用于離心泵中的故障檢測(cè)的方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器的狀況監(jiān)控。具體地說(shuō)，本發(fā)明提供了用于工業(yè)機(jī)器中的故障或異常狀況的檢測(cè)的方法、設(shè)備和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述工業(yè)機(jī)器包括但不限于諸如離心栗之類(lèi)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]狀況監(jiān)控是指監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)機(jī)器狀況參數(shù)以識(shí)別指示發(fā)展中或已表現(xiàn)出的故障狀況或異常的變化的過(guò)程。其包括工業(yè)安全和維護(hù)的重要組成部分。諸如振動(dòng)特性、溫度或輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之類(lèi)的機(jī)器狀況參數(shù)的監(jiān)控可用于確定故障狀況或發(fā)展中的故障狀況，并觸發(fā)諸如檢查、故障分析、機(jī)器關(guān)閉或修理和維護(hù)行為之類(lèi)的合適的響應(yīng)。
[0003]工廠(chǎng)維護(hù)和修理被認(rèn)為是產(chǎn)生資本費(fèi)用的主要因素之一。據(jù)估計(jì)，僅在美國(guó)，工廠(chǎng)設(shè)備和設(shè)施的維護(hù)的年花費(fèi)就超過(guò)2000億美元，并且可在生產(chǎn)產(chǎn)品的總費(fèi)用的15 %與60 %之間變化。另外，據(jù)估計(jì)，維護(hù)費(fèi)用的三分之一以上由不必要和不正確地執(zhí)行的維護(hù)導(dǎo)致。因此，工業(yè)機(jī)器和工業(yè)流程的適時(shí)和有效的狀況監(jiān)控對(duì)于操作和成本效率是關(guān)鍵的一一由于其能夠早檢測(cè)和診斷工業(yè)資產(chǎn)的故障狀況或異常。本發(fā)明尤其解決了工業(yè)機(jī)器中的狀況監(jiān)控和故障檢測(cè)。
[0004]包括栗和栗送設(shè)備的旋轉(zhuǎn)設(shè)備是工業(yè)資產(chǎn)的重要類(lèi)別。栗用于使流體在機(jī)器或設(shè)備之間轉(zhuǎn)移或流動(dòng)或者通過(guò)機(jī)器或設(shè)備而轉(zhuǎn)移或流動(dòng)，并且可作為為諸如鍋爐、制冷機(jī)、冷卻塔和流體處理單元之類(lèi)的其它工業(yè)設(shè)備服務(wù)的輔助設(shè)備而操作。在常規(guī)使用的各種栗(離心栗、循環(huán)栗和螺旋轉(zhuǎn)子栗)中，離心栗是用途最廣泛的栗之一。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以及成本和操作效率高，并且穩(wěn)健性使得它們受歡迎。本發(fā)明尤其解決了在諸如離心栗之類(lèi)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的狀況監(jiān)控和故障檢測(cè)。
[0005]圖1通過(guò)離心栗100的剖視圖示出了基本操作原理，離心栗100包括殼體102和容納在殼體102中并具有葉輪葉片106的葉輪104。葉輪104(因此，葉輪葉片106)能夠在殼體102中圍繞旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。來(lái)自流體入口的流體通過(guò)殼體眼108沿軸向進(jìn)入殼體，在葉輪葉片中被卷起，并具有向其施加的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用于流體上的離心力對(duì)流體施加速度和壓力二者，使得其沿切向和徑向向外運(yùn)動(dòng)，直至其通過(guò)流體出口 110離開(kāi)殼體。外出的流體降低了殼體102中的壓強(qiáng)，從而導(dǎo)致來(lái)自流體入口的流體通過(guò)殼體眼108被吸入殼體102中。
[0006]圖2示出了離心栗系統(tǒng)200的基本組件。系統(tǒng)200包括殼體202，該殼體202具有設(shè)置在其中的葉輪204。葉輪204通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸208連接至電機(jī)206。從電源224供應(yīng)至電機(jī)206的電流使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這樣繼而使得驅(qū)動(dòng)軸208旋轉(zhuǎn)并且驅(qū)動(dòng)葉輪204。葉輪殼體202示為具有連接至進(jìn)入管212的流體入口 210。設(shè)置在進(jìn)入管212上的吸入閥214控制流體流入流體入口210。葉輪殼體202另外示為具有連接至排出管218的流體出口 216。排放閥220設(shè)置在排出管218上并控制流體從流體出口 216排放。進(jìn)入管212可另外具有用于過(guò)濾來(lái)自進(jìn)入栗殼體的流體的沉淀物或顆粒物質(zhì)的濾器222。
[0007]離心栗可遭受流程相關(guān)故障和機(jī)械故障。流程故障包括氣蝕、排放再循環(huán)和濾器堵塞，而機(jī)械故障包括壞的軸承、彎曲的驅(qū)動(dòng)軸、不平衡的轉(zhuǎn)子(葉輪以及驅(qū)動(dòng)軸)、未對(duì)準(zhǔn)、損壞的葉輪或者損壞或變形的葉輪葉片。流程故障和機(jī)械故障二者落入關(guān)于栗系統(tǒng)的故障狀況的更寬的類(lèi)別中。用于涉及離心栗的狀況監(jiān)控和故障診斷的當(dāng)前方法包括監(jiān)控設(shè)計(jì)曲線(xiàn)特性、人工檢查和離線(xiàn)分析以及在線(xiàn)振動(dòng)分析。
[0008]設(shè)計(jì)曲線(xiàn)特性的監(jiān)控涉及栗在操作中的性能特性的監(jiān)控，以檢測(cè)相對(duì)于制造商規(guī)定的最佳效率點(diǎn)(BEP)的偏離。圖3示出了樣品設(shè)計(jì)曲線(xiàn)，其標(biāo)記出了外流流體流率與栗中的總能源開(kāi)銷(xiāo)(total head)、效率、軸功率和凈吸壓頭(NPSH)中的一個(gè)或多個(gè)之間的關(guān)系。通過(guò)將操作中的栗的實(shí)際性能特性與由制造商/設(shè)計(jì)者提供的性能特性進(jìn)行比較，可將檢測(cè)到的性能缺陷作為故障或異常的指示器處理。設(shè)計(jì)曲線(xiàn)方法的局限在于該方法允許識(shí)別流程故障而非機(jī)械故障。另外，隨時(shí)間流逝(和磨損)，栗的操作特性往往偏離在制造時(shí)提供的設(shè)計(jì)特性。此外，操作員可故意操作栗使其偏離理想設(shè)計(jì)曲線(xiàn)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)操作效率。在這種情況下，設(shè)計(jì)曲線(xiàn)方法往往失效，這是由于即使沒(méi)有實(shí)際故障設(shè)計(jì)曲線(xiàn)方法也指示有故障。
[0009]人工檢查和離線(xiàn)分析涉及利用諸如振動(dòng)儀之類(lèi)的便攜式裝置通過(guò)維護(hù)團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備的周期檢查，包括栗系統(tǒng)中的潤(rùn)滑油水平、軸承溫度和振動(dòng)特性。雖然該方法可用于檢測(cè)流程故障和機(jī)械故障二者，但是檢查的周期性或間歇本質(zhì)是有缺陷的，因?yàn)槠浣档土嗽趩?wèn)題出現(xiàn)時(shí)立即檢測(cè)到的可能性。
[0010]在線(xiàn)振動(dòng)分析包括連續(xù)收集和分析來(lái)自離心栗系統(tǒng)的高頻率振動(dòng)數(shù)據(jù)，以在出現(xiàn)流程故障和機(jī)械故障時(shí)識(shí)別它們?？衫谜駝?dòng)測(cè)量和分析來(lái)檢測(cè)到包括不平衡的組件、彎曲的軸、偏心、未對(duì)準(zhǔn)、松動(dòng)和軸承缺陷的缺陷。然而，商業(yè)在線(xiàn)振動(dòng)分析系統(tǒng)昂貴，并且額外需要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析的重要設(shè)施和設(shè)備。由于離心栗被認(rèn)為是輔助設(shè)備，因此商業(yè)上可獲得的振動(dòng)分析方案通常提供請(qǐng)求式分析，即周期性地(例如一天一次)收集和分析振動(dòng)特性數(shù)據(jù)。在人工檢查和離線(xiàn)分析的情況下，這降低了在問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)檢測(cè)到或?qū)崟r(shí)檢測(cè)問(wèn)題的可能性。
[0011]US 6，330，525公開(kāi)了一種通過(guò)分析電流數(shù)據(jù)(基于供應(yīng)至電機(jī)的電流)而獲得關(guān)于栗中的流程或機(jī)械相關(guān)故障的信息的方法。另外，該參考文獻(xiàn)預(yù)期使用流程參數(shù)(總能源開(kāi)銷(xiāo)、NPSH、制動(dòng)馬力、效率)和振動(dòng)數(shù)據(jù)。該參考文獻(xiàn)的限制在于其依靠來(lái)自栗的吸壓力讀數(shù)一一其中吸壓力讀數(shù)很少能夠獲得。另外，獲得連續(xù)振動(dòng)數(shù)據(jù)通常包括昂貴的商業(yè)振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。
[0012]US 6，757，665預(yù)期了使用電流數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)栗診斷。然而，現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)僅考慮了栗中的氣蝕、堵塞物和密封失效的診斷，而未解決在離心栗系統(tǒng)中通常遇到的其它問(wèn)題的診斷。該參考文獻(xiàn)也未考慮對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的任何依賴(lài)一一這排除了已通過(guò)電流特征分析檢測(cè)到的問(wèn)題的根本原因分析。另外，該參考文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，以保持故障特征的知識(shí)模型，并且將其用于未來(lái)決策。然而，已發(fā)現(xiàn)，已通過(guò)ANN開(kāi)發(fā)的故障特征的知識(shí)模型可缺乏一致性，由于模型結(jié)構(gòu)可隨著ANN參數(shù)(例如層數(shù))的變化而變化，因此這種模型不對(duì)隨時(shí)間在栗中觀(guān)察到的操作變化作出響應(yīng)。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)還包括使用電流數(shù)據(jù)以識(shí)別栗系統(tǒng)中的電機(jī)相關(guān)問(wèn)題(見(jiàn)，例如，(i)Vinoth Kumar et al.,A review of voltage and current signature diagnosis inindustrial drives, Internat1nal Journal of Power Electronics and DriveSystem，Vol.I，N0.I，September 2011，pp.75-82(Vinoth Kumar等人的“工業(yè)驅(qū)動(dòng)中的電壓和電流特征診斷的綜述”，2011年9月的《電力電子和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國(guó)際期刊》，第I卷，第I期，第75-82頁(yè))，和(ii)Kumar Pradhan et al.,Fault detect1n in centrifugal pump usingvibrat1n and motor current signature analysis，Internat1nal Journal ofAutomat1n and Control ,Vol.6 ,N0.3/4,2012(Kumar Pradhan等人的“利用振動(dòng)和電機(jī)電流特征分析的離心泵中的故障檢測(cè)”，2012年的《自動(dòng)化和控制國(guó)際期刊》，第6卷，第3/4其)。雖然已將這些方案用于識(shí)別泵系統(tǒng)中的電機(jī)相關(guān)問(wèn)題，但是它們未解決泵系統(tǒng)中的其它流程相關(guān)故障(氣蝕、排放再循環(huán)、濾器堵塞)和機(jī)械相關(guān)故障(壞的軸承、彎曲的軸、不平衡的轉(zhuǎn)子、未對(duì)準(zhǔn)、損壞的葉輪)。
[0014]因此需要一種用于包括諸如離心栗和離心栗系統(tǒng)之類(lèi)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備在內(nèi)的工業(yè)機(jī)器中的綜合、有效和節(jié)約成本的狀況監(jiān)控和故障檢測(cè)的可靠和節(jié)約成本的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供了用于機(jī)器的狀況監(jiān)控的方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
[0016]—種根據(jù)本發(fā)明的用于機(jī)器的狀況監(jiān)控的方法可包括(i)獲得對(duì)應(yīng)于第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第一組數(shù)據(jù)觀(guān)察結(jié)果，(i i)基于第一組數(shù)據(jù)觀(guān)察結(jié)果來(lái)確定對(duì)應(yīng)于第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第一相關(guān)系數(shù)，(iii)基于第一相關(guān)系數(shù)來(lái)確定對(duì)應(yīng)于第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第一 P值，以及(iv)從多個(gè)可獲得的狀況監(jiān)控行為中選擇用于執(zhí)行的至少一個(gè)狀況監(jiān)控行為，其中狀況監(jiān)控行為的選擇基于至少第一 P值和一個(gè)或多個(gè)限定的選擇規(guī)則。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的選擇規(guī)則可限定為:響應(yīng)于(i)第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)包括相關(guān)的變量對(duì)以及(ii)第一P值大于第一預(yù)定P值極限，所選擇的狀況監(jiān)控行為是被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0018]在另一實(shí)施例中，選擇規(guī)則可限定為:響應(yīng)于(i)第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)包括不相關(guān)的變量對(duì)以及(ii)第一P值小于或等于第一預(yù)定P值極限，所選擇的狀況監(jiān)控行為是被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0019]被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為可包括下列各項(xiàng)中的任意一個(gè)或多個(gè):用信號(hào)傳達(dá)檢測(cè)到的故障狀況;修改機(jī)器的操作狀態(tài);響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而激活狀況監(jiān)控程序;觸發(fā)警報(bào)、警告、人工檢查和基于傳感器的測(cè)試中的一個(gè)或多個(gè);觸發(fā)在線(xiàn)振動(dòng)分析;以及執(zhí)行與機(jī)器的操作狀況相關(guān)的至少一個(gè)額外測(cè)試。
[0020]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一預(yù)定P值極限可具有0.01與0.05之間的任意值。
[0021]本發(fā)明的方法可另外包括(i)獲得對(duì)應(yīng)于第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第二組數(shù)據(jù)觀(guān)察結(jié)果(ii)基于第二組數(shù)據(jù)觀(guān)察結(jié)果來(lái)確定對(duì)應(yīng)于第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第二相關(guān)系數(shù)和
(iii)基于第二相關(guān)系數(shù)來(lái)確定對(duì)應(yīng)于第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第二 P值，其中額外基于至少第二 P值來(lái)選擇用于執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0022]在本發(fā)明的實(shí)施例中，(i)機(jī)器可包括離心栗系統(tǒng)，(ii)第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括電流和排放壓強(qiáng)的相關(guān)的變量對(duì)，(iii)第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括電流和出流率的相關(guān)的變量對(duì)，并且(iv)響應(yīng)于第一 P值大于第一預(yù)定P值極限或者第二 P值大于第二預(yù)定P值極限，所選擇的狀況監(jiān)控行為可包括被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0023]在該方法的另一實(shí)施例中，(i)機(jī)器可包括離心栗系統(tǒng)，(ii)第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括電流和檢測(cè)到的軸承溫度的不相關(guān)的變量對(duì)，(iii)第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括電流和檢測(cè)到的振動(dòng)特性的不相關(guān)的變量對(duì)，并且(iv)響應(yīng)于第一 P值小于或等于第一預(yù)定P值極限，或者第二 P值小于或等于第二預(yù)定P值極限，所選擇的狀況監(jiān)控行為可為被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0024]本發(fā)明的方法可額外包括(i)獲得對(duì)應(yīng)于第三對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第三組數(shù)據(jù)觀(guān)察結(jié)果，和(ii)基于第三組數(shù)據(jù)觀(guān)察結(jié)果來(lái)確定對(duì)應(yīng)于第三對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第三相關(guān)系數(shù)，以及(iii)基于所述第三相關(guān)系數(shù)來(lái)確定對(duì)應(yīng)于所述第三對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)的第三P值，其中額外基于至少第三P值來(lái)選擇用于執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施例中，(i)機(jī)器可包括離心栗系統(tǒng)，(ii)第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括出流率和吸入閥位置的相關(guān)的變量對(duì)，(i i i)第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括出流率和排放閥位置的相關(guān)的變量對(duì)，(iv)第三對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)可為包括出流率和入流率的相關(guān)的變量對(duì)，并且(V)響應(yīng)于第一P值大于第一預(yù)定P值極限，第二P值大于第二預(yù)定P值極限以及第三P值大于第三預(yù)定P值極限，該方法可選擇被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0026]用于離心栗的狀況監(jiān)控的方法的更具體的實(shí)施例包括:獲得(i)與包括電流和排放壓強(qiáng)的相關(guān)的第一對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第一 P值，(i i)與包括電流和出流率的相關(guān)的第二對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第二P值，(iii)與包括電流和檢測(cè)到的軸承溫度的不相關(guān)的第三對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第三P值，(iv)與包括電流和檢測(cè)到的振動(dòng)特性的不相關(guān)的第四對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第四P值，(V)與包括出流率和吸入閥位置的相關(guān)的第五對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第五P值，(vi)與包括出流率和排放閥位置的相關(guān)的第六對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第六P值，以及(vii)與包括出流率和入流率的相關(guān)的第七對(duì)機(jī)器狀況參數(shù)相對(duì)應(yīng)的第七P值。
[0027]可從多個(gè)可獲得的狀況監(jiān)控行為中選擇第一狀況監(jiān)控行為，其中響應(yīng)于(i)第一P值大于第一預(yù)定P值極限，或者第二P值大于第二預(yù)定P值極限；以及(ii)第三P值小于或等于第三預(yù)定P值極限，或者第四P值小于或等于第四預(yù)定P值極限，所選擇的第一狀況監(jiān)控行為包括被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0028]作為另外一種選擇，可從多個(gè)可獲得的狀況監(jiān)控行為中選擇第一狀況監(jiān)控行為，其中響應(yīng)于(i)第一 P值大于第一預(yù)定P值極限，或者第二 P值大于第二預(yù)定P值極限；以及
(ii)第三P值大于第三預(yù)定P值極限，并且第四P值大于第四預(yù)定P值極限，所選擇的第一狀況監(jiān)控行為包括將檢測(cè)到的軸承溫度與推薦的操作溫度進(jìn)行比較，將檢測(cè)到的振動(dòng)特性與推薦的振動(dòng)特性極限進(jìn)行比較，并且響應(yīng)于檢測(cè)到的軸承溫度超過(guò)推薦的操作溫度或者檢測(cè)到的振動(dòng)特性超過(guò)推薦的振動(dòng)特性極限，從多個(gè)可獲得的狀況監(jiān)控行為中選擇用于執(zhí)行的第二狀況監(jiān)控行為，其中第二狀況監(jiān)控行為包括被構(gòu)造為響應(yīng)于檢測(cè)到的故障狀況而執(zhí)行的狀況監(jiān)控行為。
[0029]作為另外一種選擇，可從多個(gè)可獲得的狀況監(jiān)控行為中選擇第一狀況監(jiān)控行為，其中響應(yīng)于第一 P值小于或等于第一預(yù)定P值極限以及第二 P值小于或等于第二預(yù)定P值極限，所選擇的第一狀況監(jiān)控行為包括(i)將觀(guān)察到的最大出流率與觀(guān)察到的最小出流率進(jìn)行比較，以及(ii)響應(yīng)于最大出流率比最小出流率超過(guò)不止預(yù)定的第一出流變化極限，確定(a)第五P值是否大于第五預(yù)定P值極限，(b)第六P值是否大于第六預(yù)定P值極限，以及(C)第七P值是否大于第七預(yù)定P值極限。
[0030]在本發(fā)明的方法實(shí)施例中，第一預(yù)定P值極限至第七預(yù)定P值極限中的任一個(gè)可包括0.01與0.05之間的任意值。
[0031]在以上方法的具體實(shí)施例中，響應(yīng)于第五P值大于第五預(yù)定P值極限，第六P值大于第六預(yù)定P值極限以及第七P值大于第七預(yù)定P值極限，該方法可包括(i)響應(yīng)于檢測(cè)到的出流率的減小超過(guò)預(yù)定的第二出流變化極限，從多個(gè)可獲得的狀況監(jiān)控行為中選擇用于執(zhí)行的第三狀況監(jiān)