首页> 大会专栏

工业和信息化部电子五所王远航博士介绍PHM基础建模及实验验证

时间:2019-09-10

在第三届中国服务型制造大会专题论坛二“服务型制造背景下的PHM技术工程应用实践”上,工业和信息化部电子五所PHM创新团队技术负责人王远航博士,从PHM基础建模以及试验验证角度,分享了电子五所在电机、智能装备、航空系统等对象上开展的PHM模型验证方面的工程实践。

王远航.jpg

以下为演讲内容摘编:

当我们建立一个PHM模型以后,面临的下一个问题就是怎么样来判断和分析这个模型的准确度、有效性。所以,我今天给大家带来分享是《PHM基础建模及试验验证》。我将从以下三个方面来作汇报。

一、PHM新业态

今天大会主题是服务型制造,PHM在服务型制造里面的一个主要业态模式是远程运维,在我的理解里面,远程运维包括两个方面的工作:

第一个工作是基于设备物联,主要做三个事情:设备级的监控、诊断、维护,产线级的生产过程管控,企业层面的资源计划和优化配置。

图片3.jpg

第二个远程运维的工作,是在设备物联的基础上的工业互联,主要解决企业产业链上下游协同的问题。

我们今天的话题主要还是集中在设备层的远程运维,设备层远程运维要实现从设备到服务的增值,需要PHM技术为内核,这中间就会用到很多新一代信息技术和新一代人工智能技术。

PHM新业态:

图片4.jpg

这是我在网上找的一张图,展示了比较典型的产线级远程运维平台的硬件架构。从本质上来说,产线级做这种做远程运维的工作,它都是基于设备互联互通基础上,把设备层级的控制参数、报警信息,以一定的方式,传送给远程运维平台,大多数的远程运维平台,对于工况、设备故障模式、采集哪些参数,这样的梳理都不是很系统,导致的后果就是远程运维平台多数是报警的集中监控,可能就只有报警信息统计分析功能,核心PHM能力还比较欠缺。

图片5.jpg

这张图以一个工业机器人设备为例,展示为什么基于控制参数和报警回传的方式,远程运维平台PHM能力会比较弱的原因。从控制层面来做故障诊断,大部分做法是通过目标值,比如目标位置、目标速度、目标转矩,和反馈回来真实值之间做比较,以及通过一些时间参数,比如响应时间,来判断通讯类、总线类的故障,但这类故障其实在整个设备故障里只是一部分。还有很大一部分机械类的、退化类的故障通过控制参数是无法辨识的。这样,一大部分故障不能报警,能报警的部分没有健康管理和预测能力,就会导致基于预测信息的后续管控优化的增值服务,发挥不出来作用。当然现在也有一些企业做一些尝试,比如通过外置式传感器加上边缘计算方式,来增加设备级的PHM能力,现在做的比较多的针对大型旋机电设备,用一些无线的振动传感器检测旋转机械的故障状态。

因此,我觉得PHM为核心的远程运维平台,有两个方面大的问题:

除了刚才说的PHM建模能力不足的问题,还存在平台已有PHM模型缺乏验证的问题。有些平台连接了很多设备进来,但是设备多不代表故障数据多,当然正常数据也可以训练一些基线预警模型,通过偏差作报警,但是要做到精确的故障诊断或者健康退化预测,就有困难。

图片6.jpg

第二,故障次数多,并不代表采样的数据有效。比如电机,如果绕组出了问题、绝缘出了问题,它可能会在正负序电流和电流谐波里面反映出来,这就需要我们对电流的采样频率达到供电频率的一定倍数,与旋转机械的振动采集倍频是一个道理。但是,大部分从控制里面开放出来的参数可能只有有效值,电压电流的有效值能判断的无非是欠压欠流过压过流,就是开路短路的一些问题。想通过有效值来判断里面内部的绝缘问题,这种就不大可能。

第三、商业模式对PHM模型影响。因为远程运维基本上来说是分布式的,量比较大,量一大就需要考虑成本,成本不一样,整个采集硬件和PHM架构都不大一样。如果成本下来了,对采样频率、采样参数,比如传感器选型,采集参数可能都需要裁减,裁减以后的方案对整个PHM效果影响有多大,这也是需要验证的。

二、五所PHM工作简介

下面介绍一下五所在PHM领域工作。

大家对于五所的认识,可能是做电子产品的质量可靠性试验检测多一点。五所传统业务确实是通过这种设计分析、试验检测、认证计量等手段,来保证产品在交付给用户端之前达到预期的设计可靠性水平。

与设计可靠性概念相对应就是使用可靠性,产品交付给用户以后,由于个体差异和工况不同,产品表现出来的使用可靠性会与设计可靠性有很大差别,PHM作为实时监测和评估使用可靠性技术,五所这十年来也做了很多的工作。

这是我们团队最近几年做的项目,包括纵向科研还有横向工程服务类的。纵向科研类,有设备级、分系统级的,大系统级的五所介入的还不多,工程服务类,就是依托已有的模型,开发软硬件产品和工具交付给用户。

这是我们开发样机还有交付系统的介绍,包括IETM电子交互式手册,便携式的测试诊断仪器、边缘采集装置,还有一个质云的工业互联网平台以及相应软硬件系统产品。

三、PHM模型验证

下面介绍一下我们PHM模型验证的一些工作,可能工程上的东西更多一点。要验证的话,第一步肯定是提指标,PHM本身有一些验证指标,比如故障诊断的检出率,但仅仅这一个指标是远远不够的,比如什么条件下对于什么产品的什哪些故障具有多少检出率。所以,有必要呼吁一下,如果要推动PHM技术长远的发展,怎么样来客观评价一个模型到底好不好用,有没有效,需要建立一套科学的指标体系。我这里提出来一个基于技术成熟度的方法,近几年科技部的专项、广东省重大专项都慢慢在引入成熟度进行成果评价和管理,我们五所在其中也做了很多支撑工作。我们把成熟度和PHM做了个结合,成熟度包括九级,分别是这样来定义的。

图片7.jpg

第一级,原理方法的发现和提出。

第二级,确定PHM模型的载体,模型到底是软件还是硬件,完成它的概要设计。

第三级,可行性分析,功能设计验证。

第四级,原理样机开发。

第五级,测试版,完成功能性测试验证。

第六级,正式版,模拟环境验证,比如后面介绍的五所里做的验证都属于内场模拟环境,只能达到六级的程度。

第七级,工程版,部署并交付给用户。

第八级,示范用户,定型小批量。

第九级,规模化的应用大批量推广。

然后,不管在哪一个层级,都必须要明确PHM模型适用的范围,在每一个层级都对应有一个基础指标,这个基础指标包括两个要素,一是验证范围。一个是验证指标,验证范围有三个:

1、这个模型适用于哪类产品、哪型产品甚至哪一个产品。

2、适用于哪些故障模式?

3、什么环境和工况?复杂工况对诊断影响是很大的,工况变的话,诊断的东西完全不一样。

这前三个规定模型的适用范围。后面三个指标确定了模型的具体精度:

1、检测类的模型,就用检测率、检测时间;

2、诊断类就用虚警率、隔离率;

3、预测类就是准确度、精确度。

那么,前面九级规定了PHM模型所处的研发阶段,后面两要素具体规定了在这个研发阶段,模型在哪些产品范围、哪些工况下分别对哪些故障有多少PHM能力。

做验证的话,需要一些基础能力,五所这方面有良好的条件。我们有几十年故障数据和经验积累,比如包括不同环境下百万种器件的MTBF和大致寿命分布;五所还有一系列验证系统,包括工况环境的模拟,性能测试,试验检测,失效分析的工具。以及一些有配置式、可视化的硬件、软件和算法的比对和定制平台。

下面,我列举五个这两年做的PHM建模和验证的案例,根据前面说的技术成熟度的指标体系,怎么样来验证一个PHM模型到底好不好用有没有效。

案例一:电机PHM模型验证

第一个案例是电机的,电机是设备级的一些诊断,电机故障诊断其实做了很多年,到底哪些模型是好用的,或者在什么情况下能用?我们按照前面技术成熟度的指标体系,明确异步电动机对象,针对的故障模式有哪些?左下角的这个表就是展示电机根据结构来分到底有哪些故障模式,右边就是一个大致的表,每一个故障模式在满足一定情况下的因果关系。

首先明确采集的参数,包括电压、电流、温度、振动、旋转、转速,这是一级参数;二级指标是在一级上做的换算,基本在边缘侧完成。这里面还有一些关于专家的知识或者标准规定的阈值,包括一级超限预警和二级超限停机保护。

……

(电机、液压泵、无人机、航电系统和工业机器人故障诊断和预测性维护国家标准验证等5个案例、具体阐述略)

通过这些关键部件和整机的验证工作,我们就能判断不同的故障特征(组合)和PHM模型在不同工况下对不同故障的诊断和预测的有效性和准确性。

结束语:

以上就是我们这两年正在做的工作,总结一下,主要分享两点,第一是技术成熟度PHM模型评价指标体系,第二是介绍了常用PHM模型验证手段以及在工程上的探索。我们做这些工作,积累了很多数据,在数据分析过程中其实也会碰到一些问题,也希望可以跟做产品的厂家、精通分析算法的高校,产学研一起推这个事,可以把更多理论或者方法模型的技术成熟度进行提升,把更多的PHM模型转化到工程应用上。以上就是我的汇报。谢谢!(稿件经演讲者审定)

来源:中国服务型制造联盟秘书处根据速记整理,稿件经演讲者审定。


相关推荐