基于傳動(dòng)設(shè)備信息故障診斷的研究與應(yīng)用

姚競(jìng)紅 嚴(yán)國(guó)祥

（浙江萬(wàn)里學(xué)院315100 杭州華豐紙業(yè)有限公司 310011）

1 概述

所謂傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與故障診斷就是研究設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的變化，進(jìn)而有助于我們識(shí)別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。通常我們說(shuō)的設(shè)備工作正常運(yùn)行就是指它具備應(yīng)有的功能，并達(dá)到了某一標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工作中，我們?cè)跈z測(cè)與故障診斷中，就是把設(shè)備的異常情況或者故障狀態(tài)在設(shè)備運(yùn)行中通過(guò)其信息提供將其充分反映出來(lái)，并且要快速準(zhǔn)確?，F(xiàn)代的故障信息處理技術(shù)，就是信號(hào)測(cè)取，中間變換，數(shù)據(jù)采集，信息提示這幾個(gè)主要部分的變化與處理，把設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的各種故障狀態(tài)與特性以報(bào)警與故障這二種方式加以表達(dá)。它的基本故障診斷過(guò)程可以用圖1表示。

圖1 故障診斷的基本過(guò)程圖Fig.1 The basic procedure diagram of fault diagnosis

由圖1可見(jiàn)：一個(gè)診斷系統(tǒng)，它的硬件部分的組成主要由信號(hào)探測(cè)、信息處理與變換、狀態(tài)診斷和輸出設(shè)備構(gòu)成：軟件部分的組成主要是包括一些管理軟件（統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)信息變換，文檔建立、修改、調(diào)用；信號(hào)采集、處理軟件的選擇、調(diào)用；故障診斷與評(píng)價(jià)軟件及調(diào)用，監(jiān)測(cè)過(guò)程管理及輸入輸出方式選擇等）、文檔軟件（完成自動(dòng)搜索、域值設(shè)置、特征值選取，存入有關(guān)診斷和運(yùn)行參數(shù)，診斷過(guò)程和使用方案等）、信號(hào)采集和處理軟件（信號(hào)樣本選取，提取和凝聚故障特征信號(hào)）、信號(hào)診斷和狀態(tài)評(píng)價(jià)軟件等。因此它必須具備以下這些功能：

（1）實(shí)時(shí)的在線采樣功能，就是在運(yùn)行條件下（不停機(jī)的狀態(tài)）能實(shí)時(shí)采集各種運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)；

（2）有各種信息文檔建立、存儲(chǔ)和讀寫(xiě)更換功能；

（3）對(duì)于各種信息來(lái)源，實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)處理、分析、調(diào)用的功能；

（4）在進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷中，有自選最佳處理程序和方法的功能；

（5）對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，必須有系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控和管理控制的功能；

（6）有對(duì)故障信息進(jìn)行自動(dòng)狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障診斷的功能；

（7）能進(jìn)行PC通訊的人機(jī)對(duì)話功能；

加快渝黔區(qū)域合作，推動(dòng)邊界經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)，要強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，加快兩地各種資源流動(dòng)共享，增強(qiáng)兩地經(jīng)濟(jì)發(fā)展粘合度，因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)，科學(xué)指導(dǎo)。

（8）有分時(shí)診斷功能：主要是在出現(xiàn)多個(gè)診斷對(duì)象時(shí)，自動(dòng)選取各種不相同的診斷方案，自動(dòng)地在每次診斷前調(diào)用出相應(yīng)的文檔運(yùn)行；

（9）應(yīng)有多樣化的顯示輸出與報(bào)警功能。

2 設(shè)備故障信息的特性與分析

當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行中，如果系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生了變化，也就是說(shuō)偏離了正常的參數(shù)設(shè)置值，那么它就是有可能出現(xiàn)故障，這時(shí)故障信息就會(huì)通過(guò)一些功能特征參數(shù)表現(xiàn)出來(lái)，并加以傳遞顯示。在這一過(guò)程中，當(dāng)信息源發(fā)出的僅是一種狀態(tài)（確定量）的信號(hào)，那么表明它的特征就不會(huì)攜帶任何信息。對(duì)于各種故障信息蘊(yùn)含著某種不確定，此時(shí)的信息源的不確定性與信息源所包含的隨機(jī)事件的可能狀態(tài)數(shù)及每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率有關(guān)。設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)集Y（Y1，Y2，……，Yn），每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率為P（Yi），則一個(gè)信息源可以用一個(gè)概率空間來(lái)描述：Y：Y1，Y2，……，Yn：P（Y）：P（Y1），P（Y2），……，P（Yn）。其中∑P（Yi）＝1，且各種狀態(tài)空間相互獨(dú)立，＠常以｛Y，P（Y）｝來(lái)表示。同時(shí)故障信息的診斷中，我們也可以把診斷過(guò)程的理解看成是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模式的識(shí)別過(guò)程。通常故障識(shí)別信息只來(lái)源于兩方面，一方面是故障模式類(lèi)別屬性構(gòu)成的信息源，可稱(chēng)之為故障模式信息，它由系統(tǒng)的可能故障和這些故障類(lèi)別的出現(xiàn)概率所構(gòu)成；另一方面的信息為故障樣本特征屬性構(gòu)成的信息源，我們?cè)谶@里把它稱(chēng)之為故障特征信息源，它由故障特征和特征的概率分布函數(shù)所構(gòu)成。對(duì)于這二方面的信息源在故障信息診斷中的作用和相互關(guān)系，我們可用圖2表示。

圖2 故障模式信息與故障特征信息的關(guān)系分析表示圖Fig.2 Relationship of the fault model information and fault character information analysis scheme

對(duì)于故障概率的空間，我們?cè)O(shè)E＝｛Ω，P｝是故障模式概率空間，其中Ω是故障模式類(lèi)別集合：Ω＝（Ω1，Ω2，……，Qm），m 是故障類(lèi)別數(shù)，P 是定義在E上的故障概率測(cè)度。其中各故障的先驗(yàn)概率為P（Ωi），滿足1，i＝1，2，3，……，n。對(duì)于故障特征概率的空間，我們?cè)O(shè)F＝｛X，P（X）｝為樣本特征概率空間，其中樣本特征向量可表示為X＝（X1，X2，……，Xn）T，n表示向量維數(shù)，P（x）是定義在F下的樣本特征概率密度函數(shù)，滿足1，從上述的故障信息關(guān)系定義的分析中，我們可以得到有關(guān)故障識(shí)別的有關(guān)表達(dá)方式，即ΔHR＝H（E）－H（E/F），則對(duì)于不確定性YE可定義為：YE從中可以看到，故障識(shí)別過(guò)程是降低故障類(lèi)別不確定性的過(guò)程，可見(jiàn)I（E，F(xiàn)）越大，不確定性也越大，信息模式識(shí)別的任務(wù)也越大。當(dāng)YE＝0時(shí)，即I（E，F(xiàn)）＝0，即故障類(lèi)別確定。因此YE也可以作為診斷問(wèn)題的深度來(lái)測(cè)定。同樣也可以定義為：YE＝I（F，E）/H（F），當(dāng)YE＝Y(jié)F時(shí)，表明對(duì)特征空間識(shí)別信息可轉(zhuǎn)化為對(duì)故障類(lèi)別的識(shí)別。

在實(shí)際運(yùn)行中各種信息的輸送傳遞總是按照一定的變化程序來(lái)加以輸送和表示，對(duì)于故障信息的傳遞過(guò)程，由于通過(guò)某一控制單元前它的信息量Jy（i）（x）總要大于通過(guò)以后這些控制單元的信息量Jy（I－1）（x），即：Jy（i）（x）＞Jy（I－1）（x）＞Jy（I－2）（x）＞…，式中i＝0，1，2，…由此它的故障信息傳遞圖可用圖3來(lái)表示：

圖3 故障信息傳遞表示圖Fig.3 Fault information transport scheme

通過(guò)對(duì)上面的故障信息特征的研究與分析，針對(duì)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)，它始終攜帶著與此密切相關(guān)豐富信息，對(duì)于故障信息量，它既有著確定因素，又存在著不確定性的特點(diǎn)，這種不確定性的主要表現(xiàn)，集中反映在三個(gè)方面，隨機(jī)性，模糊性和未確定性，當(dāng)今的信息技術(shù)將這些狀況，經(jīng)過(guò)采樣，數(shù)據(jù)處理，診斷提示，幫助我們來(lái)提高設(shè)備的運(yùn)行效率和安全可靠性，推進(jìn)管理和維護(hù)的時(shí)效性。

3 應(yīng)用實(shí)例和結(jié)論

圖4是SIEMENS傳動(dòng)控制的功能模塊原理圖。

圖4 SIEMENS傳動(dòng)控制的功能模塊原理圖Fig.4 Functional modularity of SIEMENS drive system schematic diagram

系統(tǒng)的信息故障診斷技術(shù)控制是通過(guò)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送最終由微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它對(duì)主回路和控制回路都進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)顯示裝置，傳遞實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，用相關(guān)的信息碼來(lái)表示系統(tǒng)的運(yùn)行正常與否。

對(duì)控制回路，可檢查診斷RAM的每個(gè)存儲(chǔ)器是否寫(xiě)入或讀出正確的參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)EPROM的內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)與設(shè)置值比較是否符合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各輸入點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，是否符合系統(tǒng)工作要求的相關(guān)值。

對(duì)功率控制回路，可檢查診斷其各種狀態(tài)，對(duì)電源相序檢查是否符合觸發(fā)脈沖相序要求，每個(gè)功率模塊的觸發(fā)結(jié)果，釋放回路及逆變狀態(tài)，以放止失控。

對(duì)電網(wǎng)電源頻率和過(guò)零次數(shù)的檢查診斷，確定同步硬件是否正常，檢查診斷電網(wǎng)電壓是否超過(guò)系統(tǒng)控制的上限和下限值，檢查和診斷系統(tǒng)在運(yùn)行中有無(wú)過(guò)流欠壓狀況，對(duì)負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控并與設(shè)定的極限值比較，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。

它的信息故障信號(hào)可設(shè)置48個(gè)，報(bào)警信號(hào)可設(shè)置19個(gè)，可以是內(nèi)部故障的，也可以是外接故障的。

由于該系統(tǒng)具有智能型的診斷技術(shù)，它提供的各種診斷信息可靠性極高，并指出了相應(yīng)的維修處理的指南，有助于我們的設(shè)備管理。它的實(shí)時(shí)故障信息診斷功能快速有效，尤其是人機(jī)對(duì)話，通訊連接更可以獲取高品質(zhì)的診斷效果。因此整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是十分安全可靠的，它既給我們帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益又給我們?cè)诰S修和管理方面帶來(lái)了意想不到的收獲。