機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 輝

（河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司，河南 三門(mén)峽 472000）

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化水平有了飛速的提升，數(shù)字化、智能化的自動(dòng)化機(jī)電設(shè)備功能完善，在工業(yè)生產(chǎn)、信息通訊和人們生活領(lǐng)域的各種家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展[1]。機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中，難免會(huì)發(fā)生故障問(wèn)題，而一般情況下，高科技的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，出現(xiàn)故障的概率較低，但是由于受工作環(huán)境、操作失誤或其它因素的影響，尤其當(dāng)設(shè)備接入各種各樣的元件時(shí)，容易引發(fā)故障的情況。在一些大型電氣工程自動(dòng)化設(shè)備中，如果一旦發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線直接癱瘓，造成停工停產(chǎn)的嚴(yán)重后果，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)遭受重大損失。而傳統(tǒng)的電氣工程設(shè)備故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)存在診斷不精準(zhǔn)、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、診斷效果差等問(wèn)題，不能滿足現(xiàn)代電氣工程設(shè)備故障自動(dòng)診斷的高效性要求，因此必須設(shè)計(jì)一套完善的、高效率、性能穩(wěn)定的故障診斷系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備故障診斷的需求。

1 機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在優(yōu)化機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用故障檢測(cè)和記錄機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)的性能，利用網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行時(shí)的故障情況，一旦發(fā)現(xiàn)故障情況可以進(jìn)行及時(shí)的診斷與維護(hù)。通過(guò)建立用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、模型管理模塊、故障檢測(cè)模塊、系統(tǒng)管理模塊的設(shè)計(jì)，完善了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[2]。用戶登錄模塊可以防止非法用戶的入侵，維護(hù)系統(tǒng)安全；數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和管理，完成與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸；模型管理模塊對(duì)檢測(cè)、診斷與維護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，為網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)調(diào)用提供方便；故障檢測(cè)模塊分為故障檢測(cè)和檢測(cè)結(jié)果兩部分，通過(guò)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行狀態(tài)的分析，給出具體優(yōu)化方案；系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)用戶的管理，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行[3]。

機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括三層。

圖1 機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是由數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)器層和命令交互層組成，各層中分別設(shè)有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)采集層設(shè)有激光光源、OTDR和功率計(jì)，激光光源是一種驅(qū)動(dòng)白光光源的寬譜光源，是一款穩(wěn)定性高、零度高、壽命長(zhǎng)的寬譜光源，經(jīng)過(guò)連續(xù)激光直接加熱可以產(chǎn)生高效寬頻譜光，波長(zhǎng)范圍在1700nm～2100nm左右，具有穩(wěn)定性高、零度高、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)；OTDR為一款5.7英寸彩色觸摸屏、可以同時(shí)進(jìn)行雙操作模式的故障光纖測(cè)試儀，集穩(wěn)定光源、光功率計(jì)、紅光筆和光眼于一體，利用以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也可通過(guò)不同USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；BK-034功率計(jì)即插即用，當(dāng)過(guò)載報(bào)警值低于最大負(fù)載功率時(shí)，屏幕顯示ERR報(bào)警，此時(shí)應(yīng)禁止退出設(shè)置。服務(wù)器層設(shè)有主服務(wù)器和備份服務(wù)器，兩個(gè)服務(wù)器在同一通信網(wǎng)絡(luò)下共同檢測(cè)故障信號(hào)后，向數(shù)據(jù)采集層的OTDR發(fā)送檢測(cè)命令，將監(jiān)測(cè)的信號(hào)利用切換光開(kāi)關(guān)傳輸?shù)疆惓＞W(wǎng)絡(luò)之中，OTDR將測(cè)試結(jié)果返回給服務(wù)器，最終確定故障位置，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器端。命令交互層包括操作終端和移動(dòng)終端，用戶通過(guò)移動(dòng)終端與服務(wù)器相連進(jìn)行界面操作，能夠防止多個(gè)客戶端同時(shí)進(jìn)行操作。

在系統(tǒng)故障診斷過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊將采集的故障信息發(fā)送到智能體中進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后可以滿足故障信息確定的要求。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)在正常狀態(tài)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，采用故障分析法判斷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障情況。一旦出現(xiàn)故障情況，故障排除系統(tǒng)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，根據(jù)各個(gè)單元模塊信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流、接口利用效率、信息傳輸時(shí)延等特性進(jìn)行分析判斷，確定正確的故障位置，及時(shí)有效的診斷與排除，避免引發(fā)重大的故障情況，影響企業(yè)正常的生產(chǎn)工作。

在網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試之中，OTDR硬件工作原理與雷達(dá)極為相似，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中的散射角度，將測(cè)試所需的激光脈沖添加到通信網(wǎng)絡(luò)之中，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括信號(hào)處理器、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收機(jī)、光纖耦合器等。信號(hào)處理器負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，可以形成互補(bǔ)碼序列；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射機(jī)將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)線路上；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)處理器之中。OTDR工作過(guò)程為：通過(guò)信號(hào)處理器的互補(bǔ)碼，可將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)轉(zhuǎn)換光信號(hào)形式，經(jīng)過(guò)光纖耦合器可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)奖诚蚧夭ù鎯?chǔ)器之中，利用光纖耦合器反饋到信號(hào)接收機(jī)之中，判斷通信網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，檢測(cè)出現(xiàn)故障的信號(hào)。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，應(yīng)具備現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的平面動(dòng)畫(huà)顯示，實(shí)現(xiàn)故障在線監(jiān)控，并具備統(tǒng)計(jì)分析功能，及時(shí)確定正確位置對(duì)故障進(jìn)行排除。近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，除了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障排除法、專家?guī)炀W(wǎng)絡(luò)故障排除法、邏輯判決法等診斷方法，基本上都采用人工智能故障排除方法，能夠精準(zhǔn)快速地判斷出故障的情況和位置，可以進(jìn)行及時(shí)有效的診斷維修。

故障診斷流程：

在機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)備故障的層次進(jìn)行分層次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)合理的邏輯控制流程。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段、類型的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，獲取故障的準(zhǔn)確位置，并對(duì)位置點(diǎn)輸入。盡可能將最底層故障輸入信息程序中，以便獲得更多的故障檢測(cè)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)快速故障診斷。

利用模糊推理的方法對(duì)故障位置進(jìn)行確定，并與之前案例相對(duì)比，結(jié)合共性設(shè)計(jì)故障診斷流程，如圖2所示。

圖2 故障診斷流程圖

在故障診斷過(guò)程中，先將故障信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并把確定的故障數(shù)據(jù)輸入到模糊綜合評(píng)價(jià)模塊之中，利用模糊推理技術(shù)生成模糊推理模型。通過(guò)對(duì)所檢測(cè)的信息特征的分析，判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)情況，則需考慮數(shù)據(jù)異常的警告信息，并進(jìn)行反向模糊推理，依據(jù)歷史故障排除信息進(jìn)行綜合判斷。

報(bào)警信息的警告級(jí)別不同，在不同顯示模塊上采取不同的顯示顏色作為警告標(biāo)志，通過(guò)不同的顯示來(lái)確定故障信息的級(jí)別。報(bào)警信息利用主動(dòng)輪詢采集方法，將采集的結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層中進(jìn)行儲(chǔ)存，其中包括基本參數(shù)、設(shè)備信息、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)信息等，在服務(wù)器特定格式下進(jìn)行檢測(cè)，獲取目標(biāo)設(shè)備各種性能數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)值與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，如果采集的數(shù)據(jù)值超過(guò)閥值范圍，就會(huì)生成相應(yīng)的故障報(bào)警信息。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化故障診斷系統(tǒng)利用相關(guān)的檢測(cè)方法和監(jiān)視診斷手段，通過(guò)對(duì)所檢測(cè)信息特征的分析，判斷系統(tǒng)工況狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并采取合理的維護(hù)措施。故障診斷系統(tǒng)具有強(qiáng)大的可編程的控制器設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑿盘?hào)模式轉(zhuǎn)換為數(shù)值模式，進(jìn)行多個(gè)運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)以及故障信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的交換和實(shí)時(shí)的控制。機(jī)電設(shè)備本身可靠性極高，故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用OTDR作為系統(tǒng)硬件不僅能夠提供內(nèi)部各種信號(hào)的轉(zhuǎn)換，還能對(duì)外部故障進(jìn)行診斷，有效預(yù)防事故的發(fā)生，保證了機(jī)電設(shè)備的效率和運(yùn)行的安全可靠性。