现场信息收集与诊断分析优化方案

这部分的主要内容是通过建立依赖人类五感的员工点检系统、点检信息化系统和依赖仪器、仪表的状态监测手段，依赖正确逻辑思维和经验积累方法的故障诊断方法集群的应用，形成故障诊断定位准确、反应及时的信息采集、分析、处理体系。其主体框架如图4-8所示。

在图4-8所显示的框架中，人工点检与状态监测，加上诊断分析和推理工具的运用是相互配合的。一般而言，随着设备复杂程度和自动化水平的提高，状态监测手段的应用将发挥越来越重要的作用；随着员工文化水准和素养的进步，诊断逻辑、分析工具的应用也越来越普遍。

图4-8 现场信息采集与诊断分析主体框架图

点检体系即主要通过人的五感和简单信息采集手段了解设备信息，点检的准备内容可以归纳为八定一成：

1）定点。确定的检查部位。

2）定人。确定的检查人员。

3）定周期。确定的检查周期。

4）定记录。确定的点检记录格式、内容。

5）定标。确定的正常与异常评价标准。

6）定表。确定的点检执行计划表格。

7）定法。确定的点检方法，如是否解体点检，是否停机点检，是否需要辅助仪器，如果使用五感，具体是哪一种，如何做。

8）定项。确定的检查项目，如温度、压力、振动、颜色、气味以及位置变化等。

9）一成。形成管理闭环和管理流程。

点检的实施也就是PDCA循环的延伸形式，包括：

1）检查。按照执行计划、点检基准和路线对设备点检部位状态信息的检查。

2）记录。将检查状况填写记录在点检表格里。

3）分析。利用诊断工具箱介绍的方法对点检信息分析、整理、诊断，进行直接故障定位或者劣化趋势——倾向管理，或者隐患管理。

4）隐患管理。对于设备存在的故障隐患进行管理，如六个螺钉掉了两个，暂时无法处理，但要进行记录，并保证在适当时机进行处理，这就是隐患管理。

5）倾向管理。对设备点检或者状态监测中发现的性能劣化趋势进行管理。如振动越来越明显，对中状态越来越不良，不平衡的声音越来越明显，发热温度越来越高，间隙越来越大等劣化趋势进行描点或者画出变化趋势曲线，利用适当机会及时进行处理，这就是倾向管理，如图4-9所示。

图4-9 设备劣化趋势图

6）处理。实施对设备劣化和故障的纠正和维修。

7）反馈。将处理结果及运行跟踪情况进行记录、备查。

人类五感所感知的信息是有一定局限的，目前发展起来的较为成熟的设备状态检测手段包括振动监测、油液分析、红外技术。除此之外，可以应用于状态监测的技术还包括声发射技术、X射线衍射技术、磁粉检测技术、内窥镜技术、超声波技术等。

1）振动监测。适用于转动类设备，对其振动频谱进行分析，可以帮助发现主轴、轴承、转子、叶片等故障隐患。

2）油液分析。适用于啮合、滑动、转动配合类设备，通过对油液中的磨粒进行铁谱或者光谱分析，根据磨粒的成分、大小判断设备磨损故障状态。

3）红外技术。适用于所有不均匀发热设备，如炉体、反应釜、管道、电动机、配电线路板等，通过红外摄影或者摄像等方式，记录设备发热状态，根据发热异常来定位故障。

有了上述设备信息，还需要一系列的诊断分析工具来帮助人们积累经验，分析判断问题，定位故障，我们称之为诊断分析工具箱。诊断分析工具箱的内容包括形式逻辑方法（契合法、差异法、契合差异并用法、共变法、剩余法等）、劣化趋势图、主次图、鱼骨分析、PM分析、假设检验分析、故障树分析、故障的集合优选分析、故障字典、FMEA分析等。这些分析工具可以将我们的员工队伍锤炼成为一支知识型、智能型的团队。下面对诊断工具箱里的内容作一简要介绍。

（1）主次图法 主次图分析又称为帕雷托分析，是一种利用经验进行判断分析问题的方法。将平时的设备故障频次或者停机时间记录下来，统计绘出设备的故障主次图（PARETO图）。绘制主次图时，首先按照故障频次大小（停机小时多少）从左到右排序，然后分别将故障频次的百分比（或者停机小时）累加起来描点，再把这些点用曲线连接起来就形成了全图。图4-10所示为一台加工机床的故障主次图。从图中可以看出，变速故障的频次为48.5%，而变速与主轴故障频次之和为77.3%，变速加主轴加溜板故障频次之和为86.4%……。人们自然会问：这样的图有什么意义呢？按照意大利科学家帕雷托的80/20分布理论，设备20%的故障模式决定着80%的故障停机时间。就像人生病一样，虽然人可以得百病，但每一个人都有主要的身体弱点，20%的疾病决定了80%的病假时间。这就告诉诊断工作者，永远要抓住最有倾向性的前20%故障模式，因为它们决定了设备的主要故障停机。设备一旦出现故障，首先要想到故障频次最高的一、两种故障模式，然后再寻找次要的模式，这是比较有效的诊断过程。

（2）特征-因素（鱼骨分析，鱼刺图）法 鱼骨分析又称为鱼刺图，就是把故障原因按照发生的因果层次关系用线条连接起来，构成故障的主要原因称为脊骨，构成这个主要原因的原因称为大骨，依次还有中骨、小骨、细骨……图4-11显示了一个典型的鱼骨图。

图4-10 加工机床的故障主次图

图4-11 典型的鱼骨图

设备诊断与维修工作者将平时维修诊断的经验以鱼骨的形式记录下来，过一段时间需要对鱼骨图进行整理，凡是经常出现的故障原因（大骨）就移到鱼头位置，较少发生的原因就向鱼尾靠近。今后，设备出现故障，首先按照鱼骨图从鱼头处逐渐向鱼尾处检查验证，检查出大骨，再依次寻找中骨、小骨、细骨，直到找到故障的根源，可以排除为止。

图4-12给出利用鱼骨图分析设备综合效率低下问题的例子。

图4-12 利用鱼骨图分析方法分析影响OEE的设备损失图

图4-13给出故障停机时间长的鱼骨分析例子。

图4-13 故障停机时间长的鱼骨分析图

（3）失效模式影响和危害性分析（FMEA）法 失效模式影响和危害性分析是失效模式分析、失效影响分析和失效危害性分析三种分析方法组合的总称。失效模式是失效的表现形式和状态，如电路短路、机械性断裂、磨损等。失效影响则是指某种失效模式对所关联的子系统或整个系统功能的影响。失效危害性则是指失效后果的危害程度，通常用危害性进行定量分析。

这种分析过程通常有以下程序：

1）划分“功能块”。对所分析系统自上而下按照功能划分出“功能块”，分解到最基本的构件、零件。具体分解到哪一水平，可根据分析目标确定。然后绘出功能逻辑框图，如图4-14所示。

图4-14 “功能块”的划分

2）在调查的基础上，找出各功能块的失效模式和影响。例如，某型号燃气轮机排气系统的排气通道完全堵塞，其故障模式可能是消声器破碎，而其影响则是“引起涡轮机剧烈喘振，排气温度过高时机器停止运行。如果更换消声器需要停机四星期”。

3）分析失效原因。通过必要的测试和理化分析，查明引起失效的原因。

4）进行失效模式危害性分析。按照危害性程度，失效分成四个级别，失效危害性程度等级的评定标准如表4-1所示。

表4-1 失效危害性程度等级的评定标准

5）采取措施和对策解决问题。根据因果分析、危害性分析的结论，采取如预防措施、主动改善维修、重新设计、提高零部件配置标准和可靠性指标或者增加防护、监控装置等解决方案。

6）填写失效模式影响和危害性分析（FMEA）表格。填写失效模式影响和危害性分析（FMEA）表格，记录和总结失效分析、处理过程、经验，作为知识资产进行有效管理，以便今后利用。失效模式影响和危害性分析（FMEA）表格格式如表4-2所示。

表4-2 失效模式影响和危害性分析（FMEA）表

下面我们给出一个失效模式影响和危害性分析（FMEA）示例。如表4-3所示。

表4-3 失效模式影响和危害性分析（FMEA）示例

（4）分级假设与检验方法 假设检验方法是将问题分解成若干阶段，在不同阶段都提出问题，作出假设，然后进行验证，得到这个阶段的结论，……直到最终找出可以解决问题的答案为止。其逻辑过程为：

阶段A：问题A→假设1，2，…→验证1，2，…→结论A；

阶段B：问题B→假设1，2，…→验证1，2，…→结论B；

阶段C：问题C→假设1，2，…→验证1，2，…→结论C。

直到得出可以解决问题得最终结论。

在上面的逻辑验证过程中，每一个阶段都是一次PM分析过程，下一阶段的问题往往是上一阶段的结论，例如“问题B”，一般会是“为什么会出现结论A？”，然后再作假设和验证。直至最后找到故障原因，提出处理意见。

实例：注塑机小泵单独工作压力可达10MPa，而大、小泵同时工作系统压力仅有5MPa，机器无法正常工作。大小泵输出的油路是连通的，小泵正常，说明问题出在大泵上，从大泵逐步分析如下：

1）阶段A见表4-4。

表4-4 阶段A问题探究

2）阶段B见表4-5。

表4-5 阶段B问题探究

3）阶段C见表4-6。

表4-6 阶段C问题探究

处理措施：①重新配换向阀5A配合表面，使之达到公差范围；②换油并清洗油箱。

（5）故障树/事件树分析法 这种分析类似于鱼骨分析，也是层层展开的因果分析框架。不希望出现的事件，即设备故障或者问题点称为顶事件，用矩形框框起来，中间出现的事件称为中间事件，也用矩形框框起来，最后不再展开讨论的事件称为底事件，用圆圈圈起来。这样按照因果关系连接起来的树形结构图称为故障树或者事件树。故障树与鱼骨图的重要区别是事件之间要区分其逻辑关系，最常用的是“与”和“或”关系。“与”用半圆标记表示，即下层事件同时发生，才导致上层事件发生；“或”用月牙形标记表示，即下层事件之一发生，就会导致上层事件发生。

如图4-15所示故障树，当部件故障1与部件故障2同时发生，才引起设备故障，而下面的元件3或者元件4，其中之一失效，才造成部件故障2的发生。

下面给出一个手提砂轮故障树的实例，手提砂轮机由电源、导线、电动机、熔丝、开关和砂轮等元器件构成，如图4-16所示。现在发现砂轮机手握的电动机部分发热烫手，可以利用砂轮机的故障树进行分析。根据经验，我们得到的故障树如图4-17所示。

图4-15 简单故障树

图4-16 手提砂轮机结构

图4-17 手提砂轮故障树

在图4-17中，电动机过热的原因是由电动机电流过大、负荷过大和电动机润滑不良三个事件以“或”逻辑构成，也就是说：电动机过热或者是因为电流过大，或者是因为负荷过大，或者是因为润滑不良。而负荷过大和电动机润滑不良已经是可以处理的原因了，是不再展开的事件，我们称为底事件，用圆圈圈起来。只有电动机电流过大是中间事件，还需要展开分析。而电动机电流过大又是由电路电流过大和熔丝不断两个事件以“与”逻辑构成，也就是电动机电流过大是电路电流过大与熔丝不断同时作用的结果。而熔丝不断的原因只有是熔丝容量过大，再不展开，成为底事件。而电路电流过大却可以展开为：或者内部短路，或者电路电压过高这两个原因。

显然，故障树比鱼骨故障分析更精细，它不仅展示了故障的因果层次，而且表明了因果之间的逻辑关系。因此，在国际上对复杂系统的分析多采用故障树分析方法，这方面的应用软件也比较丰富。

（6）故障字典法 故障字典法就是维修人员将故障诊断经验进行条理化的总结，以表格形式反映出来，便于今后对照检查。也有一些设备生产厂，为了方便用户对设备进行维修、维护，随产品附带一套自检测系统或者故障字典表，用户可以根据设备显示的故障编号或者出现的故障现象，查阅故障字典，定位设备故障，采取相应措施排除故障，恢复设备的功能。无论设备供应商是否提供故障字典，主动、有意识地建立设备故障字典，无疑是积累设备维修诊断经验，辅助诊断维修的有用工具。简单的、常见的故障字典表如表4-7、表4-8所示。

表4-7 简单的故障字典表

表4-8 常见的故障字典表

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对于通过电子模拟量或者数字量表示的电子、电气系统的故障现象，还可以建立如表4-9所示的故障字典表。

表4-9 数字化故障字典表

编制故障字典的原则是：

1）将最经常发生的故障向前排，较少发生的故障向后移。

2）根据不乱、不漏原则，不同故障应该有特有的表征描述，也就是不同故障是可以通过表征的不同加以区分。

3）以最少表征、最简单描述表达不同故障；故障字典力求简洁有效。

表4-10给出了一个简单故障字典应用实例。

表4-10 汽车三元催化器故障字典表

（7）PM分析方法（WHY-WHY分析法） PM分析是透过现象，分析事务物理本质的方法。所谓的P，是phenomena、physical、problem、preventive的四个英文单词的字头，是说任何故障都表现出某种“现象”，这些现象是“物理的”，它导致“问题”的出现，而这些问题是“可预防的”。在现象背后存在着五个M，即mechanism、material、machine、manpower、meth-od这五个英文单词的字头，就是说现象背后的原因可以归纳为“机理”、“材料”、“设备”、“人力”、“方法”等要素，这五个要素，也有用“人、机、料、法、环”来描述的。

凡是有故障（问题）出现，连续问五个为什么，如果认真回答并正确地回答每一层次的问题，总会找出满意的答案。不少企业把这一方法称为五个WHY的程序。凡是问题出现，一定要填写一张回答问题的表单，连续提出并且回答五个相关的问题，对出现的现象给以合理的解释，就可以基本解决这个问题，或者至少可以接近问题的答案。这是一种最典型的唯物主义分析问题方法，用这种方法可以激励我们开动脑筋，解决问题。

PM分析一般是由以下几个阶段构成的。

1）明确现象。首先应正确认识现象，认识和分析现象的表现方式、状态、发生部位、设备种类差异等。

2）探索调查研究方法。根据现象研究确定相关的调查、测定、检验、分析方法，确定调查项目、检测范围、容差、基准、限定值等。

3）对现象进行物理解释。应该肯定地说，任何现象不会是无缘无故发生的，都存在其物理化学背景。因此，要力图用物理或者化学的科学原理来解释发生的现象。如果能够通过理化检验、验证的手段来辅助就更好。努力找出现象出现的物理、化学原理。例如，机床主轴出现轴向裂纹，可以通过金相检验找出是原材料缺陷还是热处理应力，抑或是疲劳应力集中。如果实在无法解释现象，可以作出假设来加以验证。

4）探讨现象促成的条件。根据科学原理、法则来探讨现象促成的条件。通过穷举方法尽可能多列举促成现象的条件，无论其出现概率大小都应加以考虑，然后再进行分析筛选。

5）探讨与机器、工具、材料、方法、环境、作业者的相关性：把与现象有关的条件列出来，从人、机、料、法、环等几个方面筛选最有关系的因素，画出因果关系图。

6）找出主要问题。针对各项调查、检验、分析结果，找出产生现象的主要矛盾和主要问题。

7）研究确定问题解决或改进方案。根据掌握的工具、手段和方法，确定如何解决问题或者改善问题。

辅助开展PM分析的管理表格如表4-11所示。

表4-11 PM分析的管理表

PM分析的过程往往是顺其自然的。下面通过一个漏油故事的事例说明通过PM分析解决问题的过程。

图4-18所示的内容是某工厂气缸活塞的漏油故事。操作员工进行的PM分析方法由表4-12所示。

一开始，操作员工发现漏油，以为是O形密封圈失效，就换上一个密封圈；结果两天之后又开始漏油，就习惯性地摆上一个桶来接油。这也是当前很多工厂惯用的方法。大家知道，用桶或者导油槽来接油可以解决漏油漏满地的问题，却并不能真正解决漏油问题。而润滑油品的泄露会造成润滑不良，又会导致剧烈磨损，接着引起部件松动、振动、疲劳应力和微裂纹，微裂纹连接起来就是开裂，最后导致故障发生。这是典型的多米诺骨牌现象。而这个动脑筋的操作工通过一步一步进行WHY-WHY分析，从而找到了解决办法。

图4-18 通过PM分析解决漏油问题的过程

表4-12 PM分析的管理表

（8）故障的集合优选搜寻法 故障的集合优选搜寻方法是故障定位的程序优化方法。首先介绍纯集的概念，设有若干集合相交，当且仅当属于某集合的元素构成该集合的纯集。我们以诊断为例来解释如何运用纯集的概念。如图4-19所示故障与表征（症状）的网络关系图，{f1、f2、f3、f4、f5}为故障集合，表示“病因”，{s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8}为表征集合，表示“临床症状”。它们之间的连线表示它们之间存在着因果关系。显然，一个故障可能有多个表征，就像一种疾病有多个症状一样；一个表征联系多个故障，就像一种症状可以在多个疾病里出现一样。

图4-19 故障与表征的网络关系图

我们给出诊断程序优化的三个原则，即最大概率原则，最小费用原则和纯集优选原则。

1）最大概率原则。我们总是寻找最大概率的故障和故障中最大概率的表征进行诊断，这仍然是对80/20分布法则的应用。按照80/20分布规律，20%的设备故障决定着80%的故障停机时间。如果我们抓住最大概率，约占总数20%的故障和故障表征，就接近或者解决了80%的问题。如果最大概率的故障表征没有出现，再退而求其次。

2）最小费用原则。这是指广义的最小费用，即我们永远从最容易、最简单的诊断开始，也就是利用最短时间，最少仪器设备得到需要的结果，如果效果不理想，再继续深入。诊断应该是由表及里，由浅入内，步步深入。这正如家里的电视不亮，很少有人冒失地打开电视机壳，从显像管开始检查。一般先要开灯试一下是否停电，然后再用试电笔检查一下插座，然后再捏捏插头看有没有问题，最后再看内部电源部分，这就是广义的最小费用原则。

3）纯集优选原则。什么是故障纯集呢？当且仅当属于某一特定故障的表征集合称为该故障的表征纯集。在图4-19中，故障f1的纯集是{s1}，故障f2的纯集为{s2}，故障f3的纯集是{s3、s6}，f4的纯集是{s8}，而故障f5的纯集显然是{s7}。

我们总是在故障的表征纯集里寻找诊断表征，例如在图4-19中，如果先对s4进行诊断，发现症状s4出现，由此我们还无法判断哪个故障发生，因为具有症状s4的故障有三个，即f1、f2和f4。当我们从s1开始，诊断发现s1这一症状存在，就会马上确定故障f1的存在，因为s1是故障f1的症状纯集中的元素。也就是说我们永远注意那些故障所特有的表征，而不是共有的表征。

以上的原则看起来很简单，但自觉、灵活地应用会使故障定位的效率大大提高。

（9）劣化趋势图分析 设备的劣化趋势图是做好设备倾向管理的工具。劣化趋势图是按照一定的周期，将设备的性能进行测量，在劣化趋势图上标记测量点的高度（任何性能量纲都可以换算成长度单位），一个一个周期地描出所有的点，把这些点再用光滑的曲线连接起来，就可以大体分析出下一个周期的设备性能劣化走向。

如果存在一个最低性能指标，则可以看出下一周期的设备是否会出现功能故障。劣化趋势图如图4-20所示。

图4-20 劣化趋势图

下面谈谈设备故障的源头追溯与根除预案问题。

笔者曾经在一家发电企业考察，发现在这家企业同样类型的事故竟然频频发生！出了事，我们的企业往往重视追究事故责任，注重对责任人的处罚，却忽略了对问题根源的寻找、分析和根除。有时候，责任人已经被他们也不愿意看到的事故本身惩罚了，甚至失去了宝贵的生命，但其他人却不知道如何接受教训。在我们的企业，实施“源头追溯与根除预案——RCSP”确实十分必要。RCSP是笔者结合国际上流行的根源分析（RCA）方法，为适应中国企业实际，浓缩、精简、改造而成。

源头追溯与根除预案RCSP步骤共分为五个阶段：

阶段1：数据收集

发生事故以后，应立即展开“源头追溯”的数据收集工作，以防止数据的丢失。

在确保安全和有利于恢复生产秩序的前提下，甚至应该在故障、事故发生时就开始数据收集。

收集的信息应包括：涉及的人员，事故发生前、发生过程中和发生后的全部情况、环境因素，以及其他一些与事故发生有关的信息（包括所采取的紧急措施）。

阶段2：源头追溯

程序：分析收集到相关的事故数据，按轻重缓急分类确认各种原因要素，总结这些要素，直至评估出最最基本的原因——源头为止。

目的：找到导致事故发生的源头。

事故源头追溯：一般可以分为四个步骤。

源头追溯四步骤：

1）识别存在的问题，定义这些问题并判定其重要性。

2）围绕存在的问题，识别事故的真正原因（状态或者措施）。

3）分析真正原因，排列出各种原因要素并要推荐纠正的措施。

4）将找到的事故源头和分析的结果，填入给定的表格样式并输入计算机系统。

事故源头追溯的主要内容是：

1）事故源头追溯的结果。按评估程序的要求可分为三种：直接原因、间接原因、根本原因。

2）事故源头追溯的过程。按照“原因”形成的一个导致故障、事故发生的原因链，一步一步追溯，直至找到“导致故障、事故发生”的源头为止。

3）“源头”即最最基本的原因，只有对根本原因进行纠正，才能防止事故的再次发生；还能防止整个设备系统中类似事故的发生。

阶段3：根除预案

识别出根本原因后，要对原因链中的诸多原因采取相应的纠正措施，以降低重复故障、事故发生概率，进一步改善其安全性和可靠性；

设计的纠正措施，要考虑一系列相关的问题，如：

1）根除预案是否防止了事故的再次发生？

2）根除预案的可行性如何？

3）根除预案的实行是否会引入新的风险？

4）“假设”的风险是否已经被清楚地描述？

5）如何安排不同根除预案的实施顺序？

6）实施该根除预案是否需要培训，还需要哪些资源？

以保证这些根除预案的可行、有效且能够持续改进和发展。

阶段4：预案发布

工作内容1：将源头追溯、分析过程以及推荐的根除预案输入计算机系统。

工作内容2：输入对分析结果、根除预案以及在事故中涉及的人员和管理等问题的讨论和解释。

工作内容3：把源头追溯与根除预案的结论，发布给相关设备或类似的设备和人员，以使RCSP的结论在更大范围内发生作用。

阶段5：结果跟踪

结果跟踪的目的是判断所确定的根除预案在解决此类问题方面是否有效。

1）必须跟踪根除预案，以确保实施的正确性。

2）要周期性评审根除预案，检查其是否达到了预定的效果。

3）一旦近期又发生类似故障、事故则应严肃认真地分析以验证为什么根除预案没有达到预定的效果。

4）当分析的系统发生变化时，必须对变更部分重新进行RCSP。

5）要充分利用已保存的故障、事故分析记录，不断进行对照和总结，以使RCSP达到更好的效果。

图4-21给出了源头追溯与根除预案的流程示意。

图4-21 源头追溯与根除预案的流程示意

RCSP所设计的原因分类如表4-13所示。在源头追溯中，所有原因和问题源头总可以在此表中找到对应。这个表可以有效地辅助我们寻找源头。

表4-13 原因和源头分类表