、不平衡、不对中、泄漏等），性质（渐发生、扩展性），程度（局部故障、整机故障等）。在掌握了具体类别后，可根据故障机理预测其发展情况，提出相应对策。它包括四方面的工
16、作内容：1、信号检测：正确选择测试仪器和测试方法，准确地测量出反映设备实际状态的各种信号温度、应力、振动等）。建立起来的状态信号属于初始模式。2、特征提取：将初始模式的状态信号通过放大或压缩、形式变换、去除噪声干扰等处理，提取故障特征，形成待检模式 3、状态识别：根据理论分析结合故障案例，采用数据库技术所建立起来的故障档案库为基准模式，把待检模式与基准模式进行比较和分类，即可区别设备的正常与异常。4、预报决策：经过判别，对属于正常状态的设备可继续监视；对属于异常状态的设备则要查明故障情况，做出趋势分析，估计其发展和可继续运行的时间及提出控制措施和维修决策。5.2 几种常规检测诊断技术(方法)5
17、.2.1 振动监测诊断技术 造纸机械状态的振动检测与故障诊断是对设备所产生的机械振动进行信号采集、数据处理后，根据振幅、频率、相位及相关图形所进行的故障分析。它利用正常设备与故障设备振动特性(位移、速度、加速度、声响等)的差异来判断故障，根据对振动信号的测量、处理、分析及识别来判断设备运行是否存在问题，进而判断故障部位、原因以及故障恶化程度，最后对故障采取相应的措施。振动监测用于监测转轴组件的平衡性能和滚动轴承、传动齿轮的冲击和噪声，具有方便、准确、灵敏的特点，是比较有效的监测手段。振动监测诊断一般包括以下几个步骤： (1) 诊断对象要有全面了解。对诊断对象进行必要的机理分析，如：机器的结构和
18、动态特性(齿轮与轴承规格、特征频率等)，机器的相关机件连接情况(如动力源、基座等)；掌握机器的运行条件(如温度、压力、转速等)及维修技术档案(如故障、维修、润滑、改造等)；掌握异常振动的形态和特性。 (2) 对可能的异常振动部位进行检测。包括设计测点位置和测试工况，确定监测参数(位移、速度、加速度)，辨别振动方向等，通过对监测点振动信号的分析，来检查机器运行状态是否正常，以超过允许值的大小来确定故障的严重程度。经过定期或连续监测，即可获得机器状态变化的规律，从而掌握故障可能的发展趋势。 (3) 故障诊断。对机器出现的部位、原因和严重程度进行深入的分析，然后作出判断。内容包括：振动波形识别、相关
19、时差定位、包络分析、频响特性与相干分析、瞬时频率变化与相位分析、模糊与神经网络方法诊断、诊断专家系统。 完成上述三步后，即可针对故障采取相应的措施。通过对机器异响部位表面振动的监测，与标准状态下的振动特征进行比较，从而分析出异响产生的部位，确定故障的严重程度。所用设备有振动加速度传感器或频谱显示仪等。5.2.2 油样分析技术 油样分析监测技术是是对机器在用润滑油的油液本身及油中微小颗粒所进行的理化分析。通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、破乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，掌握润滑油本身的性能信息的同时了解到机组轴承、密封的工作状态和磨损程度。目前应用
20、较多的有光谱分析和铁谱分析。光谱分析是利用元素的原子在基态和激发态之间跃迁时要吸收或发射特点频率光量子的特性，分析油样中金属磨粒的种类、数量和增长率从而判断配合副磨损程度和磨损趋势；铁谱分析是利用磁场将油中金属磨粒分离出来，按序排列用以观察和分析磨粒的种类、数量、尺寸分布和形貌，从而判断配合副的磨损程度和磨损性质。在上述两种油样分析技术中，光谱分析只能从磨损产物的数量中取得信息，铁谱分析除了磨损产物数量之外，还可以通过磨粒形貌取得磨损性质的信息，因而比光谱分析更加敏锐。目前，机油中金属杂质的检测设备有发射光谱测定仪、原子吸收光谱测定仪、铁谱仪等。通过对机油中金属成份的检测，与各金属元素在机油中
21、含量的允许界限比较，超出允许界限的，其可能来源的部件就需要更换或修理2。5.2.3 机械性能测试技术 应用各种仪器测量机械运转时的性能参数，从而判断机械性能降低程度以及机械性能是否满足使用要求。一般通过机械设备性能参数下降程度来决定它何时修理。 如目前的动态压力监测系统，它是通过安装在液压系统中若干压力传感器，将系统工作时的压力脉冲信息及时准确地传输到信号采集系统中，将信号调制、放大、滤波、传输与诊断等，从而作出关键回路原件以及整个液压系统运行状态和性能描述，并实现计算机存贮、输出过程。此项监测系统通过对波形的诊断比较，可以较准确地判别液压系统中液压泵吸空，溢流阀卡滞等故障，结合压力表、流量计
22、和辅助诊断可以判断液压泵输出功率，液压系统的泄漏等故障。5.2.4 无损检测技术无损检验是一种从材料和产品的无损检验技术中发展起来的方法，它是在不破坏材料表面及内部结构的情况下检验机械零部件缺陷的方法。它使用的手段包括超声、红外、x射线、射线、声发射、掺透染色等。这一套方法目前已发展成一个独立的分支，在检验由裂纹、砂眼、缩孔等缺陷造成的设备故障时比较有效。5.3一些现代监测诊断技术35.3.1 计算机辅助监测诊断技术 该技术是在机械状态监测与诊断过程中建立一种以计算机辅助诊断为基础的多功能自动化诊断系统，通过配备的自动诊断软件，实现状态信号的采集、特征提取和状态识别的自动化。如果故障超过允许值
23、，即发出警报指令，通过计算机自动完成故障性质、程度、类别、不为、原因及趋势的诊断和预报，并能将大量的机械或机组运行状态资料贮存起来，技术人员可通过人机对话调出查阅，作出诊断决策。5.3.2 机械专家诊断系统 该系统是一种具有人工智能的软件系统，又称知识库咨询系统。它不仅包括从信号监测到状态识别，而且包括从决策形成到干预的全过程。不但具有计算机辅助诊断系统的全部功能，而且将机械诊断专家的宝贵经验、思想方法同当代计算机巨大的存贮、运算与分析能力结合起来，形成人工智能的计算机系统。它事先将有关的专家知识和经验加以总结分类，形成规则存入计算机构成知识库，根据数据库中自动采集或人工输入的原始数据，通过专
24、家系统的推理机，模拟专家推理判断思维过程来建立故障档案，解决故障识别和诊断决策中的各种复杂问题，最后给出用户正确的咨询答案、处理对策和操作指导。5.3.3远程网络控制系统的故障诊断随着传统控制系统向网络化发展，近年来远程网络控制系统得到广泛重视，并涌现很多成果。远程诊断系统是一个分布式控制系统，它基于监测设备、计算机网络及软件，实现对监测信息的处理、传输、存储、查询、显示和交互，以达到诊断专家无须到现场就可以完成对远距离发生的故障的诊断，并可以实现异地专家的实时协同诊断。其研究内容包括远程监测、远程诊断、协同诊断等几个主要部分。5.3.4混合故障诊断技术控制系统自动化程度的不断提高必然给故障诊
25、断问题带来新的挑战，依靠单一的故障诊断方法已经不可能实现故障的实时有效检测，因此，有必要结合多种故障检测和诊断方法。如将神经网络与专家系统相结合，用神经网络解决专家系统的知识获取问题。将模糊理论与神经网络相结合的故障诊断方法，即基于模糊理论的神经网络故障诊断方法，它是采用模糊的方法来处理神经网络的输出结果，并对推理过程进行解释。将模糊理论与专家系统相结合，利用模糊数学中模糊变换原理对控制系统进行评定，在此基础上建构专家系统。5.4 其他的监诊方法介绍5.4.1基于解析模型的方法该方法是研究最早、最深入、最成熟的方法，需要建立被诊断对象的较精确的数学模型，包括状态估计方法、等价空间方法和参数估计
26、方法。5.4.2 基于信号处理的方法4当难以建立被控对象的解析数学模型时，可采用基于信号处理的方法。此方法是利用信号模型(如相关函数、频谱、高阶统计量、自回归滑动平均、小波变换等)直接分析可测信号，提取方差、幅值、频率等信息来进行故障检测与诊断。频域分析法是设备故障诊断领域中应用最广的一种方法，通过傅里叶变换将复杂信号分解为有限或无限个频谱的分量之和，然后求各个分量的幅值谱或功率谱图，判断故障类型及故障源。5.4.3基于神经网络的方法5神经网络具有模拟任意连续非线性函数、从样本学习、大规模并行处理、自适应、自学习、容错、联想记忆、分布式信息存储、推理、处理复杂多模式等优良性能，使其在复杂系统的
27、监测及诊断中发挥着重要作用，为故障诊断技术开辟了一条有效途径。5.4.4 基于模糊数学的方法6模糊故障诊断方法是利用集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解决故障与征兆之间的不确定关系，进而实现故障的检测与诊断。模糊诊断的基本原则有：分层分段诊断，逐步深入原则；假设与验证相结合原则；综合评判原则；获取信息原则；通过对外在特性的考证来判断系统内部结构的劣化原则；对比判断确定故障原则；找出最严重的故障点原则。5.4.5 基于专家系统的新诊断方法基于专家系统的故障诊断方法的诊断过程是在知识库和数据库的支持下，综合运用各种规则，进行一系列推理，可快速找到最终故障和最有可能的故障。有人提出一些新的专家
28、系统故障诊断方法，如基于Petri网、遗传算法、故障树、人工神经网络、模糊数学等的专家系统诊断方法，都能提高故障诊断效率，且有利于知识的升级、更新与维护。5.4.6 故障诊断的信息融合方法基于信息融合的故障诊断方法的基本思想是对通过各种设备获得的特征信号进行多层次的组合和选择，以获得对故障信息更可靠和更全面的认识，以便对潜在的故障发展趋势作评价。信息融合用于故障诊断的起因有三个方面：一是多传感器形成不同通道的信号；二是同一信号形成了不同的特征信息；三是不同诊断途径得出了有偏差的诊断结论。融合诊断的最终目标是综合利用各种信息，提高诊断准确率。6 现代造纸机械监诊学在亚太森博公司中的应用亚太森博公
29、司于2006 年组建成立了设备状态监测中心，到目前为止，公司预防性维修状态监测部门共拥有SKF振动数据采集仪7台，其中有三台SKF Microlog CMVA60、三台Micro log GX70、一台Micro log CMXA80和一台SPM Leonova infinity冲击脉冲振动检测仪，明年准备再购买两台Micro log CMXA80，还配备了一些电机检测仪器、红外线测温成像仪器、超声波测厚仪、激光对中仪器、润滑油分析和检测仪器等等。现在全厂所有重点设备都已经纳入监测范围，二期浆板机已经安装了SKF在线监测系统。其在公司的应用范围如下：下面是机械监诊技术在森博公司中的几个应用实例
30、：实例1. 纸板CTMP PULPER 1JD22高压电机实例2.纸板烘缸导辊Ro505.03实例3. PL11 EO浆塔稀释泵23-602.11 实例4. PL12 472k232 CD过滤机增压泵异常实例5. PL12 蒸发132E912离心机7 现代造纸机械监诊学技术发展趋势现代造纸设备故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断技术的发展方向。当今故障诊断技术的发展趋势是传感器的精密化、多维化，诊断理论、诊断模型的多元化，诊断技术的智能化，具体来说表现在如下方面：(1) 与当代最新传感技术尤其是激光测试技术的融合。近年来，激光技术已深入发展到振动测量和设备故障诊断中，并且己经成功应用
31、于旋转机械对中等方面。(2) 与最新信号处理方法相融合。随着新的信号处理方法在设各故障诊断领域中的应用，传统的基于快速傅里叶变换的信号分析技术有了新的突破性进展。(3) 与非线性原理和方法的融合。机械设备在发生故障时，其行为往往表现为非线性特征。如旋转机械的转于在不平衡外力的作用下表现出的非线性振动。随着混沌与分型几何方法的日趋完善，这类问题毕将得到进一步解决。 (4) 与多元传感技术的融合。现代化大生产要求对设备进行全方位、多角度的监测与维护，以便对设备的运行状态有整体的、全方面的了解。因此，在进行设备故障诊断时，可采用多个传感器同时对设备的各个位置进行监测，然后按照一定的方法对这些信息进行
32、处理，如人工神经网络方法。(5) 与现代智能方法的融合。现代智能技术包括专家系统、模糊逻辑、神经网络、进化计算等。现代智能方法在设备故障诊断技术中己得到了广泛的应用，随着智能科技的不断发展，设备状态的智能监测和故障诊断将是故障诊断技术的最终目标。8结语随着微电子、计算机、智能技术和网络技术的发展，造纸机械故障诊断技术也得到了不断的发展和进步，故障诊断方法呈现向复合式、综合化方向发展的趋势，且设备故障检测诊断技术的准确性会越来越高，操作使用越来越方便，在设备维修中会起着越来越重要的作用。它可以直接提高企业设备管理和维护水平，提高企业效益和国际竞争力。9、参考文献1张辉，王世雄，杨超.现代造纸机械状态监测与故障诊断M. 中国轻工业出版社; 第1版 2邱荣华，张辉，张笑.油液分析技术及其在现代造纸机械故障诊断中的应用J.中国造纸学报,2009 ,24(3):1213李炜,伦淑娴.设备故障诊断技术的现状及其发展J.甘肃工业大学学报,1998, 24 (2):664臧大进，曹云峰.故障诊断技术的研究现状及展望J.矿山机械, 2010, 38(18):95李伟.复杂系统的智能故障诊断技术现状及其发展趋势J.计算机仿真, 2004, 21(10):56何勇，李增芳.智能化故障诊断技术的研究与应用J.浙江大学学报, 2003, 29(2):120