本文介紹了工程機械行業(yè)的特點，詳細闡述了設備故障診斷技術，進而結合設備故障診斷技術及計算機網(wǎng)絡技術提出了基于集成媒體“看門狗”式的機電一體化產(chǎn)品的工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)的構架。對工地上機械設備故障迅速診斷、盡快修復，保證施工正常進行具有十分重要的意義。

　　近年來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，一些高等級交通樞紐成了必要的建設項目，由此，對土木工程的施工工期，施工進度，施工質(zhì)量等提出了更高的要求。對于那些工程量大，工期緊，工程質(zhì)量要求十分嚴格的工程項目，必然要用現(xiàn)代化程度很高的施工機械設備來完成。從某種意義上講，施工機械對工程施工起著決定性的作用。然而，由于施工機械多系露天作業(yè)，受風雨、日曬、大氣、粉塵影響和侵蝕，工作環(huán)境十分惡劣，故障頻繁；加之，施工生產(chǎn)的特性決定了它們工作在各工地上，分散性大，流動性強，給故障的及時排除帶來了很大困難。尤其近年來隨著施工規(guī)模日益龐大，現(xiàn)代的機械設備也日趨大型化、連續(xù)化、機電一體化，其性能與復雜程度不斷提高，對設備故障的診斷也更為復雜�？總鹘y(tǒng)的填寫值班日志、靠參數(shù)越限報警等人工或半自動化的方法來維護機械設備既落后，又不客觀，雖然可以有類似黑匣子之類的自動數(shù)據(jù)記錄器，但也只能做事后分析。而且這種陳舊的設備維護模式，無論是數(shù)據(jù)的可靠性或實時性，還是設備的維護質(zhì)量均無法滿足要求，導致施工機械在施工過程中停機多，檢修時間長，嚴重影響到工程的進度和質(zhì)量。所以，為了保持處于異地的施工設備良好的技術狀態(tài)，將異地的信息技術協(xié)調(diào)起來進行實時診斷和維護是很必要的，建立遠程故障診斷及維護系統(tǒng)是解決問題的很好的方法。

　　遠程故障診斷技術就是通過設備故障診斷技術與計算機網(wǎng)絡技術相結合，在施工機械設備上建立狀態(tài)監(jiān)測點，采集設備狀態(tài)數(shù)據(jù)；而在技術力量較強的科研單位建立診斷中心，對設備運行進行分析診斷的一項新技術。遠程故障診斷與維護的實現(xiàn)可以使機械設備的故障診斷更加靈活方便，也能實現(xiàn)資源共享。

　　1 工程機械故障診斷及維護技術的行業(yè)特點

　　工程機械故障診斷及維護技術作為一個新興而特殊的行業(yè)，隨著現(xiàn)代維修理論、相關基礎學科理論和各種檢查技術、工藝手段的不斷發(fā)展而發(fā)展和完善。它有三個主要特點：

　�。�1）目的明確

　　診斷的目的就是要確定機械運行狀況、檢查故障部位、分析故障產(chǎn)生的原因和制定經(jīng)濟有效的維修方案。

　�。�2）交叉性強

　　診斷及維修涉及摩擦學、材料學、力學、化學等多種學科；包括機械制造、金屬結構、液壓、電氣和制動化等相關專業(yè)；需采用焊接、鑄造、車、鉗、鍛、鍍等多種工藝手段；要掌握維修理論，機構學及經(jīng)營管理等多方面知識。

　�。�3）工作環(huán)境惡劣，實踐性強

　　一切診斷方法和維修技術都必須以機械的實際狀況為基礎，處理結果很快得到實踐驗證。

　　2 故障診斷技術

　　設備故障診斷技術包括故障檢測與故障診斷，通常合在一體統(tǒng)稱為故障檢測和診斷（FDD）。

　　2.1故障機理

　　通常我們說設備工作正常是指它具備應有的功能，沒有任何缺陷，或雖有缺陷但仍在容限范圍內(nèi)。異常是缺陷有了進一步發(fā)展，使設備狀態(tài)發(fā)生變化，性能惡化，但仍能維持工作。故障則是缺陷發(fā)展到使設備性能和功能都有所喪失的程度。

　　設備的異常或故障是在設備運行中通過其狀態(tài)信號（即二次效應）變化反映出的。由于監(jiān)測與故障是在設備不停機的情況下進行的，因此必然以狀態(tài)信號為依據(jù)。二次效應就是設備在運行中出現(xiàn)的各種物理的、化學的現(xiàn)象，如振動、噪聲、溫升、油耗、變形、功耗、磨損、氣味等，這些都是一種設備運行所固有的。監(jiān)測與診斷就是要快速、準確地提取設備運行時二次效應所反映的特征。

　　2.2故障診斷過程

　　2.2.1狀態(tài)監(jiān)測

　　主要是測取與設備運行有關的狀態(tài)信號。狀態(tài)信號是故障信息的唯一載體，也是診斷的唯一依據(jù)。因此在狀態(tài)監(jiān)測中及時、準確地獲取狀態(tài)信號是十分重要的。

　　狀態(tài)信號的獲取主要是依靠傳感器或其它監(jiān)測手段進行故障信號的檢測。檢測中主要有以下幾個過程：

　�。�1）信號測�。褐饕�是通過電量的或傳感器組成的探測頭直接感知被測對象參數(shù)的變化；

　　（2）中間變換：主要完成由探測頭取得的信號的變換和傳輸；

　　（3）數(shù)據(jù)采集：就是把中間變換的連續(xù)信號進行離散化過程。數(shù)據(jù)是診斷的基礎，能否采集到足夠長的客觀反映設備運行狀態(tài)的信息，是診斷成敗的關鍵。

　　2.2.2特征提取

　　就是從狀態(tài)信號中提取與設備故障有關的特征信息。

　　2.2.3故障診斷

　　故障診斷就是根據(jù)所提取的特征判別狀態(tài)有無異常，并根據(jù)此信息和其它補充測試的輔助信息尋找故障源。

　　2.2.4決策

　　根據(jù)設備故障特征狀態(tài)，預測故障發(fā)展趨勢，并根據(jù)故障性質(zhì)和趨勢，做出決策，干預其工作過程（包括控制、調(diào)整、維修等）。故障診斷基本過程如圖1所示：

　　2.3診斷原理

　　設備診斷是利用被診斷的對象（設備）提供的一切有用信息，經(jīng)過分析處理以獲得最能識別設備狀態(tài)的特征參數(shù)，以便做出正確的診斷結論。機械設備運行時產(chǎn)生多種信息，當其功能逐漸劣化時，就出現(xiàn)相應的異常信息，如機器的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的異常振動、噪聲、溫度等機械信號；機械劣化過程產(chǎn)生的磨損微粒、油液及氣體成分變化的化學信號等。利用檢測儀器對最敏感的故障特征信號進行狀態(tài)監(jiān)測，做出正確的分析和診斷，可以及時預測機器設備可能發(fā)生的故障。圖2為診斷技術的工作原理。

　　傳感器安裝在診斷對象（設備）上，以傳遞溫度、壓力、振動、變形等信號，這些信號進一步轉化為電信號，輸入到信號處理裝置，在信號處理裝置中將輸入的診斷信號與預先儲存在系統(tǒng)內(nèi)的標準信號進行比較，標準信號是根據(jù)事先積累的大量數(shù)據(jù)資料和實際經(jīng)驗分析歸納而制定出來的判定標準，是設備各種參數(shù)的允許值。通過比較做出判斷，確定故障的部位和原因，預測可能發(fā)生的故障。

　　3 工程機械故障診斷及維護系統(tǒng)

　　由于工程機械故障的多樣性、突發(fā)性、成因的復雜性和進行故障診斷所需要的知識對領域專家實踐經(jīng)驗和診斷策略的依賴性；人工神經(jīng)網(wǎng)絡能通過自身的學習機能建立故障征兆和故障模式之間的復雜映射關系，可以進行多因素預測。因此，基于工程機械自身的工作特性和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)越性，提出了如圖3所示基于集成媒體“看門狗”式的機電一體化產(chǎn)品的工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)的構架。

　　3.1系統(tǒng)簡介

　　系統(tǒng)通過一個基于神經(jīng)計算算法的“看門狗”智能單元對機械運行狀態(tài)進行在線分析和推理，對機器的工況及相關信息做出相應評價；還可以通過電話線與遠程單元相連，以便在異地獲取機器工況及其性能信息，并以此做出評價。據(jù)此給出具體的維修策略與預防措施，對故障進行及時的修復和預防，確保機械始終處于良好的運行狀態(tài)。“看門狗”單元及其工作原理如圖4所示：

　　知識密集型智能工具“看門狗”可以隨時對機器工況進行跟蹤，獲取和組織機器及其周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。“看門狗”芯片作為機器的“黑匣子”，可以儲存主要部件的狀態(tài)“軌跡”。一旦發(fā)生失效，操作者可以讀取“黑匣子”，獲得最近幾分鐘的工況信息，迅速確定故障，并給予及時修復。當機械設備出現(xiàn)新的故障時，通過自學不斷調(diào)整權值、閥值，以提高故障的正確檢查率，減低漏報率和誤報率。這些基于知識的信息同樣可以為其他站點的用戶所共享。

　　3.2系統(tǒng)優(yōu)點

　　遠程故障診斷及維護系統(tǒng)的一個突出優(yōu)點在于進行協(xié)作診斷和維護，及時排除故障。

　�。�1）故障工況數(shù)據(jù)收集。通過遠程診斷系統(tǒng)，可以積累更多的機器/過程的故障工況，由此，從各遠程站點獲取的故障工況中可以開發(fā)更好的診斷算法。

　�。�2）故障診斷。不同地點的專家可以訪問服務器中存放的有效信息，因此，分散在各站點的知識可以集成起來完成更復雜的協(xié)作診斷。

　�。�3）遠程服務系統(tǒng)提供了多種類型的信息。例如在線的過程/機器傳感數(shù)據(jù)，故障/性能下降的歷史數(shù)據(jù)等。進行性能評價時，必須對這些信息加以整體考慮。

　　3.3進一步研究方向

　　在線傳感是遠程服務系統(tǒng)的基礎，由于機器及其所處環(huán)境的復雜性，可能要用到各種類型傳感器。一個機器故障（例如軸失衡）的出現(xiàn)會引發(fā)不同的征兆（例如振動、溫度變化、電機負荷變化等），這些可由不同的傳感器（例如加速度計、熱電藕、電機電流等）測量獲取。因此需要有多種數(shù)據(jù)采集協(xié)議的支撐。同樣，一個傳感器也可以感知同時發(fā)生的不同故障，并且當運行條件發(fā)生變化時，其靈敏度也會不同。因此，傳感信息融合的自適應能力是非常重要的，這樣將有利于提高診斷策略的可靠性。此外，還需要研究面向目標的傳感器優(yōu)化布置策略，通過實現(xiàn)知識與經(jīng)驗的共享和學習，實現(xiàn)遠程診斷中的上述技術。隨著遠程服務活動的擴展，將會有更多的機器/過程連接到遠程診斷系統(tǒng)上，因此應該致力于開發(fā)用于傳感系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的綜合工具。

　　對于遠程診斷系統(tǒng)，在目前的網(wǎng)絡建設條件下，大量數(shù)據(jù)遠程傳輸過程是一個瓶頸，必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術對大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和取舍，如何選取一種切實有效的數(shù)據(jù)壓縮技術是傳輸中的一個關鍵問題。

　　4 結語

　　故障診斷技術使設備維修從傳統(tǒng)的按時維修及故障維修轉換到預報及主動維修方式；而建立在對設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的基礎上的工程機械遠程故障診斷及維護系統(tǒng)，能較準確地診斷出故障發(fā)生的時間和部位，從而及時確定維修時間及內(nèi)容。

　　遠程故障診斷技術目前還處于發(fā)展初期，還有很多問題尚待解決，這包括故障診斷技術本身要解決的問題及網(wǎng)絡技術的問題。但是，無論是從經(jīng)濟觀點出發(fā)，還是從整個施工來考慮，借助Internet，準確、及時、有效地實現(xiàn)工程機械遠程故障診斷的方法都值得關注和研究。

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