水電站機電一體化設備故障診斷技術探討

中域網空（成都）信息科技有限公司 李鐵成

1 引言

機電一體化技術是現階段我國整體建設和發展過程中的一項重要技術，該技術融合了設備制造、計算機、微電子等技術類型，所形成的設備能夠充分地滿足現代的生產需求。而隨著當前機電一體化技術在水電領域的廣泛應用，其各類故障現象也受到人們越來越多的關注，要保證水電設備的正常使用，在工作之中就必須強化對其的診斷工作。

2 機電一體化設備在水電站中的應用

機電一體化系統的整體形式較為多樣，且不同形式的系統功能存在著較大的差異，但通常而言一個完整的機電一體化系統通常包括的子系統為：機械本體、動力部分、檢測部分、執行機構以及控制器等。

機械本體包括了相應的機械傳動裝置以及機械結構裝置，機械子系統在設備運行過程中的主要功能是讓各類子系統和零部件按照一定的空間和時間關系，處在正確的位置上[1]。水電站機電一體化設備的應用主要集中測控系統和調速系統，測控系統主要是針對機組運行狀態進行監測的系統，例如軸承溫度、冷卻油溫度和機組的轉速等，如果對應的系統發現相關部分的溫度超過預定值，則會發出預警或是直接停機，以保護水電機組運行的正常性。而在調速系統之中，一般是采取PLC 微機調速系統，通過這種方式對發電機頻率和電網功率進行把握，并在此基礎上對發電機組的轉速和有功功率進行調整，其中發電機頻率與轉速的關系可以描述為：

式中，n 為發電機的轉速；f 為頻率；p 為轉子磁極對數。

相關的機電一體化系統通過電網調整有功功率指令的方式，對水輪機導水機構開度進行調整，據此達到調整效果，如圖1所示。

圖1 水電站PLC 微機調速系統

3 水電站機電一體化設備的故障診斷

3.1 硬件邏輯故障

無論對應的機電一體化設備在整體的控制系統方面如何復雜，其整體結構仍然是相對較為簡單的，通常可以劃分為基本的邏輯單元，而邏輯單元又可以歸納為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類，設備在運行過程中輸出信號可以使用組合邏輯電路輸入信號的邏輯函數表示的邏輯電路，而時序邏輯電路則是指對應設備的邏輯電路中，特定時刻的輸出值，不僅依賴于本次加入邏輯電路的輸入端信號，而且依賴于先前加在該輸入段的信號。邏輯電路的故障如下。

一是永久性故障。這一故障指的是無法有效恢復的故障現象，通常而言永久性故障的主要特征是對于給定輸入，相關的電路會產生錯誤的響應，錯誤特征具有典型的重復性。導致永久性故障的原因，通常為硬件的故障現象，如集成電路的輸入或輸出端，或者電路板上某一連線，其邏輯固定值不變而導致的錯誤現象，其產生原因通常是因為芯片內部出現短路現象或開路現象，由于故障本身處于硬件的內部，因而一般難以進行有效的修復，排除該故障，只有通過更換元件的方式來實現[2]。橋接故障也是一種比較常見的永久性故障，這種現象產生的原因一般是因為相應的印刷電路板上，彼此相鄰的線間存在穿通或者是短路的現象，這種現象即為橋接故障。而這種故障導致的硬件邏輯故障，與具體的邏輯功能、電路的整體結構等因素相關，在不同的元件上出現該故障現象，最終所產生的故障現象也是存在一定差異的。

二是間發性故障。這種硬件邏輯故障現象產生的原因通常是外界因素的干擾、計時偏差等因素導致，其本身具有較強的隨機性和偶發性特征，在故障產生之后往往難以進行準確的診斷和排除，而在發生故障之后對設備進行再次運行，其再次發生同類故障的可能性較小。分析間發性故障產生的原因，其通常是因為元件或電路在特定方面的容限不足，如時間要求過于苛刻、抗干擾容限較小等，而造成相關的系統整體穩定性不強的問題導致的故障情況[3]。例如在部分機電一體化設備之中，相關的邏輯電路因為傳輸的延遲而導致的多個信號無法在同一精確時刻發生的現象。對于愈發精密的集成電路芯片，這些問題更為常見，間發性故障發生率也更高。

3.2 軟件故障

軟件故障也是現階段機電一體化系統之中常見的故障類型，這一故障類型可以根據軟件的性質不同，分為系統軟件故障和應用軟件故障兩種類型。其中系統軟件故障所指的是，相關軟件在本身在進行設計的時候，沒有對機電一體化系統的功能形成充分的了解和認識，因而在算法、定義和各個模塊之間的銜接上，存在對應的錯誤現象，這些錯誤會導致機電一體化設備無法正常有效地運行。有鑒于此，相關單位在進行設計的時候，應當對系統進行全面的了解和掌握，從而充分提高系統軟件的可靠性。其次，應用軟件故障也是機電一體化系統之中常見的故障類型，這種故障產生的原因，是由于對應的操作過程中，數據的書寫格式、程序的語法和結構上存在著錯誤的現象，并由此導致機電一體化設備無法正常運行。這種錯誤產生的主要影響因素是人員因素，在防范此類故障的過程中，相關單位和人員通過對數據輸入的過程進行嚴格的把關，將能夠有效地避免此類故障的發生[4]。

3.3 干擾故障

干擾故障所指的是電氣干擾，一般是由于一些與信號無關的，在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現的不良電氣變化所導致，這類現象如電氣瞬變脈沖在發生之后不僅可能導致整體的信號質量出現嚴重降低，甚至有可能對電路本身的正常功能形成危害，導致設備的損壞等。干擾產生的來源較為多樣，常見的干擾故障如下。

一是靜電干擾。對應的設備和周圍物體表面聚集了大量的電荷之后，對電路進行泄放而產生的干擾現象。

二是磁場耦合干擾。這種干擾現象本質是一種感應干擾，如設備的電動機、繼電器、風扇等在運行過程中產生相應的磁場，以工頻形式通過電源耦合到控制系統的閉合回路之中，就會對系統帶來干擾。

三是電磁輻射干擾。這種干擾情況主要是因為設備的工作范圍內，存在的一些電磁輻射源，其產生的電磁波帶來的干擾現象。

從這些內容之中，可以基本了解到機電一體化設備在運行過程中常見的一些故障，通過準確地把握這些故障特征，將能夠為設備的診斷創造比較良好的條件。水電站機電一體化設備常見故障類型詳見表1。

表1 水電站機電一體化設備常見故障類型

4 水電站機電一體化設備的故障診斷

4.1 機電一體化技術的人工智能故障診斷

人工智能故障診斷技術在當前機電一體化設備之中應用比較廣，該技術的具體診斷方法包括專家系統故障診斷、神經網絡診斷以及故障樹診斷等。

首先專家系統故障診斷方法在應用過程中，是在對應的知識庫之中存儲被控制對象的故障征兆、故障模式、故障原因和故障處理建議內容，在進行診斷過程中通過篩選符合特征的故障類型，最終可以實現對機電一體設備是否出現故障、故障類型進行明確。在早期的診斷過程中，相關系統主要是基于經驗知識來進行診斷，隨著當前技術的快速發展，相關診斷系統也越來越注重對深層次故障知識的應用，從而極大地提高專家系統診斷的準確率和可靠性。

其次，神經網絡診斷的方式相較于專家診斷系統而言，具有較高的復雜性，系統能夠進行多模式故障的診斷和聯想，對于專家系統應用過程中存在的一些不足可以形成幅克服[5]。神經網絡診斷過程中，首先需要從控制系統中對各類故障信息和故障現象等資料進行準確獲取，其次需要依托所獲取的故障信息，進行相關的處理與學習，尋求解決措施。該過程中需要對神經網絡分進行不斷的訓練，來增強其診斷的有效性和可靠性，系統自身也可以在不斷的學習過程中，通過進行權值和閾值的調整，達到提高診斷有效率的效果。

故障樹診斷模型也是現階段用于機電一體化設備故障診斷過程中重要技術，相關技術在應用過程中，以診斷對象最不希望發生的事件為頂事件，按照對象的結構和功能關逐層展開，尋找直接導致這一故障生的中間事件，直到不可分的底事件為止，再用適當的邏輯門把頂事件、中間事件和底事件進行連接，最終形成故障樹模型，這種方法也可以幫助相關單位和人員對故障發生的原因進行詳細分析，有助于徹底進行故障的排除。

4.2 基于多傳感器信息融合的故障診斷方法

信息融合是多信息源綜合處理的一項新技術，在應用過程中對于機電一體化設備的故障診具有較強的作用和價值。多傳感器信息融合過程中就是利用信息融合技術，對大量傳感器數據進行多級別、多方位和多層次的處理，從關聯的參數之中獲得對應結論。該過程所具有的故障診斷優勢如下。

一是多傳感器信息融合處理能夠得到比單一傳感器更為全面、準確和可靠的信息，相關信息能夠幫助人們從多個角度對設備可能存在的故障進行分析。

二是在多個相似傳感器的信息采集過程中，所獲取的信息具有較強的冗余性，而冗余信息的存在，將能夠從整體上彌補設備診斷過程中，相關信息可能存在的不確定性問題。

三是不同類型的設備傳感器在工作和信息采集的過程中，具有較強的互補性，這一特征的存在可以有效地避免傳統單一傳感器信息采集的范圍局限性問題。

四是多個傳感器共同進行信息采集，將能夠極大地增加系統的可靠性，如果在工作之中部分傳感器出現故障，并不會影響信息采集系統的正常工作，從而有助于對機電一體化設備的故障診斷工作開展。整個過程中，相關傳感器信息獲取的冗余、交叉和互補特征可以幫助人們從大量信息之中進行相關的故障特征提取，然后根據故障表征和系統知識，展開更為詳細的診斷，判斷對應系統是否存在故障，以及其故障源的特點。立足于這種方法，工作人員可以厘清故障源與故障表征的映射關系，不僅有助于現階段對故障的有效處置，同時也有助于未來對故障的防范和排除。

5 結語

水電站機電一體化設備的整體結構復雜程度相對較高，其發生故障之后對于生產的影響也比較大，因此針對其采取合理的故障檢修措施，快速地實現對故障的排除，將有助于實際的生產。為了實現這一目標，相關單位和人員一方面需要對機電一體化設備故障的類型形成系統性的認識，另一方面則需要對現階段的具體診斷技術、診斷方法進行掌握，加以應用，確保機電一體化設備的正常使用。