基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的機(jī)械真空泵故障預(yù)警診斷系統(tǒng)

溫焱明，賈 軒，陳志軍

（中山嘉明電力有限公司，廣東中山 528403）

0 引言

針對(duì)機(jī)械真空泵，如果問題原因是出現(xiàn)了錯(cuò)誤代碼，那么維修人員可以借助讀碼器等設(shè)備發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤代碼，從問題代碼的顯示文字中可以了解設(shè)備的問題范圍[1]。但是如何精準(zhǔn)定位問題點(diǎn)，解碼器的顯示結(jié)果并不能定位到具體故障點(diǎn)，導(dǎo)致問題不能快速確認(rèn)，真空泵不能盡快恢復(fù)工作。而問題排查過程需要維修人員對(duì)照使用維護(hù)說明書，拆解真空泵，逐一排查可能的故障點(diǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。雖然借助診斷設(shè)備可以初步顯示設(shè)備參數(shù)，但不能自動(dòng)篩選出問題相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行故障預(yù)警。在實(shí)際工作條件下，如果沒有遇到錯(cuò)誤代碼，那么診斷故障的效率就非常低。工業(yè)大數(shù)據(jù)是工業(yè)信息化方面所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集，是互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)物，這些數(shù)據(jù)還會(huì)不斷地參與到工業(yè)的發(fā)展之中[2]。大數(shù)據(jù)具備工業(yè)本身的特點(diǎn)，還對(duì)工業(yè)發(fā)展具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用和決策輔助作用。對(duì)于工業(yè)發(fā)展來說，大數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量也是非常重要的，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)可以保障工程有質(zhì)有量地完成，能夠保障決策的正確性。因此，針對(duì)以上所闡述的這些問題，本文設(shè)計(jì)了一套智能混合故障診斷系統(tǒng)，其基本功能是幫助維修人員在實(shí)際工作中遇到的困難進(jìn)行數(shù)據(jù)支持和決策輔助，還能夠?qū)S修人員用讀碼器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)篩查。該系統(tǒng)能夠在很大程度上提高設(shè)備維護(hù)單位的工作效率，具有很高的實(shí)用性。

1 故障預(yù)警診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過分析機(jī)械真空泵的組成及工作原理，分解故障模式，設(shè)置狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并針對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型，選取有針對(duì)性的參數(shù)采集模組，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫畔⑻幚砥?，進(jìn)行分析和判斷，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)異常，發(fā)出故障報(bào)警。因此，機(jī)械真空泵的故障預(yù)警診斷系統(tǒng)劃分為3 個(gè)分機(jī)：現(xiàn)場(chǎng)端的數(shù)據(jù)采集分機(jī)；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸鏈路；遠(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)處理終端（圖1）。

圖1 遠(yuǎn)程問題診斷平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)端主要起到偵測(cè)作用，并且添加了智能開關(guān)起到自動(dòng)控制的作用。偵測(cè)設(shè)備會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收錄和解析，中間端會(huì)將匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和周期性處理并向下運(yùn)輸。最后遠(yuǎn)程客戶端將數(shù)據(jù)顯示出來并佐以基本的數(shù)據(jù)判斷，如果遇到問題數(shù)據(jù)就會(huì)給工作人員發(fā)送故障預(yù)警。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)端采用技術(shù)成熟的PLC控制各個(gè)數(shù)據(jù)采集模組，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的取樣、壓縮和數(shù)字化變換，對(duì)真空泵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和收集。經(jīng)過該系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)將被統(tǒng)一儲(chǔ)存到后端數(shù)據(jù)庫(kù)中。

該數(shù)據(jù)庫(kù)除了具有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能之外，還能夠儲(chǔ)存系統(tǒng)中所有對(duì)象的屬性和參數(shù)，這也是工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)所必須實(shí)現(xiàn)的功能。數(shù)據(jù)對(duì)象會(huì)根據(jù)功能、作用被分別儲(chǔ)存到交換層、監(jiān)控層等層級(jí)，具體數(shù)據(jù)位置及功能對(duì)象見表1。

表1 層級(jí)儲(chǔ)存對(duì)象

根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)解析的具體流程，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)具備最基本的兩大功能：一是對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，二是對(duì)設(shè)備的問題預(yù)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)控功能主要包含參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄以及對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況的維護(hù)，問題預(yù)測(cè)是周期性地對(duì)每一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練，智能判斷其是否出現(xiàn)問題，以此實(shí)現(xiàn)問題的預(yù)測(cè)和報(bào)警。

2 故障預(yù)警診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

智能混合問題診斷系統(tǒng)包括兩大板塊，分別是問題代碼查詢板塊和從數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)問題的診斷板塊。問題代碼查詢板塊將常見故障的現(xiàn)象表征和故障原因建立對(duì)應(yīng)，通過故障樹的形式，形成系統(tǒng)的故障排查簡(jiǎn)表，方便維護(hù)人員查閱和借鑒[3]。從數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)問題的診斷板塊則是問題代碼的對(duì)應(yīng)排故措施，根據(jù)故障樹分析得到的機(jī)械真空泵常見故障的對(duì)應(yīng)排除方法，用于指導(dǎo)維修人員按照規(guī)范的流程，分步定位故障，完成維修。該板塊需要根據(jù)問題數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷積累，形成系統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)化的問題自動(dòng)診斷。

將兩個(gè)板塊綜合起來構(gòu)成本文設(shè)計(jì)的設(shè)備故障預(yù)警診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)最基本的功能是顯示出故障代碼以及列出解決問題的步驟。問題代碼描述模塊的主要功能是能夠顯示出比數(shù)據(jù)更加細(xì)節(jié)的內(nèi)容，包括問題數(shù)據(jù)的代碼解讀，分析錯(cuò)誤發(fā)生的初始條件、故障代碼出現(xiàn)的位置定位以及有可能故障原因的羅列。解決問題的步驟功能是能夠顯示出和故障檢測(cè)相關(guān)的所有信息，具體顯示為自動(dòng)故障排查過程和記錄，基礎(chǔ)零部件參數(shù)變化篩查，內(nèi)部電路情況監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)流監(jiān)測(cè)以及保險(xiǎn)絲安全情況確認(rèn)等。本系統(tǒng)投入使用之后，可以降低對(duì)維護(hù)保養(yǎng)和維修人員技能水平的依賴，采用自動(dòng)化、智能化的故障預(yù)警機(jī)制，盡早發(fā)現(xiàn)問題，指導(dǎo)維修人員快速修復(fù)問題，將問題控制在萌芽狀態(tài)，既保證了維修人員的工作精力，又提升了設(shè)備的運(yùn)行效率，還在一定層面上保障了生產(chǎn)運(yùn)行的安全性。

如果是因?yàn)檗D(zhuǎn)速過高、空擋抖動(dòng)等原因使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行停滯，可以通過解碼器讀取設(shè)備的參數(shù)，從遠(yuǎn)程操作界面進(jìn)行問題分析。在實(shí)際維修過程中，如果想獲取以往的經(jīng)驗(yàn)來幫助維修活動(dòng)，如果想調(diào)取更多的故障數(shù)據(jù)，需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。如果想模糊掉設(shè)置的規(guī)則，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化功能。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

問題代碼查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)是一種能夠存儲(chǔ)與機(jī)械真空泵問題代碼有關(guān)的信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)由6 個(gè)表組成，分別是問題代碼表述表、問題檢測(cè)流程表、控制后臺(tái)圖表、電線圖表、基礎(chǔ)零部件圖表、導(dǎo)線端口圖表。各表之間通過問題代碼的主要故障相連[4]，問題代碼查詢系統(tǒng)中問題代碼與數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系形式有很多種，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，使用矩形框標(biāo)注出每一個(gè)零件的名稱，相關(guān)屬性就用橢圓標(biāo)注，設(shè)備名稱和設(shè)備屬性之間使用直線連接。維修人員在具體操作時(shí)，通過問題代碼描述進(jìn)入監(jiān)測(cè)操作界面，點(diǎn)擊查詢，軟件就會(huì)自動(dòng)對(duì)輸入的代碼進(jìn)行解析，查找數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行匹配查詢，查詢流程如圖2 所示。

圖2 查詢系統(tǒng)流程

為降低系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境要求，適用于真空泵實(shí)際工作場(chǎng)景，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中本著最小化原則，在滿足功能使用要求的前提下，盡可能減小數(shù)據(jù)庫(kù)的體量，以適配低配置硬件環(huán)境的條件下，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。因此數(shù)據(jù)庫(kù)各項(xiàng)圖表中沒有保存圖片，而是將圖片保存在電腦文件夾，采用調(diào)用鏈接的形式，提供圖片顯示功能。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

機(jī)械真空泵高溫問題的判定標(biāo)準(zhǔn)如下，當(dāng)警報(bào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)零件持續(xù)排氣的溫度很高并且持續(xù)5 s 以上時(shí)，故障預(yù)警診斷系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊會(huì)將采集到的溫度參數(shù)信息發(fā)送到客戶端進(jìn)行處理，通過閾值比較，判斷為故障狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信息。但是由于溫度的上升不是一個(gè)瞬間態(tài)，往往伴隨著時(shí)間的積累，因此故障預(yù)警一般會(huì)有若干時(shí)長(zhǎng)的滯后。為了驗(yàn)證故障預(yù)警診斷系統(tǒng)能否準(zhǔn)確測(cè)得真空泵的實(shí)際工作溫度，采用實(shí)際監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

首先，設(shè)定溫度監(jiān)控的時(shí)長(zhǎng)。真空泵使用過程中經(jīng)常會(huì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，因此測(cè)試時(shí)間覆蓋了真空泵的全程工作時(shí)間，從2022 年1 月21 日3：20—8：00，4 小時(shí)40 分鐘的工作時(shí)間內(nèi)，每隔2 s 采集一次四級(jí)泵組1651 號(hào)真空泵工作溫度參數(shù)，共7000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。機(jī)械泵在工作中呈現(xiàn)出周期性的溫度變化，對(duì)其中超過限定溫度值的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和關(guān)注。圖3 是繪制的溫度隨時(shí)間變化的曲線。

圖3 機(jī)械泵溫度樣本數(shù)據(jù)曲線

其次，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，剔除干擾和誤差的影響，采用二值平均法對(duì)曲線進(jìn)行修正。然后，通過對(duì)既有的7000 個(gè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，實(shí)現(xiàn)樣本外預(yù)測(cè)，同時(shí)，調(diào)取該泵機(jī)實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合比對(duì)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過對(duì)故障預(yù)警診斷系統(tǒng)采集到的泵機(jī)溫度數(shù)據(jù)與真實(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，檢驗(yàn)報(bào)警點(diǎn)的時(shí)間與溫度顯示的正確性，記錄見表2。

表2 報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

報(bào)警時(shí)間和報(bào)警類型與實(shí)際溫度的真實(shí)情況符合，真空泵確實(shí)因?yàn)楦哓?fù)荷工作產(chǎn)生了局部高溫，對(duì)正常工作狀態(tài)造成了威脅與損傷，監(jiān)測(cè)結(jié)果符合實(shí)測(cè)結(jié)果。由此可見，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械真空泵故障預(yù)警診斷系統(tǒng)可以快速并且精準(zhǔn)地檢測(cè)到設(shè)備問題并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來，電子控制技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到發(fā)展，在提高工作效率的同時(shí)也加大了電子控制領(lǐng)域故障排查的難度。所以，借助智能自動(dòng)化的故障預(yù)警系統(tǒng)是工業(yè)制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)備質(zhì)量保障的必要手段。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和鄰域簇集的智能問題診斷算法作為理論依據(jù)，提出泵機(jī)故障數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)的實(shí)質(zhì)，推動(dòng)了電子控制系統(tǒng)的發(fā)展，希望該技術(shù)能應(yīng)用于企業(yè)，也能為后來要求技術(shù)精進(jìn)的研究者提供參考。