工业设备状态评价模型的建立

工业设备状态评价模型的建立

王雷

王雷

华蓝设计（集团）有限公司广西南宁530011

《科技新时代》2月

摘要：状态检修是目前工业发展的一个趋势，如何能够在设备还未出现故障之前对运行状态进行一个正确的评价。并以此为依据，对设备的检修维护做出合理的计划安排。将会对设备运行的安全性和经济性的提高有很大的知道意义。本文将对状态评价模型的建立过程进行一个简要的描述。

关键词：状态评价、劣化度、阈值

1状态评价的构成

工业设备的状态评价由一次状态评价和反馈评价两个部分组成，一次状态评价，即通过实时监测到的能反应设备运行状态的特征参数的数据和合理的计算分析对设备的健康情况做出评估。反馈评价，即当发现设备劣化度达到一定程度时，利用预测系统做出的预测结果数据，对设备可能在未来某一段时间的运行状态做出状态评价，并将结果反馈到状态评价模块，形成二次反馈评价。以预测设备可能发生故障的机率。

一个完整的状态评价过程由：选择特征参数、采集和处理特征参数的数据、计算劣化度、状态评价结果及分析，共5个部分组成。如图1-1：

图1-1状态评价构成

（1）特征参数的选择，分析设备结构原理和常见故障，可以确定出能够反应设备运行状态的特征参数。

（2）特征参数的数据采集和处理，通过各种在线、离线的监测手段和实时运行数据库，来获得数据。并将数据存储于存储模块中，对各特征参数分配相应的评价权重，为状态评价提供数据支持。

（3）劣化度的计算，劣化度就是在设备运行的过程中运行状况偏离最佳的运行状态的程度。将数据做劣化度计算以后的结果，即可用于状态评价。

（4）状态评价结果及分析，通过利用模型运算而获得到的状态评价数据，对设备的运行情况进行评价。给出最终的评价结果。

2状态阈值的设定

一个领域或一个系统的界限称为阈，其数值称为阈值。将状态评价中各种状态的界定值，称为状态阈值。

状态阈值的设定对能否对设备的运行状态做出准确的评价起着至关重要的作用。报警阈值设的太高，当设备已经达到故障状态而不能报警，则达不到监测的目的。反之，报警阈值设的太低，当设备还处于健康状态的时候就发出报警，同样失去了状态评价的意义。可见，状态阈值的设定必须准确，才能保证所得到的状态评价结果具有指导检修决策的意义。阈值的设定和设备的劣化过程密不可分，如图1-2：

图1-2设备的劣化过程和阈值的设定

当设备在正常区域工作时，设备的各项性能都是最好的，平时只要做一些日常的检查和维护。当设备进入劣化区域工作时，设备发生故障的可能性大大增加，需要加强监测，但不需要采取检修措施。当状态值超过报警值后，设备便进入到了危险区，系统会发出警报，启动故障诊断程序。此时设备发生事故的可能性非常大，运行人员此时应采取降低故障发生几率的措施。密切关注设备的参数变化情况。当诊断系统确定了可能诱发故障的原因和故障可能发生的部位后，启动状态预测系统，为决策者制定合理、及时的检修计划提供依据。当设备特征参数中的某一个或几个达到保护值时，则设备直接进入到了故障状态。此时，应立即停止设备的运行，采取紧急检修。

状态阈值的设定方法：

（1）标准状态阈值的设定

根据各特征状态参数的标准值来确定设备状态参数的阈值。在ISO2372和ISO10816Z国际标准中，将设备的4种振动状态划分为对应的4个振动等级：

I级振动—良好状态：此时设备处于良好的运动状态。

II级振动—容许状态：振动已经超过最佳范围，但此时对设备的工作性能还没有造成较大的影响。

III级振动—可容忍状态：此时设备的振动情况已经非常严重，不适合坚持运行，在特殊情况下不能停机维修时，可短时间维持运行。需尽快停车检修。

IV级振动—不允许状态：此时设备的振动情况已经不能再坚持运行，必须马上停止运行，进行检修。

根据以上4个振动等级的划分，需设置3个设备状态阈值，如报警值、警告值、跳闸值等。

（2）统计状态阈值的设定

有些状态参数的阈值不能通过标准可以参考。对这种状态参数，需要大量记录整理这种状态与状态值对应的数据。计算出各个状态阈值的均值S0和标准偏差值σ，即可由下式确定各级状态阈值：

Si=S0+kiσ（3-1）

式中，Si—第i级状态阈值，ki—根据设备的使用情况和重要程度来确定。

（3）变化率状态阈值

正常来讲运行设备的状态参数，应在某一正常值的附近上下波动。当参数在没有人为改变的因素参与下，以较快的速率偏离正常值时设备可能发生故障。但此时可能状态参数还没有达到状态阈值，而没有发出警报。因此，需要设定变化率状态阈值，在设备状态参数变化率较大时，发出报警。提醒运行人员，采取相应的措施。

3选择控制方程的离散格式

根据设备的参数变化范围和设备的实际工作性能的变化，可将设备的运行状态划分为以下4个状态：

一级—设备运转处于最佳的状态，系统继续对参数变化情况进行监控，将获得的数据存储于系统的数据库中。

二级—此时对设备的运行状态并不会产生很明显的影响，但设备运行安全性和经济性会有所降低。对状态参数变化的趋势要密切关注。

三级—设备的运行状态性能达到了临界点，虽然还能勉强维持运行，但需要密切关注运行状况，加强巡检。发现异常及时汇报，而系统则发出报警，提示运行人员应密切关注设备的状况。并启动状态评价程序，对系统的状态做出评价，形成评价报告。评价报告应包括：可能发生故障的潜在危险点、征兆和原因、并预测设备可能坚持运行的时间。

四级—设备的运行状态性能已经突破临界点，必须立即停车，进行检修维护。

4劣化度的计算

劣化度是指状态评价参数偏离标准值的程度，即在某一时刻的状态评价参数隶属于最佳状态的程度，其取值范围是[0,1]。是设备状态评价计算的指标参数。当设备的劣化度为0时，则该设备此时正处于运行的最佳状态。当设备的劣化度为1时，设备此时则处于运行状态最差状态，即故障状态。

一般确定设备劣化度方法有以下三种：

（1）对于可利用各种检测方法获得的状态参数，其劣化度的计算方法：

或(1-1)

式中：—表示设备处于正常运行状态时，设备的特征状态参数值。

—表示实际测得设备特征状态参数的实测值。

—表示设备达到必须马上停止运行的状态阈值的最大值和最小值。

对于特征状态参数的阈值并不一定是某一绝对的特定值，而是在某一个特定范围的情况之内时，其劣化度的计算可按下式：

(1-2)

式中：—表示设备在正常运行状态时的特征状态参数值的上、下限。

—表示设备必须停运的状态阈值的上、下限。

（2）对于不能通过检测设备获得，但可以通过统计故障间隔时间的特征状态参数。劣化度可通过下式计算：

(1-3)

式中：t—表示设备或部件更换起已经运行的积累时间。

T—表示设备或部件更换到设备出现故障的时间（故障间隔）。

式（1-1）～（1-3）中，k的大小表示该特征状态参数与设备运行状态的关系。设备的劣化模型有以下几种，如图1-3：

a）b）c）

图1-3设备的劣化模型

图1-3中a）为比例型劣化函数模型，k=1时，设备的状态速度和劣化度呈线性关系；b）为减速型劣化函数模型，k<1时，设备的状态变化速度随劣化度的递增减慢；c）为加速劣化函数模型，k>1时，设备的状态变化速度随劣化度的递增加速。一般对于设备的状态评价，a）、b）为常用的劣化模型。

（3）对于既无法通过检测手段获得，又不能通过统计故障间隔时间的特征状态参数。其劣化度由运行人员和检修人员通过打分估计：

（1-4）

式中：a，b—代表运行人员和检修人员打分的分值，介于0～1之间。

—代表运行人员和检修人员打分的权值。。

这种方法虽然存在一定的误差，但在保证打分人员的经验丰富，并保证打分人员的数量的前提下，所获得的数据具有一定的可信度。

5特征状态参数权重的确定

确定权重是设备状态评价模型建立的一项重要工作。如何给各个特征状态参数确认合理的权重分配，将会对设备的评价结果是否准确产生很大的影响。应根据该特征状态参数对评价结果影响的重要性来确定权重的分配，影响大的其权重分配的比例大，影响小的权重分配的比例小。

层次分析法是将一个包含多个递阶层次的复杂问题分解，将每个层次上的多个构成元素两两进行互相比对，对每一个层次上所有元素的相对重要性排序，同时对权重进行排序。然后，按照层次由高到低的顺序，确定包含各个层次元素的相对重要性的总权重排序。利用定量计算和定性分析相结合的方法，将分解、判断和综合的决策思维过程系统化、模型化和逻辑化。使评价的过程能够与决策者的思维一致，每个特征状态参数的重要程度，利用已建立好的判断矩阵即可实现对重要程度的定量化。具体的过程包括：状态评价系统递阶层次结构模型构建、定量化判断矩阵的建立、每个元素单排序权重的计算、对建立的检验定量化的判断矩阵一致性和对每个元素的总排序权重的计算等。建立起的定量化判断矩阵是否合理，是决策者对决策思维实现定量化的关键。专家的人数和判断矩阵的个数是相对应的。层次分析法是一种通用性较强的赋权方法，对于那些不易于完全应用定量参数来进行分析的状态评价系统特别适用。

6结论

能否对工业设备的运行状态做出准确、可靠的评价结果，状态评价模型的建立合理与否将起到至关重要的作用。所谓合理的状态评价模型就是，将采集到的特征状态参数应用于评价模型，能够准确的评价出不同劣化程度的设备运行状态评价结果。

作者简介：王雷（1983-），男，汉族，吉林蛟河人，硕士，工程师，主要从事发电设计工作。