机器设备状态监测和诊断简述
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是否有一些有效的手段来实现机器设备的故障预警，尤其是对一些重要的设施诸如发电机组，简单到一些电机驱动，以及一些会因故障而引起二次破坏影响的设备进行有效监测并提供及时的诊断和故障预警？其实，本文的标题主干就是我们国家一类标准的总称，所以，对于一些设备，经过评估如果需要状态监测及诊断，是可以找到相应的手段的。
监测是一方面，诊断是另一个重要的话题。
我们国家对于运行过程中的机器设备状态监测和诊断是有标准可循的，在这些标准的制定中，多等同采用了ISO的对应标准。其中《机器设备状态监测和诊断 一般指南》（GB/T 22939 /ISO 17359），涵盖了状态监测与诊断领域的一组标准的母标准，规定了对所有机器制定监测方案时要考虑的一般程序[1]。然而，这个标准对于里面的条款都是点到即止，没有具体说明，起了一个提纲挈领的作用，但是其中的表格《状态监测标准汇总》，我觉得有必要复制一份在这里，以便读者可以知道关于监测振动有哪些标准，以及应该去参考哪个标准。
状态监测标准汇总（部分）
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国际标准编号 （国家标准等同采用） |
名称 |
状态监测与诊断分类 |
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综述 |
技术 |
诊断与预报 |
数据管理 |
培训 |
应用 |
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ISO 17359 |
机器状态监测与诊断 一般指南 |
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ISO 13372 |
机器状态监测与诊断 词汇 |
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ISO 13380 |
机器状态监测与诊断 基于应用性能参数的一般指南 |
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ISO 13373-1 |
机器状态监测与诊断 振动状态监测 第1部分：总则 |
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ISO 13373-2 |
机器状态监测与诊断 振动状态监测 第2部分：振动数据处理、分析和描述 |
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ISO 14830-1 |
机器状态监测与诊断 基于摩擦学的检测与诊断 第一部分：总则 |
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ISO 18434-1 |
机器状态监测与诊断 机器与热成像 第一部分：总则 |
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ISO 22096 |
机器状态监测与诊断 声发射 |
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ISO 29821-1 |
机器状态监测与诊断 超声 第一部分：总则 |
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ISO 13373-3 |
机器状态监测与诊断 振动状态监测 第2部分：诊断的基本技术 |
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ISO 13379-1 |
机器状态监测与诊断 数据判读与诊断技术 第1部分：总则 |
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ISO 11381-1 |
机器状态监测与诊断 预测 第1部分：一般指南 |
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ISO 11374-1 |
机器状态监测与诊断 数据处理、通信与表示 第1部分：一般指南 |
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ISO 11374-2 |
机器状态监测与诊断 数据处理、通信与表示 第2部分：数据处理 |
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ISO 11374-3 |
机器状态监测与诊断 数据处理、通信与表示 第2部分：通信 |
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ISO 18436-1 GB/T 23718.1 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第1部分：对认证结构和认证过程的要求 |
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ISO 18436-2 GB/T 23718.2 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第2部分：振动状态监测 |
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ISO 18436-3 GB/T 23718.3 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第3部分：对培训机构和培训过程的要求 |
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ISO 18436-4 GB/T 23718.4 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第4部分：现场润滑分析 |
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ISO 18436-5 GB/T 23718.5 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第5部分：润滑实验室技术员/分析师 |
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ISO 18436-6 GB/T 23718.6 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第6部分：声发射 |
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ISO 18436-7 GB/T 23718.7 |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第7部分：热成像 |
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ISO 18436-8[[1]] GB/T 23718.8[1] |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第8部分：超声 |
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ISO 18436-9[1] GB/T 23718.9[1] |
机器状态监测与诊断 人员资格与人员评估的要求 第9部分：监测专家 |
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ISO 16587 |
机械振动与冲击 结构状态监测的性能参数 |
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ISO 19860 |
燃气轮组 对燃气轮机装置数据采集和趋势分析系统的要求 |
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[1] 可能仍在制定中的标准
这些不是全部，有些标准已经制定到针对特定的设备了。其中有些的标准还在制定过程中。几乎任何一个机器设备的实际使用，其参数多少会因为安装、使用及环境等因素的影响而存在参数的差异，所以，在监测到的信号上会存在差异，乃至会影响到基于这些信号的诊断如何相应处理。
机器设备的监测系统的配置安装和调试，以及信号的分析诊断，确实是一个属于非常专业的领域，需要对设备系统的运行使用了解，甚至往往要精细到每个重要的齿轮；另外还要熟悉系统的故障状态，以及选配对应的监测设备及信号输出；在每个具有危险可爆气体的场合，对设备的故障监测以及对于传感器本身防爆本安的要求也非常严苛。在拿到采集的信号时（后），还需要正确研读信号，以作出正确的诊断，预报，尽可能避免误报。这就是为什么ISO中对于监测和诊断方面，推出了《人员资格与人员评估的要求》标准。对应我国等同采用ISO标准的GB/T 23718，虽然非强制标准，但是随着社会对于生产安全的重视，对设备故障可预测的认识越来越深入，那么社会对这一类监测专业人员的需求会越来越多，他们的作用也会越显重要。
在《人员资格培训》部分的内容中，我们大致可以看到当前几个主流的监测技术手段。根据不同的设备系统选用不同的技术手段及组合方式，需要有专业的判断。一个良好的监测和诊断系统是建立在合理的探测配置、可靠的信号检测以及正确的信号处理诊断上的。
振动状态监测
针对当前很多的监控应用，设备的振动状态监测，是其中非常重要的一种方式，配套的标准中，对于振动状态监测有很多的表述。在另外配置了必要的温度、压力，甚至声学监测等作为补充手段后，就可以建立起一个较为完整的探测系统。
在振动信号的处理上，可按信号处理方式的不同分为幅域分析、时域分析以及频域分析[2]。某种意义上，可以将幅域归入时域信号部分，因此也可分为时域和频域两大类分析处理。我们以下面的一个等式输出信号为例说明信号处理的差异。
（1）
在频率分别为1/20Hz,1/12Hz和1/5Hz的正余弦的信号中加入直流信号1，和+/-0.5的随机噪声。其时域的信号叠加后输出如图-1。
图-1 时域信号的输出
图-1中的信号在叠加了随机噪声之后，几乎无法直接看出其中的有效信号了。在时域信号的处理上，如果是监测信号的最大、最小，平均值或者有效值等，实现比较容易，对于噪声干扰，也可以通过软硬件滤波，包括同步平均，相关分析等方式进行处理以提高信噪比。此外，时域信号对于轴心轨迹分析、启停过程的分析都有不可替代的作用。
在一些信号较为复杂的处理上，频域的DFT的处理具有独特的优势。图-2是针对图-1的信号经DFT处理后的幅频特性输出。可以很清晰地看到被噪声淹没的3个主频信号及对应的幅值，以及幅值为1的直流信号。这种特点对于诸如齿轮啮合中的但不限于此的故障分析将非常有利。
图-2 DFT幅频信号的输出
图-2中因为噪声加入的原因，以及对信号的加窗操作，在幅频输出中除了主频之外，产生了频率泄露。实际应用中，会根据需要选择不同的加窗函数。如果将不同时间采集的幅频数据以瀑布的方式输出显示，就可看出其中的幅频变化的趋势。实际应用中经常不会这么简单，比如负载的变化、临近环境的影响等都会导致相关信号的变化，需要有对应的诊断策略进行处理。
安费诺传感器提供的监测产品
安费诺传感器旗下现有两大品牌提供各型用于多种要求严苛的应用场合，包括防爆应用的本安型振动传感器、变送器供我们选择，他们分别是Wilcoxon Sensing Technologies和PCB Piezotronics。振动传感器中包括了加速度、速度和位移，以及单轴，多轴型。
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产品类型 |
参考图片 |
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IEPE/4~20mA/HART 振动加速度传感器 |
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振动加速度变送器 |
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高温/防爆本安型 |
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振动参考源/振动校准 |
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可预设阈值的 振动开关 |
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Echo® 无线振动及配套监测系统 |
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对于进行声功率、音质、噪声源位置等产品测试时，可以使用PCB提供的电容式、现代预极化、传统外极化的阵列、探头、薄型表面型和其他专用麦克风、前置放大器和相关配件。
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产品类型 |
参考图片 |
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低噪声预极化/防尘防水麦克风 |
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各型麦克风 |
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噪声监测系统 |
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当然，除产品外，我们还提供各类传感器所需的接插件和专用缆线。实际选用时，可以与我们的工程师或者销售工程师联系，以便对应用的要求有必要的了解，并与您一起协商或者推荐最适合您的监测产品。
- 《机器设备状态监测和诊断 一般指南》 GB/T 22393 / ISO 17359
- 《机械设备振动故障 监测与诊断》黄志坚 编著 化学工业出版社 2020.9
