盾構電氣系統元器件檢測平臺研制與應用

劉作威,張闡娟,王丙超,石富明

(中鐵隧道局集團有限公司設備分公司,廣東 廣州 511466)

0 引言

盾構作為一種在隧道掘進過程中構建隧道支撐結構的專用裝備,其整機掘進壽命一般在8～10 km,市場上現存的近30%盾構產品即將進入大修及報廢時段,盾構再制造產業將逐步成為盾構行業發展的重要組成部分[1-2]。盾構電氣系統元器件檢測、綜合評價屬于再制造關鍵技術[3],受隧道惡劣施工環境及復雜運行工況影響,盾構電氣系統元器件尤其是傳感器、低壓電器模塊、小功率電機變頻器易發生損壞。電氣系統元器件故障處理方式多數為更換新的元器件,但由于采購周期較長,嚴重制約現場施工,影響施工工期,增加工程成本。因此研究盾構電氣系統元器件故障檢測并及時做出相應的預警顯得尤為重要。

國內針對大型設備電氣檢測系統的研制和應用更多集中在車輛行業。文獻[4]設計了懸臂掘進機電氣試驗臺系統,用于試驗新產品電控箱參數配型及試驗過程中的檢驗與監控。文獻[5]開發了裝載機電氣實訓臺,用于電氣故障排查及維修訓練。文獻[6]針對汽車開關器件測試和使用壽命進行了研究。目前,國內外多個廠家、研究機構針對盾構掘進、密封、液壓等關鍵系統進行了模擬試驗平臺開發研究[7-10],但國內還沒有系統、全面地針對盾構電氣系統進行檢測的平臺,大多依靠24 VDC開關電源和萬用表人工離線式檢測輸出電壓、電流信號,檢測手段單一且測試精度不高,工作效率低。

本文依托中鐵裝備和海瑞克品牌盾構再制造項目,針對盾構易損元器件,運用專家系統、自適應濾波和主成分分析法相融合的控制策略,通過模擬盾構掘進實際運行工作環境,設計研制出一套盾構電氣系統元器件故障檢測、實時在線監控一體化試驗平臺,并開展盾構電氣系統元器件故障檢測研究,以期為盾構電氣系統在線監控、集中檢測、綜合評價以及再制造標準的確定提供參考。

1 平臺系統設計

1.1 整體設計

盾構電氣系統元器件檢測平臺通過模擬盾構實際工況,利用機械、液壓、電氣等多源控制系統,采取變溫、調壓、伺服驅動等多種加載運行方式,設置物理量輸入邊界條件,基于工控機和S7-1500PLC控制系統采集和記錄來自待測和標準電氣系統元器件的數據,并運用專家系統、自適應濾波和主成分分析法相融合的控制策略,保證盾構電氣系統元器件性能測試的順利開展,探索盾構電氣系統元器件故障檢測技術,使盾構電氣系統元器件檢測簡單化、程序化、規范化。

盾構電氣系統元器件檢測平臺主要由機械、電氣、液壓3部分組成,考慮盾構電氣系統元器件檢測的便捷性、安全性,將平臺分成電氣控制和液壓控制2個相對獨立的柜體,并由以太網通訊電纜連接,如圖1所示。電氣控制柜作為核心部件,主要裝載供電系統、控制系統和人機界面操作面板,執行行程傳感器、角度傳感器、接近開關以及接觸器、斷路器、繼電器、比例放大板等模塊的檢測功能; 液壓控制柜主要安裝液壓動力控制系統、測試儀器儀表、電源接口,執行溫度、流量、壓力、土壓等傳感器和開關電源、小型變壓器以及小功率變頻器的檢測功能。

1—臺架蓋板; 2—觸摸屏; 3—低壓開關元器件接口; 4—行程傳感器檢測裝置; 5—電氣控制柜; 6—角度傳感器檢測工裝; 7—測試儀器; 8—壓力傳感器檢測裝置; 9—液體流量傳感器檢測裝置; 10—溫度傳感器檢測裝置; 11—電源接口; 12—氣體流量傳感器檢測工裝; 13—液壓控制柜。

1.2 機械系統設計

盾構電氣系統元器件檢測平臺采用“琴臺式”設計,由顯示、控制和測試3大部分組成。1)顯示裝置有上位機顯示屏和儀器儀表,分別安裝在電氣控制柜和液壓控制柜蓋板內側,可實現試驗參數設置、測試步驟提示及測試結果顯示等離線和在線檢測功能。2)控制裝置位于平臺內部,裝載有液壓系統和電氣控制系統。3)測試裝置采用獨立模塊式箱體設計方式對盾構的傳感器、低壓電器模塊、小功率變頻器進行獨立自行檢測。

電氣控制柜上設計搭載了行程和角度傳感器工裝,為滿足長距離行程傳感器檢測,將工裝設計成可自動升降模式,利用伺服電機帶動行程傳感器磁環或拉繩移動,可在工裝上檢測盾構推進油缸、鉸接油缸、螺旋機后艙門行程傳感器以及接近開關;另外,行程傳感器工裝上安裝有編碼器,通過伺服電機實現對盾體傾斜和俯仰角度傳感器的檢測。液壓控制柜上設計搭載了壓力、溫度、流量傳感器工裝,主要利用平臺液壓泵站系統對油液管路加壓,實現對壓力傳感器的檢測試驗;通過變頻器改變外接氣源和水源的輸入,實現對盾構泡沫系統氣體和液體流量傳感器的檢測。

1.3 液壓系統設計

盾構電氣系統元器件檢測平臺液壓系統主要由液壓泵站、液壓閥組、油氣管路和傳感器檢測裝置組成。液壓系統最大測試壓力為4 MPa、最大測試流量為20 L/min,采用1.5 kW三相異步電動機將動力傳動至液壓泵,利用換向閥控制壓力傳感器、土壓傳感器及注漿壓力傳感器的檢測管路通斷,并通過比例溢流閥調節系統管路壓力。平臺液壓系統原理如圖2所示。

1—油箱; 2—過濾器; 3—高壓齒輪泵; 4—三相異步電動機; 5—換向閥; 6—壓力表; 7—壓力表開關; 8—傳感器; 9—比例溢流閥; 10—濾油器。

1.4 電氣系統設計

盾構電氣系統元器件檢測平臺電氣系統主要由供電端、控制端和現場端組成,最大負荷為1.5 kW三相異步電動機,采用交流380 V供電方式。電氣控制柜內配置有220 VAC供電電源、24 VDC開關電源和10 VDC開關電源,用于觸摸屏、PLC系統、電氣系統元器件檢測、電磁閥的供電運行; 設有漏電斷路器、熔斷器,為每路提供漏電、短路、過載等保護功能。平臺控制系統基于西門子S7-1500 PLC下位機和Wincc7.2開發人機界面對盾構電氣系統元器件進行檢測、監控。通過以太網通訊網絡實現電氣控制柜和液壓控制柜、上位機和下位機的交互聯通; 同時構建云平臺,通過4G模塊和網絡通道協調器傳遞到DTU網絡轉換終端,從而實現在云端對整個系統的操作和監控。平臺電氣系統設計如圖3所示。

圖3 平臺電氣系統設計示意圖

1.4.1 控制系統硬件設計

平臺主控制系統硬件主要由西門子TP1900觸摸屏和西門子S7-1500PLC控制器組成。SIMATICHMITP1900精智面板采用觸摸式操作,19寸寬屏TFT顯示屏,1 600萬色,配備PROFINET接口、MPI/PROFIBUS-DP 接口、24 MByte組態存儲器和WEC 2013、可組態Wincc Comfort V15。西門子S7-1500 PLC控制器具有極短響應時間,CPU命令處理時間可達到1 ns,集成系統自診斷功能可確保錯誤消息以完全相同的文本信息顯示在HMI上的TIA Portal中、Web服務器中以及CPU顯示屏上; 模擬量信號屏蔽電纜可確保信號接收的高質量,不受外部電磁干擾的影響。

平臺下位機編程軟件選擇TIA博途進行開發,可對西門子全集成自動化中所涉及的自動控制和驅動產品進行組態、編程和調試。本控制程序采用功能塊編寫,對電氣系統元器件進行數據信號采集、處理,最終將形成的待測電氣系統元器件和標準電氣系統元器件信號對比曲線以及檢測結果上傳至人機界面。盾構電氣系統元器件故障檢測流程如圖4所示。

圖4 盾構電氣系統元器件故障檢測流程圖

1.4.2 人機界面設計

人機界面采用西門子的組態軟件Wincc7.2設計,控制平臺的運行并對試驗數據進行實時分析顯示。結合平臺工藝要求和控制需求,該上位機界面由待測電氣系統元器件的模型示意圖、檢測操作步驟、參數設置、數據曲線、實時報警顯示、歷史報警記錄等板塊組成。

用戶可根據上位機界面操作指示調用待測電氣系統元器件,查看元器件的品牌、型號、測量范圍、輸入電壓和輸出電流等基本信息,根據安裝步驟合理裝配連接待測元器件,在參數設置界面輸入待測元器件的量程設定值和偏差范圍值,試驗臺實時采集待測和標準電氣系統元器件的具體數據,經PLC控制系統處理后,將數據上傳檢測界面,并同步生成數據曲線報表,經過專家系統綜合判斷出具最終檢測報告。以壓力傳感器為例,上位機檢測界面見圖5。當系統發生異常時,立即以變色、閃爍和聲音警告等各種形式向操作人員報警,危險時可自動停止系統運行;上位機界面設置有用戶權限登錄控制,通過設定操作權限提高系統的安全性。

(a) 元件介紹 (b) 安裝步驟

2 盾構電氣系統元器件檢測方法及控制策略

2.1 盾構電氣系統元器件離線檢測方法

2.1.1 傳感器檢測方法

常規離線手動檢測輸出信號為4～20 mA的模擬量傳感器時,通常采用24 VDC開關電源給傳感器供電,將待測傳感器和萬用表串聯至檢測電路,形成閉環回路,模擬量傳感器檢測接線原理見圖6。正常情況下,開關電源給電路供電,串聯在電路中的萬用表可用毫安檔檢測到電路中傳感器輸出的4～20 mA電流信號,通過改變傳感器所處環境(如溫度、壓力、位移、角度),萬用表檢測輸出電流值的變化。

(a) 二線傳感器手動檢測接線圖

2.1.2 低壓電器模塊和變頻器檢測方法

常規情況下,給低壓模塊供電后,用萬用表電壓檔或電流檔檢測模塊輸出的電信號,但只能檢測某一時刻低壓電氣模塊是否合格,不能形成連續檢測數據。變頻器檢測通常采用外接電源,設置變頻器參數后,手動調節變頻器轉速旋鈕,可在顯示屏上讀取變頻器的電壓、電流及頻率的變化。

2.2 盾構電氣系統元器件檢測方法

2.2.1 傳感器檢測方法

盾構常見的傳感器有24 V電壓型開關量傳感器(行走限位開關、脈沖接近開關等)、4～20 mA電流型模擬量傳感器(Pt100溫度傳感器、Endress+Hauser流量傳感器、WIKA壓力傳感器、MTS行程傳感器、角度傳感器等)、0～10 V電壓型模擬量傳感器(壓力傳感器等)3種類型[11-13]。在平臺上將待測傳感器安裝到相應的檢測模塊并進行正確接線,對傳感器量程和偏差值范圍進行設定后,利用下位機PLC編制相應程序模擬盾構現場實際工況,調節控制水箱溫度、油管壓力、水氣管流量、伺服電機轉速和編碼器角度,采集待測傳感器溫度、壓力、流量、轉速、角度等物理信號,與標準量傳感器檢測曲線對比,出具檢測報告,判斷傳感器是否可用。

2.2.2 低壓電器模塊檢測方法

盾構常見低壓電器有電壓轉換器(如220 VAC/24 VDC開關電源、230 VAC/24 VAC小型變壓器等),控制電路所帶器件如斷路器(包括漏電保護斷路器、過載保護斷路器)、繼電器(包括時間繼電器、安全繼電器、中間繼電器)、接觸器以及開關按鈕、電位計和數顯表等。利用試驗臺電源輸出接口對開關電源、小型變壓器輸入相應電壓等級的交流電,查看輸出電壓值變化并與標準值進行對比;給電機和閥組的控制電路低壓器件輸入不同電壓等級的電信號,檢查開關的通斷性能、斷電復位功能;將開關按鈕、電位計和數顯表觸點接到相應電源,檢測輔助觸點的通斷動作、過壓過流保護功能、電位計的靈敏性、數顯表的準確性和完整性,形成最終測試表和電壓變化曲線,判斷低壓控制器件是否合格,并形成檢測報告。

2.2.3 小功率變頻器檢測方法

盾構小功率變頻器主要指盾構泡沫系統和皮帶機系統啟動調速所用的變頻器。平臺上搭建小功率電機啟動、調速裝置,用于檢測變頻器。編制軟件程序,檢查變頻器風機散熱性能、帶載能力、電機啟動瞬間的電流值,查看電機能否平滑啟動并調速至額定頻率值,檢測變頻器帶電機運行的電壓、電流、頻率隨時間變化曲線,報警信息應呈現在上位機上,并形成檢測報告。

2.3 盾構電氣系統元器件檢測控制策略

盾構電氣系統元器件性能檢測采取以專家控制系統為主體,自適應濾波和主成分分析法相輔助、相融合的控制策略[14]。平臺將采集到的相同類型待測電氣系統元器件的電壓、電流、頻率、溫度、壓力、行程、轉速、角度、流量等性能指標樣本,經過自適應濾波對指標樣本進行有效提取后輸入專家系統,利用主成分分析法保留原始樣本主要故障信息,經過專家控制系統推理、判斷和決策,實現盾構電氣系統元器件的檢測,并在人機界面顯示出電氣系統元器件的信息及其判斷結果。盾構電氣系統元器件檢測控制策略架構見圖7。

圖7 平臺檢測控制策略架構

2.3.1 專家控制系統推理、判斷過程

由圖7可知,盾構電氣系統元器件檢測控制策略涉及的專家控制系統理論構建由推理機、知識獲取、知識庫、綜合數據庫和人機界面5部分組成。其中,知識庫用于存儲盾構領域專家電氣故障檢測的經驗知識,為推理機提供求解問題所需知識。在知識獲取中,利用機器學習將盾構電氣系統元器件檢測領域事實性和專家所特有的經驗性知識建立計算機軟件系統,協調和控制整個專家系統。在綜合數據庫中建立電氣系統元器件檢測推理的初始證據、中間結果和電氣系統元器件性能檢測結果,從而提高控制性能。根據盾構領域專家提供的電氣故障經驗理論及實踐經驗,推理機模擬人類專家的決策過程經過推理、判斷可快速、準確地找到電氣系統元器件故障原因,提高平臺控制性能。專家控制系統設計結構見圖8。

圖8 專家控制系統設計結構

由圖8可知,專家系統設計結構包括模擬量傳感器檢測系統、開關量傳感器檢測系統、低壓開關元器件檢測系統、小功率電機變頻器檢測系統、故障處理模塊、報警模塊、三維模型等子模塊。將平臺采集到的電氣系統元器件數據送入計算機中進行檢測、分析、故障處理,同時能夠在線監測電氣系統元器件的性能,提供可視化的三維監測界面,當待檢測電氣系統元器件超出閥值時發出報警信號。專家系統根據用戶的需求進行相應設置,其中,各電氣系統元器件檢測模塊用于對待測的各電氣系統元器件的輸入參量生成相應預警信息,判斷是否偏離性能目標,并且根據設計要求生成3D仿真模型,便于存儲和更換數據。各電氣系統元器件數據模塊用于建立盾構的各種電氣系統元器件監測數據表,通過以太網對接監測服務器和基礎數據庫,在三維仿真模塊中通過數據融合找到故障點,便于對電氣系統元器件進行檢測分析。

2.3.2 自適應濾波除噪處理過程

自適應濾波采用歸一化的自適應濾波器,將一種電氣系統元器件的多個物理指標測量問題轉化為相鄰電氣系統元器件信號延時點數的獲取問題,對相鄰電氣系統元器件的延時信息進行提取,能夠很好地去除噪聲,避免監測系統受到模型誤差和外界噪聲的影響,保證監測結果的有效性,提高監測精度。

設一種傳感器的輸入、輸出矩陣信號分別為X(n)、Y(n),n為測量次數,則

X(n)=[x(n),x(n-1),…,x(1)]T。

(1)

Y(n)=[y(n),y(n-1),…,y(1)]T。

(2)

分別為相鄰傳感器的輸入X(n)和輸出Y(n),自適應濾波除噪運行具體步驟為:

1)確定M階濾波器權重系數式矩陣,令所有權重的初值wi(1)為任一固定值或0,余下的每個權重w(k)的抽樣時刻執行以下步驟。

3)計算誤差e(k)=y(k)-d(k),d(k)為期望理想響應信號。

4)確定下一個時刻新的權重w(k+1)=w(k)-2μe(k)x(k),其中μ>0,為步長因子。

按照步驟2)—4)保證自適應濾波器收斂時,權系數矢量可取得w(i)的維納解,從而除去噪聲,保證測量的精度。

2.3.3 主成分分析法判斷過程

平臺性能判定系統采用主成分分析法,對采集到的每種傳感器的原始特征矩陣進行降維處理,即降低特征矩陣的復雜程度,保留樣本中原始特征空間的主要信息,增強辨識度,便于提取故障信息。主成分分析法提取故障信息的步驟如下。

1)建立傳感器的特征矩陣,專家系統含有m個傳感器樣本,每個樣本包含的傳感器故障特征值數量為n,則由系統中的傳感器信息樣本組成原始特征矩陣Z(m×n)∈R(m×n)。

4)計算Y的特征值λi和特征矢量pi。

5)在協方差矩陣中,取前K個特征值和相對應的特征向量,根據X=Z*P計算主成分得分矩陣X。

6)由主成分得分矩陣X的累計貢獻率得出主成分的個數:當X中前G個累計貢獻率≥90%時,則原始矩陣Z的主成分個數為G。

按照步驟1)—6)實現了傳感器故障特征矩陣的降維處理,降低了特征矩陣的復雜程度,并保留了樣本中原始特征空間中的主要信息,增強辨識度,便于提取故障信息。

3 試驗驗證及結果分析

按照設計方案完成了盾構電氣系統元器件檢測平臺(見圖9)的制造,平臺控制系統使用TIA博途開發,具有友好的人機操作界面,能實現對系統的實時控制,同時能自動采集電氣系統元器件檢測的數據。

圖9 盾構電氣系統元器件檢測平臺

3.1 待測電氣系統元器件選擇

為了驗證設計方案的合理性和平臺對電氣系統元器件的控制性能,依托中鐵隧道局中鐵品牌盾構再制造項目,針對傳感器、低壓器件模塊、小功率電機變頻器開展試驗研究,各待測電氣系統元器件參數見表1。

表1 待測電氣系統元器件參數

3.2 離線數據檢測分析

依據盾構電氣系統元器件離線檢測方法,利用萬用表和開關電源離線手動檢測表1中傳感器、低壓電氣系統元器件、變頻器,當前試驗環境溫度為25 ℃,離線手動檢測數據見表2。

表2 待測電氣系統元器件離線檢測數據

由表2可知,離線手動檢測傳感器、低壓電氣系統元器件和變頻器在沒有外接工裝的情況下很難大范圍或全量程改變傳感器檢測要求的溫度、壓力或其他環境,故萬用表只能檢測到待測元器件初始狀態下輸出的4～20 mA范圍內某一電流信號或輸出的某一電壓信號,不能實現連續檢測。

3.3 平臺檢測數據分析

3.3.1 傳感器檢測數據分析

盾構電氣系統元器件檢測平臺模擬溫度、壓力、位移、傾角傳感器實際工況,設計了獨立檢測工裝對4種典型傳感器進行數據采集,并分別與對應標準傳感器數值進行比較,在平臺上位機上設置傳感器數值偏差范圍,當超過設定偏差,顯示當前傳感器報警信息,利用自適應濾波、主成分分析法和專家控制系統綜合檢測控制策略,快速、準確地找到傳感器故障原因。溫度、壓力標準傳感器是參照盾構常見的品牌和型號從WIKA廠家采購的進口原裝傳感器,并經過國家計量檢測單位驗證,精度符合國家標準。4種傳感器檢測數據見表3。

表3 傳感器檢測數據

利用盾構電氣系統智能檢測平臺對溫度、壓力、位移、角度4種典型傳感器開展現場試驗,取30組數據進行驗證,計算分析4種典型傳感器檢測數據的平均偏差和標準偏差。

1)溫度傳感器檢測數值為12～100 ℃,待測溫度傳感器與標準溫度傳感器檢測數據平均偏差為0.59 ℃,標準偏差為0.812 ℃。

2)壓力傳感器檢測數值為0.4～5.7 MPa,待測壓力傳感器與標準壓力傳感器檢測數據平均偏差為0.097 MPa,標準偏差為0.122 MPa。

3)位移傳感器檢測數值為0～125 mm,滿足量程范圍檢測,待測位移傳感器與伺服電機標準位移檢測數據平均偏差為0.44 mm,標準偏差為0.57 mm。

4)傾角傳感器檢測數值為-5°～+5°,待測傾角傳感器與伺服電機標準角度檢測數據平均偏差為0.1°,標準偏差為0.133°。

盾構電氣系統元器件智能檢測平臺檢測模擬量傳感器相比傳統的離線手動檢測傳感器,能夠模擬實際工況,滿足全量程物理量檢測。傳感器智能檢測運行效果良好,檢測數據準確、完整,大大提高了傳感器檢測的準確性。

3.3.2 低壓電氣模塊和變頻器檢測數據分析

盾構電氣系統元器件智能檢測平臺提供了230 V和380 V的交流電輸出接口,當需要對低壓電氣模塊和變頻器進行測試時,將各類電源接口作為低壓電氣模塊和變頻器的輸入,將輸出接到平臺操作面板的通訊電壓表或電流表上,即可在觸摸屏上實現低壓電氣模塊和變頻器的檢測。低壓電器和變頻器的檢測數據見表4。

表4 低壓電器和變頻器檢測數據

利用盾構電氣系統元器件智能檢測平臺對開關電源、小型變壓器、比例放大板3種典型低壓電氣模塊和變頻器進行現場試驗:

1)開關電源輸入235 V交流電,輸出24.13～24.14 V直流電,數據穩定。

2)小型變壓器輸入為407 V交流電,輸出為27.3 V交流電,數據穩定。

3)比例放大板輸入為0～10 V直流電壓,輸出為0～1 A電流且呈線性增長趨勢。

4)變頻器給定0～50 Hz頻率,反饋至平臺的頻率也在0～50 Hz,與設定值最大偏差為0.18 Hz。

和變頻器與傳統手動檢測相比,盾構電氣系統元器件檢測平臺檢測低壓電氣模塊反應迅速,數據準確完善,提高了現場工作效率和低壓電氣檢測的準確性,證明平臺低壓電氣模塊和變頻器檢測符合設計要求。

3.4 盾構傳感器在線故障診斷分析

結合盾構故障檢測控制策略及判斷流程,將待測傳感器檢測參數與標準傳感器或伺服電機參數進行對比,當兩者數據偏差超過平臺傳感器設定偏差,即判定為傳感器數據偏差大。對傳感器全量程測試數據通過自適應濾波和主成分分析法計算,當主成分分得矩陣前期個數超過設定故障數時,平臺判斷傳感器故障,并在上位機界面顯示該傳感器檢測不合格。利用盾構傳感器智能在線監測平臺,設計了盾構傳感器的故障診斷樹(見圖10),能提高故障診斷的效率,節省故障判斷的時間。

圖10 盾構傳感器的故障診斷樹

4 結論與建議

本文主要設計研究了一種盾構電氣系統元器件檢測平臺,通過中鐵號再制造盾構項目典型傳感器、低壓電氣系統元器件、比例放大板和變頻器檢測試驗表明:

1)該平臺檢測數據準確且曲線清晰,驗證了設計方案的正確性和平臺控制性能的可靠性,達到了預期目標。

2)采用“一鍵式”專屬高效檢測方式,按照平臺操作界面提示,設置不同類型、規格的電氣系統元器件參數,實現了模擬現場實際復雜工況檢測元器件全工作范圍物理信號的標定對比測試。

3)搭載智能檢測算法,利用專家控制系統、主成分分析算法,判斷預警電氣系統元器件故障信號,使電氣系統檢測程序化、規范化、智能化。

4)保障了盾構再制造產品質量,為盾構再制造標準規范管理提供了新方法和新技術。

建議后續繼續研究待測盾構傳感器在線靜態特性和動態特性,解決動態測量過程中的實時補償功能,實現傳感器的自動標定。