什么是状态监测，为什么预防机械故障如此重要？

由數據採集專家 Grant Maloy Smith 撰寫

机器损坏，不可避免。运用状态监测工具，工程师可以准确预测何时可能发生这种情况。在本文中，我们将学习:

• 为什么 机器会失灵？
• 存在哪些类型的机器维护？
• 为什么 预防机器故障很重要？
• 机器状态检测究竟是什么？

为什么机器会失灵？

机器故障的原因各不相同，所有的故障也不尽相同。当机器不再按照它们设计的方式运行时，它们就会失灵或失去它们的用处。

图1: 机器灾难性故障

这种失效的情况主要分为三类:

• 表面退化
• 过时
• 事故

机器零件的表面退化在绝大多数情况下，导致机器失效，主要包括机械磨损和腐蚀。

为什么预防机械故障如此重要？

由于设备故障造成的生产中的每一个意外停机都会对公司的产能、维修和其他成本、收入、利润以及最终的竞争力产生重大影响。据估计，停机时间造成的汽车制造商费用约每分钟22,000美元或每小时140万美元。这就是为什么设备拥有者不断寻找方法，以消除故障，同时保持维修成本在最低可能的水平。

此时状态检测作为预防性维护的基础来发挥作用。

适当的状况检测有助于公司:

• 降低维修成本
• 降低维护成本
• 延长工厂的寿命
• 提高人员安全
• 增加收入
• 提高盈利能力

Figure 2: Machine Condition Monitoring Benefits

机器维护保养的种类

通常有几种不同类型的机械维修，但一般来说，我们把它们分为两类:

• 预防性维护
• 矫正性维护

什么是矫正性维护?

纠正性维护是在故障发生后进行纠正的技术。它用于成本非常低，易于更换的机器，它们的故障不会显著影响生产力。 

什么是预防性维护?

预防性维护是在故障发生之前进行维护的技术。最典型的预防性维护技术有:

• 基于时间的维护 (TBM)
• 预测维护
• 基于状态的维修 (CBM)

1736年，当本杰明·富兰克林在费城倡导更好的火灾预防时，他提出的著名主张是，“一盎司的预防抵得上一磅的治疗。”当然，防火总比灭火好。这种常识性的方法是预防性维护的核心。

基于时间的维护 (TBM)

定期进行基于时间的维护。指不考虑物品的实际状况而更换物品。通常是按照机器制造商规定的时间间隔执行，并以平均故障间隔时间(MTBF)数据为基础。 

预测维护

预测性维修的目标是根据从状态监测系统获得的数据，预测故障何时发生。当工程师收到问题正在发展的警告时，他们可以采取措施，在进行维护时将受影响的系统移出关键位置。当问题解决后，他们会无缝地将其移回原处。因此，预测维护离不开状态监测。 

基于状态的维修 (CBM)

基于状态的维护(CBM)是一种维护策略，它监视资产的实际状态，以决定需要进行哪些维护。CBM 规定，只有在某些指标显示性能下降或即将出现故障的迹象时，才应进行维护。

什么是机器状态监测？

机器状态监测是在机械设备正常运行过程中，对其状态进行检查的过程。它包括数据采集、数据处理和与趋势、基线和来自类似机器的代表性数据的数据比较。

Dewesoft进行机器状态监测

机器状态监测的背景

人们在每次看医生进行健康检查时都要接受状况监测。为了了解病人的一般健康状况并跟踪疾病的演变，根据病人的年龄和状况，还包括几项检查。

图3: 健康检查

通常，体检包括:

• 问诊：医生让病人描述他的症状。
• 听诊：医生用听诊器听身体的声音，如心跳、水声、颈动脉和股动脉的声音。
• 心电图: 这个检查对应于心脏的电活动，通过放置在脚踝，手柄和胸部的电极。
• X光胸片：它能检测出胸部，肺部和心脏可能出现的问题。

工业上，对机器的状态监测的机器医生被称为预测性维护工程师(PdM’s)。他们的作用是使用诊断系统，以最小的生产停止和最小的维护成本，防止意外的生产停机和灾难性故障。他们检查什么参数？有大量的参数，可以检查范围从外观检查，油位，油碎屑，温度，腐蚀，振动，压力等。

状态监测的发展很早以前就开始了一些非常简单的测量。1850年后期，铁路维修技术人员使用车轮攻丝锤检查机车车轮的状态。通过敲击车轮并分析声音，他们能够评估车轮的状态(有裂缝的车轮发出沉闷的声音)。

图4: 车轮敲击器

电子学和软件开发的长足进步正在大大改变机器状态监测的方法，使其更易于使用和更可靠。

状况检测应用

状态检测适用于成千上万的工业场景，但最著名的包括:

• 各类工业厂房及设施: 变速箱，UPS，交流电，电动机，风扇，泵。
• 纸浆及纸张: 鼓风机、传送带、削片机、切片分级机、精炼机、压力筛、螺旋输送机、搅拌机、压力监视器、毡辊等。
• 钢铁: 原料搬运机、输送带、卸船机、电镀厂、堆取料机、连续铸造机、起重机、轧钢机、退火机械，以及泵、风扇和变速箱等。
• 汽车: 风洞，空气处理装置和油漆车间的泵，以及压力机和转印机等。
• 水泥: 破碎机，齿轮箱，传送带，分离器，风扇，原料磨，球磨机，电梯和鼓风机。
• 发电厂: 燃气轮机、汽轮机、水泵等。

机器状况监测步骤

为了成功地进行机器状态检测，必须遵循以下步骤的结构良好的方法:

• 第一步: 设立设备登记册
• 第二步: 机械状态及其对设施运行的临界性评估
• 第三步: 为每个可用资产确定适当的机器状态监测技术
• 第四步: 市场上现有技术的选择
• 第五步: 安装状态监测系统
• 第六步: 数据收集和数据解读
• 第七步: 维护任务的确定

让我们详细看看每个步骤。

第一步: 设立设备登记册

这个步骤旨在建立一个所有生产设施资产的登记册。登记册通常包括:

• 工艺图纸
• 线路图
• 每台机器的精确细节(型号、速度、联轴器、动力等)
• 容易找到资产状况
• 唯一身份编号

第二步: 评估机器状态及其对设备操作的临界性

回顾过去的设备故障，分析MTBF (平均故障间隔时间) and MTTR (平均维修时间)，平均维修和更换成本，停机时间成本，二次损坏的风险。这将有助于我们识别和选择正确的机器状态监测技术和技术。

第三步: 为每项可用资产确定适当的机器状态监测技术

目前有几种机器状态监测技术被用于机器状态的评估。让我们来看看最常用的一些。

温度监测

在过去的几十年中，它已被用于机器健康评估。有几种温度监测方法，范围从被动，非接触(使用红外摄像机)到主动传感器为基础(使用热电偶和热电阻)。

红外扫描可以给出机器或控制电子设备的一个很好的概述，并指出过热的问题。接触测量在润滑相关问题的早期检测中非常有用，但在检测诸如轴承裂纹和断裂等物理损伤方面却没有那么有用。

图5: 使用热成像相机测量温度

振动监测

这是一个非常古老和最常用的方法来评估机器的状况。它帮助我们发现故障并了解其根本原因。加速度计用于监测在宽频率范围内振幅的变化。振动监测使您能够在故障前了解诸如不对中、不平衡、松动、齿轮问题或轴承磨损等现象。

图6: 振动监测与数据采集系统

声发射

声发射传感器在故障早期检测方面的诸多优点，近年来越来越多地被用于基于状态的监测。但是，由于其工作频率高(几KHz至MHz) ，而且与市场上其他现有解决方案相比价格昂贵，因此，它不是永久性监测装置的适当方法，因为它存在大量数据存储需求的问题。也很难确定传感器测量的声音来源。

超声波检测

这是一种非常具有成本效益的技术，尤其用于回答机器是否健康的最初问题。超声波探测器通常测量频率范围在30 kHz至40 kHz之间的声压波。

压力波是用一个共振传感器测量的，它把波转换成一个小的电荷。它通常与振动监测技术密切配合使用。技术人员通常使用超声波从坏机器中过滤出好机器，然后对坏机器进行深入的振动分析，找出问题的根本原因。

油品分析

通常在实验室进行化学试验，以确定油品的状态。目前已有用于永久性油品质量监测的摩擦学传感器。结果表明是否应该换油。

这种技术很少用于评估资产的状况，而是更多地用于确定润滑油的状况(粘度、碱度等)。然而，油位和质量跟踪是非常重要的，以防止昂贵的维修。

图7: 机油分析

第四步：选择市场上现有的技术

到目前为止，我们已经了解到，对于机器健康状况监控，有各种各样的可用技术。每个维修技术人员的最佳策略将是使用所有这些组合，以获得最佳的效果。然而，由于预算和时间的限制，振动诊断结合温度测量已被证明是迄今为止最有效的。

第五步：安装状况监测传感器

状态监测传感器的安装对其性能至关重要。不正确的安装很可能会给你的数据，不仅涉及到条件的变化，而且还涉及到传感器本身的不稳定。因此，将使传感器的数据不可靠。

图8: 频率范围和传感器安装方法示意图

有几种不同的安装方法:

• 蜡装：这是非常方便，但我们不建议使用这种方法安装加速度计。蜡的厚度不一致和阻尼效应(低刚度)使得在较高频率下的结果是不可靠的。
• 粘贴： 非常适用于不能钻孔，和使用螺柱的场景。
• 磁座安装：适用于故障排除或定期测量。磁性安装适配器用于将加速度计附加到铁磁材料上。
• 螺柱安装：非常适合长期和高频振动监测。

振动传感器应该安装在能够确保测量垂直、水平和轴向运动的位置: 为了检测不平衡和轴承问题，需要进行水平测量。在这种情况下，传感器应该安装尽可能接近电机轴承和泵轴承。

为了检测结构刚度或基础的松动和问题，需要用放置在电机和泵驱动端轴承附近的传感器进行垂直测量。

为了检测电机和负载之间的不对中，需要进行轴向测量。在这种情况下，传感器应该贴近电机和泵驱动端轴承。

加速度计的安装应尽可能靠近被测振动源。安装在一个清洁，平滑，平坦，没有划伤的表面上通过钻孔和攻丝孔是强烈建议，以获得一个稳定的位置的传感器，特别是当测量高频振动。确保螺丝不要比螺纹孔长。传感器和被测物体之间应该没有间隔。

在不允许钻孔的情况下，可在机械上使用具有金属性能的胶水。这确保了良好的振动过渡。

第六步：数据收集和数据解读

机器在和我们说话，但不幸的是，它们不会说英语或任何人类能听懂的语言。它们通过机器运转时产生的振动信号进行通信。因此，了解振动对于评估机器状态是非常必要的。但是我们该怎么做呢？

为了将振动信号转换成人类可读的语言，我们使用了所谓的振动诊断工具，它由三个主要部分组成:

• 传感器
• 数据采集硬件
• 状况监测软件

传感器

传感器是连接到测量点上的设备，其目的是检测物理现象、事件或变化，并将其转化为成比例的电值。不同的传感器用于状态监测，范围从位移传感器、加速度计、冲击脉冲传感器和速度传感器。

它们每一个都符合它们被开发出来的目的。主要区别在于它们在特定频率范围内提供的准确性:

• 位移传感器在0 Hz 到200 Hz 的频率范围内性能良好。
• 速度传感器是一个完美的适合从2 Hz 到1kHz 的中频。 
• 加速度计是最好的范围从5Hz-20kHz。 

除了精度和频率范围之外，在选择传感器时还要考虑其他一些因素，如:

• 温度范围
• 重量
• 尺寸
• 动态范围
• 灵敏度
• 价格
• 隔离
• 安装可能性
• IP防护等级
• 无线或有线

为了选择正确的方法，你需要了解你要测量的是什么。

为了测量平稳信号(DC)或甚低频信号位移传感器被称为电涡流接近探头。这些传感器通过感应参考线圈产生的磁场的变化来检测目标的存在。接近探头用于非接触式位移测量，通常需要永久安装在机器上。

图9: 电涡流传感器的工作原理

测量振动最常用的传感器是加速度计。有几种类型的加速度计。最常用的是:

• 电容式微机电系统
• FBA (力平衡加速度计)
• 压电加速度计 (IEPE 加速度计)

加速计可以是无线的，也可以是有线的。无线加速度计很容易安装，因为不需要电缆，但是在动态(高速)情况下完全不合适，由于电池寿命的限制，需要实时测量。

图10: 带有振动和温度传感器探头的永久性单通道数据采集模块

数据采集器-数据采集硬件

数据采集硬件的目的是将电信号(模拟信号)转换成数字信号。

图11: 多通道高端数据采集系统

数据采集系统的关键要素是:

• 信号调理
• 模数转换器 (ADC)
• 计算机接口/总线

信号调理

信号调理是数据采集单元电路的一部分，它准备来自传感器的模拟信号，以便由 ADC 采集。信号调理电路通过放大、滤波、衰减和可能的隔离来转换信号。

模数转换器 (ADC)

模数转换器是一种集成电路，它把信号调理电路中的模拟信号转换成数字信号，然后再送到计算机进行进一步的计算。ADC转换器的主要特性是分辨率和采样率。

计算机接口/总线

它是数据采集单元和计算机之间的通信接口。市场上有几种可用的选项，包括 PCI、 USB、以太网、 Wi-Fi，其上可以实现不同的协议，如 TCP/IP、 EtherCAT、 ProfiNet 等。通信接口的选择主要取决于所需的数据速率、设备的空间分布和环境(实验室或工业)。

与加速度计类似，市场上也有许多由数据采集硬件和软件组成的数据采集系统。当我们更深入地了解它们的工作原理、可靠性、软件特性、测量的可重复性、使用方法(便携式或永久/在线)、分布式与集中式等等时，它们之间仍然存在很大的差异。

状况监测软件

状态监测软件可以有目的地建立特定机器的状态监测，或者可以重新配置，从而适合于复杂的机械诊断应用。

图12: Dewesoft 基于条件的监控造纸厂用户界面

该软件可以是非常基本和易于使用的，只提供一些总体的统计值。在其他情况下，该软件可以具备所有必要的特性来分析从数据采集设备获得的原始数据。它还具有长期的历史数据存储和趋势可视化的可能性，使用户能够检测所有可能的机器故障。最好的软件解决方案也提供了直接连接和数据传输到第三方分布式控制系统在不同的可用协议。

状态监测软件供应商之间在获取数据方面也存在差异。可以基于计算机的本地访问或基于网络的远程监控软件。

监测典型机器故障的软件工具:

第七步：维护任务确定

当桌面上摆着所有的数据，你将采取适当的维护行动，你需要解释加速度，位移，温度和其他数据收集使用上述软件工具。

有两种方法可以做到:

• 由合格的预测维修工程师(PdM)手工操作。他们可供雇佣，也可以为提供 PdM 服务的公司外包。
• 使用市场上现成的预测维护软件解决方案进行自动数据解读。

两种选择都有它们的优点和缺点。合格的 PdM 通常价格昂贵，并且需要花费大量时间分析数据。然而，一旦他们了解了机器的细节，他们可以非常可靠地预测他们的故障，并提前设置适当的计划维护任务。

另一方面，预测性维护软件解决方案虽然便宜，但是远远不够可靠。想想有多少不同类型的设备存在，在多少不同的环境和条件下工作。因此，不可能为所有这些国家设定一个独特的基线，也不可能为警告设定独特的阈值。

当前，最好的解决方案可能是结合使用的自动和人工方式，前者用于非关键，而后者应用于关键机械。

结论

运用适当的机器状态监测解决方案可以提高机械设备的效率。系统的选择取决于资产的重要性、更换/故障的成本、资产查看的可能性、监控成本和预期故障发展速率。

便携式、低成本系统通常用于重置成本低、故障发展速度慢的非关键性资产。

然而，近年来技术的巨大进步使得永久监控解决方案变得非常具有成本效益。随着成本的降低，可靠性和工作效率的提高，越来越多的客户选择永久性解决方案。