基于GPRS的磨礦遠程故障診斷系統(tǒng)的研究

曹艷忙　張雪娜　劉永娟　竇偉山

【摘要】磨礦遠程故障診斷系統(tǒng)充分利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信手段，通過智能化診斷數(shù)據(jù)庫以及D-S證據(jù)融合算法對磨礦故障進行診斷。實例分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以通過無線通信準(zhǔn)確顯示現(xiàn)場傳感器采集的信號，實時顯示磨機運行狀況，并有效診斷磨礦時的故障信息及時將診斷結(jié)果反饋給遠程客戶端，能夠方便現(xiàn)場工人使用，實用價值高。

【關(guān)鍵詞】磨礦? GPRS? 專家系統(tǒng)? D-S證據(jù)理論? 遠程故障診斷

引言

在磨礦生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生一些故障。隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人工檢測已經(jīng)不能夠滿足實際需要，磨礦遠程故障診斷技術(shù)也愈發(fā)重要，成為新趨勢。磨礦故障診斷模式有離線方式、在線方式以及遠程方式的故障診斷方法。離線方式故障診斷應(yīng)用最早，許多人工智能方法像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等多用于對故障的診斷，但該方法也存在間隔時間長、操作復(fù)雜等缺點。在線故障診斷應(yīng)用比較廣泛，操作也比較簡單，但不能確實描述出現(xiàn)場特征與相應(yīng)故障間的規(guī)律，因此該方法在磨礦故障分析中是有缺陷的。遠程故障診斷技術(shù)是使用遠程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對異地選礦廠中的磨礦機械設(shè)備進行故障上診斷的一種技術(shù)。通過GPRS與 Internet構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的平臺，實施磨礦遠程監(jiān)測和故障診斷，這種方式彌補離線和在線故障診斷的缺陷，成為磨礦故障診斷重要發(fā)展方向。

本篇文章借助專家系統(tǒng)、基于多傳感信息融合理論D-S證據(jù)融合算法以及GPRS技術(shù)，建立了基于C/S（Client/Server，C/S）此種模式的與磨礦相關(guān)的遠程故障診斷系統(tǒng)，并獲得理想結(jié)果。

1、磨礦遠程故障診斷系統(tǒng)概述

系統(tǒng)以磨礦過程為監(jiān)測對象，包括現(xiàn)場檢測環(huán)節(jié)、現(xiàn)場監(jiān)控通訊站和作為服務(wù)器的監(jiān)測計算機，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)上電后進入正常工作狀態(tài)，各路傳感器負責(zé)采集磨礦過程的狀態(tài)參數(shù)（磨礦給水流量、磨礦給礦量、磨音、磨機電流等），經(jīng)過必要的A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳送到S7-300PLC中的CPU模塊，并通過RS485總線傳送到工業(yè)現(xiàn)場工控機的監(jiān)控軟件中可以實現(xiàn)實時顯示。同時，與工控機通過RS485總線相連的GPRS DTU無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到作為服務(wù)器的本地計算機，對信號進行及時處理。當(dāng)磨礦過程出現(xiàn)故障時，本地計算機能夠及時作出判斷，處理后將詳細而具體的故障信息發(fā)送給遠程客戶端，選礦廠工作人員根據(jù)故障診斷結(jié)果做出相應(yīng)的處理，保障磨礦生產(chǎn)順利進行，從而實現(xiàn)對磨礦的遠程故障診斷。

2、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

GPRS通信技術(shù)不僅可以提高通信速度，而且減少了通信費用。GPRS DTU內(nèi)部嵌入了TCP/IP協(xié)議功能無需使用者的提供，只需要借助串口通訊的終端設(shè)備，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺就能實現(xiàn)信息傳輸，既方便又快捷，更重要的是能夠方便用戶及時掌握磨礦現(xiàn)場的狀況，方便及時作出應(yīng)急處理。

由于磨礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣，并且震動較劇烈，所以對GPRS DTU的穩(wěn)定性、抗震能力要求較高。首先GPRS DTU內(nèi)部提供標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)的接口，實現(xiàn)工業(yè)控制機與GPRS DTU的相接，并用無線終端配置軟件對其進行配置，具體配置如圖2所示

狀態(tài)欄提示“基本參數(shù)設(shè)置成功”，即基本參數(shù)修改成功，需退出DTU設(shè)參軟件，同時給DTU參數(shù)斷電，參數(shù)設(shè)置完成，并將GSM天線粘貼在DTU設(shè)備上。

遠程客戶端DTU設(shè)備基本步驟操作完以后，接入本地固定的IP地址的計算機打開虛擬串口軟件，然后點擊“虛擬串口管理”中的“新增虛擬串口”，輸入串口、固定IP和需要監(jiān)聽的客戶端的端口號，服務(wù)器上就會顯現(xiàn)出來，配置如圖3所示

本篇文章所講GPRS DTU是通過TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)編程，用C/S模式。選礦廠工控機的監(jiān)控軟件以及本地計算機的故障診斷軟件都是在VC++6.0環(huán)境下采用C++編程語言進行開發(fā)的，要實現(xiàn)兩臺計算機上執(zhí)行的應(yīng)用程序之間的收發(fā)數(shù)據(jù)，運用CAsyncSocket類來實現(xiàn)。

服務(wù)器上配置完虛擬串口后，打開故障診斷軟件，通訊端口選用配置好的虛擬串口COM3，建立客戶端與服務(wù)器的通訊，對數(shù)據(jù)的采集周期為1分鐘（若采集周期過短造成流量的浪費），故障診斷軟件可完成故障的診斷與分析，并第一時間反饋給用戶，待用戶得到診斷結(jié)論后即可以采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

3、磨礦遠程故障診斷的研究

磨礦過程中的動態(tài)特性很復(fù)雜，并且具有非線性、大慣性和純滯后特性，同時存在很強的參數(shù)耦合性很難對上述的過程建立精確的數(shù)學(xué)模型。

本文介紹的關(guān)于知識的故障診斷方法不用建立精準(zhǔn)的模型，只用引入診斷的對象相關(guān)數(shù)據(jù)，特別是專家學(xué)者或者成熟操作工提供的診斷知識，就可以得出相應(yīng)的診斷結(jié)果。采用上述方法建立的系統(tǒng)對磨礦中所發(fā)生的故障進行有效的診斷，知識庫通過人機接口可以獲取專家知識和經(jīng)驗，使用者從數(shù)據(jù)庫中得到相應(yīng)信息，推理機借助知識庫中相應(yīng)內(nèi)容進行必要的推理，最后得到了準(zhǔn)確診斷結(jié)果。

為了確保磨礦過程的遠程故障診斷結(jié)果全面而有效，需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和無誤性提出明確的要求。我們可以利用實時監(jiān)測磨礦傳感器，通過傳出的信息進行判斷，對異常的信息，能夠迅速而準(zhǔn)確的給出診斷結(jié)果，同時借助專家系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，及時更新樣本數(shù)據(jù)庫，為以后診斷提供方便。通過自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法對采集磨礦相應(yīng)數(shù)據(jù)的不同種類的傳感器進行數(shù)據(jù)級上的融合，確保相應(yīng)數(shù)據(jù)精度有效;借助專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對磨礦非正常狀況的有效診斷，進而得出相應(yīng)的類型和原因;假如在數(shù)據(jù)庫中不能查詢到其故障類型時，借助D-S證據(jù)理論，能夠快速有效的解決這些問題。

它可以滿足比貝葉斯概率更弱的條件，具有一定的優(yōu)勢就是表達“不確定”和“不知道”，D-S證據(jù)理論把其證據(jù)劃分，并進行獨立的判斷，然后用Dempster合成規(guī)則把它們進行相應(yīng)的組合，在磨礦故障診斷中，會出現(xiàn)許多種故障，并且每一種故障的發(fā)生并不是偶然的，都有一定的概率，傳感器中的信息可以通過D-S證據(jù)理論進行融合，尋找出最大概率故障源，根據(jù)最后的結(jié)果形成新的樣本存入數(shù)據(jù)庫。

4、磨礦遠程故障診斷實例分析

利用上述系統(tǒng)，在磨礦遠程故障診斷中通過傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后傳送至工控機，再通過GPRS DTU無線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務(wù)器，故障的診斷系統(tǒng)會對磨礦故障中相關(guān)的數(shù)據(jù)進行分析和處理，把最終的結(jié)果展現(xiàn)給使用者。

為了驗證文中所述基于GPRS的磨礦遠程故障診斷系統(tǒng)的有效性，對承德某選礦廠車間1#磨機運行系統(tǒng)進行了實驗。圖4為磨礦過程實時監(jiān)測界面。

以某一故障時刻為例，磨礦給水流量為20.79t/h，磨礦給礦量為138.58t/h，磨機電流為28A，磨音為66dB，這時候需要通過磨礦遠程故障診斷模塊來進行評估，倘若它所運行的現(xiàn)狀與數(shù)據(jù)庫中的類型不一樣的話，那么就需要借助D-S證據(jù)理論故障診斷融合模塊來進行相應(yīng)的判斷。

在這里，將磨礦故障狀態(tài)分為：重度負荷和溢流濃度異常（分別用S1，S2表示），我們需要監(jiān)測磨礦參數(shù)數(shù)據(jù)，并對它進行準(zhǔn)確分析，同時還需要專家學(xué)者或者成熟操作工的經(jīng)驗做法，從而我們能夠得到每個傳感器中的信息在識別框架中的故障初始的相關(guān)的概率分配。

采用4種傳感器檢測系統(tǒng)：{A1=磨礦給水流量，A2=磨礦給礦量，A3=磨音，A4=磨機電流}，故障識別框架Ω={S1，S2，S}，其中S表示不能確定磨礦的故障狀態(tài)。傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中的信息概率分配，如表1所示。我們再借助D-S證據(jù)理論融合算法對其進行相應(yīng)的融合，從而得出故障診斷的最終結(jié)果，如表2所示。

通過表1和表2中的數(shù)據(jù)我們可以得出，假如采用單一傳感器對磨礦故障信息進行診斷，每個傳感監(jiān)測系統(tǒng)基本概率值都很大，這時候我們很容易的從單一的傳感監(jiān)測系統(tǒng)去判斷故障的類型并不現(xiàn)實。但是，假如我們利用D-S證據(jù)理論融合后，故障不確定性將會越來越低，從而使得診斷的準(zhǔn)確度越來越高，精度也越來越高。在本次故障診斷中，重度飽磨狀態(tài)S1也會逐步顯示，但是還需要依據(jù)最終結(jié)果，把產(chǎn)生的新類型的故障信息存入數(shù)據(jù)庫，從而可以完成磨礦遠程故障診斷系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的功能。同時，在系統(tǒng)最終結(jié)果的界面上會彈出相應(yīng)的最終結(jié)果，如圖5所示。

5、結(jié)論

通過上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，借助GPRS無線通訊的相關(guān)技術(shù)，我們完成了磨礦數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，并建立了智知識，彌補知識，構(gòu)建教學(xué)反饋，發(fā)布的每個作業(yè)和考試情況，收集一些典型錯誤，甚至可以在審查結(jié)束查看，并通過學(xué)習(xí)論壇提供同步練習(xí)，自我測試，研究生輔導(dǎo)等，讓學(xué)生自行決定選擇;建立論文的寫作，介紹論文的寫作方法和技巧，建立教學(xué)前沿，向?qū)W生介紹了國內(nèi)外數(shù)學(xué)的發(fā)展和最新成果。

2.5注重教學(xué)手段的信息化

隨著教育改革的日益推進，高等數(shù)學(xué)教學(xué)手段也越來越豐富。高數(shù)學(xué)老師在選擇數(shù)學(xué)教學(xué)手段時，要懂得將傳統(tǒng)的教學(xué)模式與信息化的教學(xué)手段緊密聯(lián)系在一起，并且要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和實際學(xué)習(xí)情況選擇不同的教學(xué)手段。例如老師在為學(xué)生講解函數(shù)這一章節(jié)的內(nèi)容時，在函數(shù)的概念以及知識背景的講解環(huán)節(jié)。老師可以利用微課為學(xué)生播放函數(shù)概念和知識背景的視頻資料，然后再結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容提出問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題。利用微課展開課堂教學(xué)，不僅能夠很快吸引學(xué)生的注意力，還能夠為學(xué)生營造一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，進而達到高效的教學(xué)效果。

總之，信息化教學(xué)手段在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，可以有效糾正傳統(tǒng)高職數(shù)學(xué)教學(xué)的弊端，也有助于提高高職數(shù)學(xué)教學(xué)的教學(xué)效率和學(xué)生學(xué)習(xí)成果。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬他們的數(shù)學(xué)知識獲取，提高他們的探索獲得和交換信息的處理能力，從而提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)。這需要教育工作者在日常教學(xué)中不斷的提示自身信息技術(shù)應(yīng)用能力將信息技術(shù)應(yīng)用和教育觀念更深更廣的結(jié)合，努力實現(xiàn)信息技術(shù)和數(shù)學(xué)教育技術(shù)能力的多維度的滲透與融合。讓學(xué)生更好地掌握學(xué)習(xí)和思考方法，切實實現(xiàn)全面提高大學(xué)生的數(shù)學(xué)素質(zhì)的目標(biāo)，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才做出貢獻。

參考文獻：

[1]寧琰.技術(shù)與課程融合? 思維與創(chuàng)新共色——淺談“三角形的內(nèi)角和”的教學(xué)設(shè)計與思考[J].小學(xué)教學(xué)研究，2020（15）：84-87.

[2]王文文.“翻轉(zhuǎn)課堂”在中職數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].農(nóng)家參謀，2020（17）：180.

[3]潘莉英，任亞莉，韓小娟.信息技術(shù)環(huán)境下課堂教學(xué)創(chuàng)新研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（35）：225-226.

[4]陳文杰.互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在高等數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字通信世界，2020（3）：171.

作者簡介：歐露露（1989-），女，漢族，河南太康人，本科，鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，助理實驗師 ，研究方向：數(shù)學(xué)教育、信息與計算科學(xué)。