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1、机械设备故障诊断技术振动、冲击、噪声国家重点实验室(上海交通大学)2005年5月18日提纲提纲n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语2023/4/102上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语引言引言n现代工业生产对机械设备的要求:n可靠性n可用性n维修性n经济性n安全性n进行全寿命管理，实行全面质量保证体系制度n机械设备状态监测与故障诊断技术在满足上述这些要求中，扮演着越来越重要
2、的角色2023/4/104上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n机械设备是现代化工业生产的物质技术基础，设备管理则是企业管理中的重要领域n也就是说，企业管理的现代化必然要以设备管理的现代化作为其重要组成部分n机械设备状态监测与故障诊断技术在设备管理与维修现代化中占有重要的地位我国已将我国已将设备诊断技术设备诊断技术、修复技术修复技术和和润滑技术润滑技术列为设备管理和维修工作的三项基础技术列为设备管理和维修工作的三项基础技术2023/4/105上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n
3、维修方式归纳起来有三大类，共五种形式：n事后维修(BM)n改善维修(CM)n预防维修(PM)视情维修(COM)、状态维修(CBM)和计划(定期)维修(TBM)2023/4/106上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n状态监测与故障诊断技术是预防(状态)维修的必要条件n推广和应用设备状态监测与故障诊断技术可以达到如下目的：n保障设备运行安全，防止突发事故n保证设备工作精度，提高产品质量n实施状态维修(或预防维修)，节约维修费用n避免设备事故带来的环境污染及其它危害n给企业部门带来较大的间接经济效益2023/4/107上海交通大学上海交通大
4、学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n实践证明，机械设备状态监测与故障诊断技术n正在改变着我国传统维修管理的被动局面n正在向预防(状态)维修的新方式推进n促使设备寿命周期费用最经济和综合效率最高n可见，状态监测与故障诊断技术是开展预防(状态)维修的重要支撑2023/4/108上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室引言引言n机械设备状态监测与故障诊断n是一门正在不断完善和发展的交叉型学科n是一项与现代化工业大生产紧密相关的技术n是机械学科领域的研究热点之一n故障诊断学科需解决的重要问题n故障特征信息提取和故障分类
5、、识别的新理 论及新方法研究n复杂故障产生机理及模型的深入研究n故障诊断智能系统研究，包括诊断专家系统和网络化远程诊断系统2023/4/109上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室学科范畴学科范畴n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语学科范畴学科范畴2023/4/1011上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室定义定义n机械设备状态监测与故障诊断n是识别机械设备(机器或机组)运行状态的一门综合性应用科学和技术，它主要研究机械设备运行状态的变
6、化在诊断信息中的反映n通过测取设备状态信号，并结合其历史状况对所测信号进行处理分析，特征提取，从而定量诊断(识别)机械设备及其零部件的运行状态(正常、异常、故障)，进一步预测将来状态，最终确定需要采取的必要对策的一门技术n主要内容包括监测、诊断(识别)和预测三个方面2023/4/1012上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室定义定义 技术结构关系技术结构关系2023/4/1013上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室定义定义 监测与诊断的关系监测与诊断的关系n机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有
7、联系，同一学科的两个层次：简易/精密n状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设备的状态n如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将来状态。通常这就叫做趋势分析n故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以及故障的严重程度进行深入的分析和判断2023/4/1014上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室学科发展意义学科发展意义n引 言n学科
8、范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语故障诊断的目的故障诊断的目的n目标：保证设备的安全、可靠和高效、经济运行n主要目的：n及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性n制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能力,同时在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用n通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息2023/4/1016上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实
9、验室振动、冲击、噪声国家重点实验室故障诊断的任务故障诊断的任务n状态监测：n了解和掌握设备的运行状态。包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合设备的历史和现状，考虑环境因素，对运行状态作出评估，并为进一步分析提供信息n故障诊断：n根据状态监测所得信息，结合已知的结构特性和参数、环境条件及运行历史，对故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果2023/4/1017上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室故障诊断的任务故障诊断的任务n指导设备管理和维修：n根据故障诊断的结果，提出控制故障
10、继续发展和消除故障的对策或措施(调整、维修、治理)；为推进视情维修体制提供依据2023/4/1018上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义n有利于提高设备管理水平n“管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再生产的必要条件，而且能提高企业经济效益，推动国民经济持续、稳定、协调地发展n机械设备状态监测与故障诊断是提高设备管理水平的一个重要组成部分2023/4/1019上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义n避免重大事
11、故发生，减少事故危害性n现代设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。但是，当设备出现故障时所带来的影响程度也明显增大，有时不仅仅是造成巨大的经济损失，往往还会带来灾难性的事故n发展机械设备状态监测与故障诊断技术，并进行有效、合理的实施，可以掌握设备的状态变化规律及发展趋势，防止事故于未然，将事故消灭在萌芽2023/4/1020上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义n可以获得潜在的巨大经济和社会效益n生产设备停机、停工带来的单位损失越来越大n最大限度降低设备寿命周期费用，最大限度提高以生
12、产经济性为目标的管理n寿命周期费用(LCC)研制费用生产费用使用、维修费用 购置费用使用、维修费用 推行设备诊断技术和现代维修技术，有助于减少使用、维修费用，从而从整体上降低设备的寿命周期费用2023/4/1021上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义 举例举例n我国因机械设备事故造成的损失十分严重n1985年10月29日山西大同第二电厂20万千瓦2号机组因超速诱发轴系强烈振动，轴系断裂为五段，机组严重损坏，直接经济损失达1400万元；n1988年2月12日陕西秦岭电厂20万千瓦5号机组轴系发生突发性强
13、烈振动，轴系断裂为十三段，机组严重损毁，直接经济损失达3000万元；n对石化引进30万吨合成氨和40万吨尿素化肥厂中的五大透平压缩机组的初步调查结果表明，仅1977年和1978年的两年的不完全统计，机械事故就高达一百多次，遭受经济损失约有几个亿2023/4/1022上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义 举例举例n宏观上实施故障诊断能带来经济效益n1980年度美国用于设备维修的费用为2460亿美元，其中有将近1/3(约750亿美元)属于维修方法采用不当(包括缺乏正确的状态监测和故障诊断技术)而浪费掉的n
14、我国1987年国营工业和交通企业有40万个以上，总固定资产约为7000亿元，每年用于设备大修、小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的35%。因此，采用状态监测和故障诊断技术改善设备维修方式和方法后，一年就有可能取得数百亿元的经济效益2023/4/1023上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室开展故障诊断工作的意义开展故障诊断工作的意义 举例举例n对生产单位有很高的收益/投资比n日本资料报道，实施故障诊断后，事故率减少75%，维修费用降低25-50%n英国2000家大型工厂采用诊断技术后每年节省维修费用达3亿英镑，而每年用于投资故障诊断系统和技术
15、手段的费用为0.5亿英镑，从而净获益达2.5亿英镑/年n美国pekrul发电厂实施故障诊断技术后的经济效益达到其本身投入的36倍2023/4/1024上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室美国美国Pekrul电厂故障诊断效益分析电厂故障诊断效益分析2023/4/1025上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断技术基础监测与诊断技术基础n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语管理体制管理体制n监测与诊断工作是一个系统工程n首先要有设备
16、n其次要有懂专业的技术人员n更重要的是还必须有系统完善的管理体制2023/4/1027上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室基于振动基于振动(噪声噪声)测量与分析测量与分析n在这里所提及的状态监测与故障诊断，均是指基于振动测量与分析方面的技术n事实上状态监测与故障诊断是一门综合性极强、涉及面非常广泛、学科交叉渗透十分丰富的技术n除了应用振动分析方法之外，还可采用油液分析、红外热像、超声探伤以及温度、压力分析等多种不同技术2023/4/1028上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室基于振动基于振动(噪
17、声噪声)测量与分析测量与分析n振动是自然界中的一种很普遍的运动n机械振动信号中包含了丰富的机器状态信息，它是机械设备故障特征信息的良好载体n利用振动信号来获取机械设备的运行状态并进行故障诊断具有如下优点：n方便性：利用各种振动传感器及分析仪器，可以很方便地获得振动信号n在线性：振动监测可在现场不停机的情况下进行n无损性：在振动监测过程中，不会对被测对象造成损伤2023/4/1029上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室信号处理技术信号处理技术n信号处理技术是进行故障诊断的基础，是特征提取必不可少的工具n信号处理技术分为传统和现代两大类，其中：n传
18、统的信号处理技术是指以FFT为核心的信号分析技术，在实际运用中发挥着重要的作用n而近年来发展起来的现代信号处理技术在故障特征提取方面正崭露出头角2023/4/1030上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室(传统传统)信号处理技术信号处理技术Transfer FunctionTransfer FunctionFFT(Fast Fourier Transform)FFT(Fast Fourier Transform)CorrelationCorrelationPSDPSD特征提取技术特征提取技术2023/4/1031上海交通大学上海交通大学 振动、冲
19、击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室(传统传统)信号处理结果示例信号处理结果示例2023/4/1032上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理技术现代信号处理技术n现代信号处理的本质可用七个“非”字来高度概括，即研究：n非线性、非因果、非最小相位系统n非高斯、非平稳、非整数维(分形)信号n非白色加性噪声n为准确、有效地获得故障特征信息，目前重点是：研究和发展基于非高斯、非平稳及非线性故障信号的分析理论及方法n时频分布、小波分析、高阶统计量分析、循环平稳信号处理、非线性分析、2023/4/1033上海交通大学上海交通大学
20、振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理技术现代信号处理技术非线性非线性特征提取技术特征提取技术现代信号处理现代信号处理非平稳非平稳非高斯非高斯高阶统计量分析高阶统计量分析时频分布、小波分析时频分布、小波分析分形、关联维数分形、关联维数2023/4/1034上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-时频分布时频分布2023/4/1035上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-时频分布时频分布
21、2023/4/1036上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-小波分析小波分析n在时-频平面上，时间-频率分辨率是变化的n高频处：时间分辨率高、而频率分辨率低n低频处：时间分辨率低、而频率分辨率高小波基函数小波基函数时时-频平面上的分辨率频平面上的分辨率2023/4/1037上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-小波包分析小波包分析2023/4/1038上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击
22、、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-连续小波分析连续小波分析用用Hermitian小波变换探测小波变换探测正弦信号中的微弱准脉冲正弦信号中的微弱准脉冲用用Hermitian小波变换小波变换对含有微弱准脉冲和噪对含有微弱准脉冲和噪声的正弦信号进行分析声的正弦信号进行分析2023/4/1039上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-小波尺度与相位谱小波尺度与相位谱2023/4/1040上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果
23、示例现代信号处理结果示例-双谱分析双谱分析n非参数双谱定义为三阶累积量谱2023/4/1041上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-双谱分析双谱分析Input vector for LVQ:u 4 x 8 Peak values of projection of Bispectrumprojection of Bi-Sp2023/4/1042上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-双谱分析双谱分析Bi-Sp Metho
24、dMAC Method2023/4/1043上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号n循环平稳信号是一种带有隐含周期性的特殊非平稳信号，其统计特性表现为周期平稳性，或者说其统计函数呈周期或多周期(各周期不成比例)变化n旋转机械的振动信号，尤其是当故障发生时，往往表现为典型的周期性变化信号2023/4/1044上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号BPSKBPSK信号受到白
25、噪声和五个信号受到白噪声和五个AMAM干扰信号影响时的干扰信号影响时的SCD SCD 谱谱相关密度幅值相关密度幅值BPSKBPSK信号的谱相关密度信号的谱相关密度(SCD)SCD)幅值幅值白噪声和五个白噪声和五个AMAM干扰信号的干扰信号的SCD SCD 谱相关密度幅值谱相关密度幅值SCD-Spectral correlation density BPSK signal-Binary Phase-Shift Keyed signal2023/4/1045上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循
26、环平稳信号n给定调制信号x(t)=(1+cos(2p30t)+cos(2p70t)*cos(2p1000t)循环自相关函数循环自相关函数(CACF)2023/4/1046上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号循环频率30 Hz处的切片循环频率70 Hz处的切片60 Hz处的切片2023/4/1047上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-循环平稳信号循环平稳信号循环频率1970 Hz处的切片循环
27、频率1930 Hz处的切片2023/4/1048上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-盲源分离盲源分离n所谓盲源分离技术(Blind Source Separation)，是研究在未知系统的传递函数、源信号的混合系数及其概率分布的情况下，仅利用源信号之间相互独立这一微弱已知条件，从一组传感器测量所得的混合信号中分离出独立源信号的一种技术2023/4/1049上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-盲源分离盲源分离两个源
28、信号的波形两个源信号的频谱四个测量信号的波形四个测量信号的频谱盲源分离结果 2023/4/1050上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘nKDD从存放在数据库、数据仓库或其他信息库中的大量数据中发现有用知识的过程。Jiawei Han由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，由于在研究和应用领域，“数据数据数据数据挖掘挖掘挖掘挖掘(DM)DM)”比比比比“数据库中的知识数据库中的知识数据库中的知识数据库中的知识发现发现发现发现(KDD)KDD)”这个词更流行，因这个
29、词更流行，因这个词更流行，因这个词更流行，因此，现在多采用此，现在多采用此，现在多采用此，现在多采用“数据挖掘数据挖掘数据挖掘数据挖掘(DM)DM)”这个术语。这个术语。这个术语。这个术语。2023/4/1051上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘n数据挖掘用于知识库建立如何更好解如何更好解如何更好解如何更好解决同样的问决同样的问决同样的问决同样的问题题题题如何更新如何更新如何更新如何更新知识库知识库知识库知识库如何利用如何利用如何利用如何利用历史数据历史数据历史数据历史数据Data M
30、iningData Mining海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据海量数据知识库知识库知识库知识库2023/4/1052上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘nFayyad等人提出的过程模型（1996年）2023/4/1053上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘n数据挖掘的应用过程测试数据测试数据测试数据测试数据故障数据故障数据故障数据故障数据Data Mini
31、ngData Mining评估评估评估评估更新更新更新更新XXXX故障故障故障故障机机机机 器器器器现场数据现场数据现场数据现场数据分类规则分类规则分类规则分类规则现场评判现场评判现场评判现场评判2023/4/1054上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘vv美国美国美国美国MarquetteMarquette大学的大学的大学的大学的R.J.R.J.PovinelliPovinelli等人提出的等人提出的等人提出的等人提出的TSDMTSDM（Time Series Time Series
32、Data MiningData Mining）模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。模型，可以预测和特征化可调速感应电机的故障。定义定义定义定义TSDMTSDM目标目标目标目标测试时间序列测试时间序列测试时间序列测试时间序列2023/4/1055上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘正常正常正常正常电机电机电机电机扭矩扭矩扭矩扭矩信号信号信号信号3 3个栅条个栅条个栅条个栅条断裂后断裂后断裂后断裂
33、后的扭矩的扭矩的扭矩的扭矩信号信号信号信号3 3个端面个端面个端面个端面连接条连接条连接条连接条断裂后断裂后断裂后断裂后的扭矩的扭矩的扭矩的扭矩信号信号信号信号扭矩扭矩扭矩扭矩相空相空相空相空间图间图间图间图2023/4/1056上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘n德国DataEngine 4.0系统数据分析数据分析数据分析数据分析数据挖掘数据挖掘数据挖掘数据挖掘数数数数 据据据据预处理预处理预处理预处理获获获获 得得得得诊断模型诊断模型诊断模型诊断模型可视化可视化可视化可视化模糊逻辑
34、模糊逻辑模糊逻辑模糊逻辑神经网络神经网络神经网络神经网络2023/4/1057上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室现代信号处理结果示例现代信号处理结果示例-数据挖掘数据挖掘vv英国英国英国英国AstonAston大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个大学根据电力工业的需要，开发了一个MODIAROTMODIAROT（Model Based Diagnosis of Rotor Systems in Power Model Based Diagnosis of Rotor Syste
35、ms in Power PlantsPlants）系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方系统，整个系统采用神经网络和模糊逻辑等作为数据挖掘方法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备法，将设备在线测量数据与模型仿真输出进行比较，进而诊断设备故障。故障。故障。故障。采用先进计算采用先进计算方法比较方法比较信信信信 号号号号 处处处处 理理理理机机机机
36、 器器器器辨辨辨辨 识识识识2023/4/1058上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室可视化声源定位技术可视化声源定位技术n通过重建设备辐射的噪声场以直观的动通过重建设备辐射的噪声场以直观的动态图像来进行噪声源的识别和定位，为态图像来进行噪声源的识别和定位，为噪声控制、预测及故障诊断等提供依据噪声控制、预测及故障诊断等提供依据2023/4/1059上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室常用的声场可视化方法常用的声场可视化方法n近场声全息近场声全息（NAH）传统方法n基于边界元建模基于边界元建模（B
37、EM）的NAHnHELS方法方法（Helmholtz方程最小平方误差方程最小平方误差）n波叠加方法波叠加方法（Wave Superposition）n波束形成波束形成（Beamforming）2023/4/1060上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室可视化声源定位实例可视化声源定位实例汽车发动机电机2023/4/1061上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室6300 HzR 5 cm3150 HzR 10 cm4000 HzR 8 cm5000 HzR 6 cm汽车发动机声场图汽车发动机声场图 B
38、eamforming(66)近场声全息需要约 3300 个测点，才能识别这样的高频2023/4/1062上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断系统监测与诊断系统n引 言n学科范畴n学科发展意义n监测与诊断技术基础n监测与诊断系统n监测与诊断技术发展趋势n结束语监测与诊断系统监测与诊断系统n在完成状态监测与故障诊断的过程中，通常需要依靠一定的监测与诊断工具和手段，即需要有相应的计算机化的自动监测与诊断装置、仪器或系统2023/4/1064上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断系统前
39、的考虑监测与诊断系统前的考虑n建立监测与诊断系统之前应考虑如下问题：n经济性-应能够尽可能地节省投资；n可靠性-自身应具有更高的可靠性；n实用性-实用的功能，操作简便；n有效性-分析、诊断结果有效；n扩展性-较好的可扩展性和自开发性能。n一般情况下，根据经验企业用于设备状态监测与故障诊断的投资应占其固定资产的15。并且，随着设备复杂程度和技术先进性的增加，此项投资的额度还应有相应的增加2023/4/1065上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室监测与诊断系统的分类与选用监测与诊断系统的分类与选用n离线系统(巡检系统)n在线系统(集中式、分布式)n
40、远程系统(C/S结构、B/S结构)2023/4/1066上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室离线系统离线系统n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n采用定期巡回检测和离线分析的方式工作n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2023/4/1067上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室在线系统在线系统n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n适用于具有固定
41、监测点的大型连续运转的关键机械设备n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2023/4/1068上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室集中式结构集中式结构n是以单一(微型)计算机为主体的监测与诊断系统n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n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2023/4/1069上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室集散式结构集散
42、式结构n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n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2023/4/1070上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室分布式结构分布式结构-远程系统的雏形远程系统的雏形n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、
43、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2023/4/1071上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室分布式结构分布式结构-远程系统的雏形远程系统的雏形n分布式结构具有资源分散、结构模块性、工作并行性、协作自治性、系统透明性等优点。此外：n分散数据采集，集中状态监测、诊断和管理n可靠性高各现场工作站均能够独立完成分布式处理，各节点具有相对独立性，当某一节点发生问题时，并不影响其它节点的正常工作n可护展性和灵活性好由于采用了网络化结构，系统能在适应
44、新技术的发展过程中，方便地将落后设备从网上卸下、将更新设备挂到网上n功能强系统支持多用户、多任务，可承担较多的工作负荷n成本低网络接口集成度高，网络基础设施可与生产管理控制系统、MIS系统等共享，系统的整体性能价格比高2023/4/1072上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断的基本概念远程故障诊断的基本概念n基于Internet/Intranet的远程故障诊断是设备诊断技术与通信技术、网络技术、计算机技术以及控制技术相结合的产物n远程诊断跨越了企业与研究机构、企业与企业在时间和空间上的距离n学术界可以利用网上诊断服务器开设技术知识讲
45、座，对企业技术人员进行辅导和技术培训，同时发表有关的最新研究成果n企业界则可以利用监测服务器为研究机构提供宝贵的现场数据，向研究机构或其它企业提出咨询2023/4/1073上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断的基本概念远程故障诊断的基本概念n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n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n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n又有利于研究机构更准确、更有效的获得设备运行的第一
46、手资料，充实理论和技术研究2023/4/1074上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断系统的结构远程故障诊断系统的结构n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n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n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n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2023/4/1075上海交通大学上海交通
47、大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断系统的模型远程故障诊断系统的模型2023/4/1076上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断系统的基本要求远程故障诊断系统的基本要求n无成本客户端：客户端软件应当是一般用户桌面系统都具有的浏览器n廉价的系统维护：系统功能可以由用户添加组件进行扩展；系统性能可以通过远程升级组件获得提高n低廉的网络投资：用户可以充分利用企业内部已建立的Intranet，进行整个系统的构建n低廉的监测和诊断费用：各种(关键)设备可以共享同一套系统2023/4/1077上海交通大学
48、上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断系统的基本要求远程故障诊断系统的基本要求n知识共享：对于地域分布的大型企业集团，允许在一个地区获取诊断知识，然后通过中心知识库，让整个企业共享相同或相近知识n专家共享：能够通过网络汇集同行专家完成数据分析和故障原因会诊及评价n协作诊断：不同地区的诊断系统和专家可以在远程诊断中心的协调下组成一个大的诊断网络，通过对不同来源的诊断结果进行融合的形式，最终给出协作诊断的结论2023/4/1078上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程故障诊断系统的体系结构远程故障诊
49、断系统的体系结构n三层B/S结构体系n表示层(应用层)n逻辑层n数据层n工作模式2023/4/1079上海交通大学上海交通大学 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室远程在线监测与诊断系统示例远程在线监测与诊断系统示例nVSN-NetMDS现场监测站现场监测站DB DB ServerServerWeb ServerWeb Server分析工作站分析工作站企业监测中心企业监测中心现场监测站现场监测站DB DB ServerServerWeb ServerWeb Server企业监测中心企业监测中心DB DB ServerServerWeb ServerWeb Server远
50、程诊断中心远程诊断中心InternetInternet诊断计算工作站诊断计算工作站计算工作站计算工作站分析工作站分析工作站 计算工作站计算工作站领域专家领域专家领域专家领域专家ADSLADSLModemModemISDNISDNISDNISDNCERNETCERNETVXIVXI系统系统主控机主控机VXIVXI系统系统主控机主控机防火墙防火墙防火墙防火墙防火墙防火墙远程诊断中心远程诊断中心企业监测中心企业监测中心现场监测站现场监测站“十五十五十五十五”国家科技攻关计划重点项目支持国家科技攻关计划重点项目支持国家科技攻关计划重点项目支持国家科技攻关计划重点项目支持2023/4/1080上海交通大