基于高階累積量故障特征提取的化工設(shè)備電子電路故障診斷

米 鑫，戴國強(qiáng)，王 黎，張志強(qiáng)，肖 偉

(北京地鐵科技發(fā)展有限公司，北京 100160)

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)及原料、產(chǎn)品的質(zhì)量檢測分析工作中,大量使用自動化控制裝置和儀器儀表等電子設(shè)備,這對安全生產(chǎn)和質(zhì)量控制提出了更高、更嚴(yán)的要求?；ぴO(shè)備電子設(shè)備的電路集成度越高、功能越多，在應(yīng)用過程直接影響化工設(shè)備運行和數(shù)據(jù)信息生產(chǎn)。如果化工設(shè)備電子系統(tǒng)發(fā)生故障且沒有及時檢測出來，影響化工設(shè)備系統(tǒng)功能的正常使用，嚴(yán)重時給化工企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對上述存在的問題，利用混雜模型來模擬化工設(shè)備電力電路的運行，通過分析化工設(shè)備電路信號識別出化工設(shè)備電路中各元件的參數(shù)，全面檢測所有化工設(shè)備電子元件的運行狀態(tài)。但這種方法對化工設(shè)備電力建模較為困難，針對具體對象電路，通用性不強(qiáng)。基于ADT提出對電力電路進(jìn)行可靠性評估，根據(jù)預(yù)測樣本的退化度從而判斷電子設(shè)備的運行情況。但由于特征難以確定且實驗樣本數(shù)量有限，給復(fù)雜的電子設(shè)備評估帶來困難。

1 電子電路故障診斷方法

1.1 電子電路故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

電路硬故障發(fā)生時間較快，由瞬間意外造成的，很難由電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。軟故障是指電路中元器件的參數(shù)偏離正常的容差范圍，但仍然能夠使電子設(shè)備保持一定的運行狀態(tài)，不會使電路完全失效。軟故障一般由電子元件本身的老化、變質(zhì)造成的，或受到工作環(huán)境惡劣的運行條件影響。若發(fā)現(xiàn)電子系統(tǒng)中存在軟故障不進(jìn)行維護(hù)的話，元器件參數(shù)值逐漸趨于無窮大或無窮小，導(dǎo)致所在支路出現(xiàn)短路或開路的故障。

為及時發(fā)現(xiàn)電子系統(tǒng)中發(fā)生的故障，獲得準(zhǔn)確的故障信息，本研究設(shè)計出電子電路故障診斷系統(tǒng)，采用LabVIEW軟件對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，在系統(tǒng)界面上以數(shù)字化和波形化的方式實時顯示電路信號數(shù)據(jù)。通過預(yù)設(shè)的參數(shù)選擇采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，利用以太網(wǎng)網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實現(xiàn)信號的實時顯示。系統(tǒng)采用了J2EE的平臺框架，能夠更好地實現(xiàn)內(nèi)部業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享，通過標(biāo)準(zhǔn)化語言的程序段輸入，合理調(diào)度各環(huán)節(jié)資源數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效運轉(zhuǎn)。JSP經(jīng)過HTTP和系統(tǒng)客戶進(jìn)行交互操作，內(nèi)部對象request用于接收信息和操作請求，Application用于建立對象，并且在服務(wù)器關(guān)閉的同時自動結(jié)束相應(yīng)對象。

本研究對電路故障進(jìn)行診斷前進(jìn)行預(yù)處理，篩序出包有故障信息的數(shù)據(jù)。將電子電路不同的異常狀態(tài)劃分為不同的故障模式，實現(xiàn)故障元件的檢測。系統(tǒng)對采集到的故障信號進(jìn)行去噪處理、歸一化處理、標(biāo)準(zhǔn)化處理等，得到的特征信號在合適的范圍內(nèi)以取得更好的故障分類效果。處理后的故障數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練樣本集合測試樣本集，分類器對訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并學(xué)習(xí)，再將測試樣本輸入到訓(xùn)練完成的分類器中，得到電路的故障模式，并對故障元件進(jìn)行定位。由于系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，涉及到大量的數(shù)據(jù)集成，系統(tǒng)設(shè)計時使用Oracle數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)開發(fā)的后臺數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)⒑芏喾?wù)器內(nèi)的信息和線索實施共享。OracleServer由instance和database 2個實體組成，數(shù)據(jù)庫的分布能力更加靈活，實際應(yīng)用群集(Real ApplicationClustrs)可以提升數(shù)據(jù)庫的可伸縮性。系統(tǒng)客戶端用來接收用戶請求，并展現(xiàn)故障信息，在Servlet界面通過調(diào)整模型來完成需求。

1.2 電子電路故障信號采集模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的故障診斷的需要，系統(tǒng)通過軟件控制硬件的信號發(fā)生和數(shù)據(jù)采集等，故障診斷設(shè)備的主控單元使用STM32F407VET6芯片的嵌入式控制器，通過PA11、PA12與上位機(jī)相連，實現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。故障信號采集模塊需要同時對待診斷電路的輸入和輸出同時進(jìn)行采集，為獲取更多的采樣信號，采集模塊選用具有8路通道采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采集故障電路的輸出信號。

為了更加符合電子電路實際應(yīng)用場景，本研究選擇二次電源28～12 V DC-DC變換電路作為故障電路進(jìn)行仿真，對電路中發(fā)生的硬故障、軟故障進(jìn)行診斷研究；變換電路原理圖，如圖1所示。

圖1 變換電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of transformation circuit

主電路由功率二極管、電容、和電感、及4個電阻組成，控制電路的直流輸入電壓為28 V，負(fù)載電阻為15 Ω。控制電路中使用UC3843A芯片，本研究在二次電源電路中加入LM317單片線性的電源電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓為1.2～37 V，計算公式為：

(1)

式中：表示調(diào)節(jié)端電流；表示調(diào)節(jié)端對地電阻；表示調(diào)節(jié)端與輸出端之間的電阻。變換電路中的主要測點為、、、、、、、、和等。主電路中使用SEPIC斬波變換器，使電路在連續(xù)導(dǎo)通模式下能夠限制啟動電流和沖擊電流。功率MOSFRT的2種狀態(tài)如圖2所示。

圖2 功率MOSFRT導(dǎo)通狀態(tài)Fig.2 On-state of power MOSFET

功率MOSFRT導(dǎo)通狀態(tài)下變換器產(chǎn)生3個回路，有電源、電感和功率MOSFET構(gòu)成一個回路，此時經(jīng)過的電流在電源電壓作用下線性增長。第2個回路由電容、功率MOSFET和電感構(gòu)成，此時電感的電流在電容放電的影響下增加。最后一個回路由電容向主電路的負(fù)責(zé)供電，根據(jù)·dd=，電容上的電壓下降，由于的值較大，=。

測點、、L、電壓信號的峰值和峰峰值能夠反映電路的硬故障類型，進(jìn)行故障診斷時選用故障特征參數(shù)為峰值___L_，峰峰值___L_。選用故障特征參數(shù)為功率MOSFET斷開期間的峰值__、_L_，峰峰值__和_L_，功率MOSFET導(dǎo)通期間的峰值__、_L_，測點電壓信號的峰值，測點電壓信號的峰值_作為軟故障特征參數(shù)。

1.3 基于HOC的故障特征提取方法

由于元件值受到環(huán)境因素影響出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，同時電路為強(qiáng)非線性電路，噪聲干擾和測量誤差導(dǎo)致采集到的故障電路輸出的響應(yīng)序列中的特征信息不完整，包含許多不確信性，給電路故障診斷帶來困難。在對故障電路進(jìn)行測試時，由于測量電路的響應(yīng)電路需要串聯(lián)電流測量儀器，需要將支路斷開，所以使用響應(yīng)電流作為故障的采集量的情況較少，一般選用響應(yīng)電壓作為采集量。進(jìn)行故障診斷前，需要根據(jù)采集量劃分電路的故障類型，電子電路元件值軟硬故障的劃分如圖3所示。

圖3 電力電路軟硬故障劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of soft and hard fault division of power circuit

其中，表示標(biāo)稱值，軟故障的定義為[01,(1-))∪((1+),10]，硬故障的定義為[0,01)∪(10,∞]。本研究采用HOC算法處理采集到的電子電路的原始數(shù)據(jù)集，用來加強(qiáng)各類故障特征數(shù)據(jù)的辨識度?；贖OC的故障特征提取診斷流程如圖4所示。

圖4 基于HOC的故障特征提取診斷流程Fig.4 Flow chart of fault feature extraction and diagnosis based on HOC

采集到的電路中輸出的原始樣本數(shù)據(jù)特征向量為=(,,…,)，其聯(lián)合概率密度函數(shù)為(,,…,)，向量(,,…,)的階累積可通過累積量生成函數(shù)得到：

(2)

式中：當(dāng)==…==1時，可以得到階矩和階累積量；階累積量可通過階矩計算得到，轉(zhuǎn)換公式M-C可表示為：

(3)

式中：符號集={1,2,…,}；為集合不相交的非空子集；為子集的個數(shù)。對于電路故障信號的隨機(jī)變量{,,…,}，它的三階累積量可由式(3)推導(dǎo)得到：

={}-{}{}-{}{}-
{}{}+2{}{}{}

(4)

設(shè)定采集到故障電路的特征信號的離散時間序列為0用來減少計算量，非零序列能夠根據(jù)其均值相減估算得到均值為0的序列。當(dāng)采樣故障的特征信號{()}為均值為0的平穩(wěn)隨機(jī)過程時，特征信號的階累積量可表示為：

(5)

特征信號的階累積量與時間的變化無關(guān)，為滯后相關(guān)的函數(shù)，特征信號{()}為平穩(wěn)的。由式(5)可以看出，故障電路的采樣信號為過程{()}的階矩和階累積量，取(+)后的一個隨機(jī)向量的階矩和階累積量，且僅有-1個獨立元。簡化得到的電路特征信號的三階累積量可表示為：

3=(,)={()(+)(+)}

(6)

根據(jù)特征信號的階矩和階累積量可得到信號{()}的峭度和偏度，令式(6)中==0，得到3階累積量的一維切片表示偏度={()}。令4階累積量的===0得到峭度={()}-3{()}。得到電路故障特征信號的峭度和偏度均為無量綱的信號特征值，這與電子電路的運行狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)參數(shù)變化對電路進(jìn)行故障診斷。通過偏度可以判斷電路信號的概率分布是否對稱，峭度反映了信號概率分布的陡峭程度。通過以上分析可知，信號中均值為，方差為的高斯隨機(jī)變量的階累積量=0，HOC能夠完全抑制高斯噪聲的影響，過濾掉采集信號中的高斯分量，但保持高階矩并不全為0。

2 應(yīng)用測試

本研究使用QT Creator 4.11.0開發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)模塊化編程，系統(tǒng)客戶端主要完成對終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，將計算和診斷結(jié)果顯示到系統(tǒng)交互界面。系統(tǒng)界面主要包括對激勵信號的參數(shù)設(shè)置，對故障特征選擇提取的控制及輸入輸出的波形顯示等功能。系統(tǒng)交互界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)交互界面Fig.5 System interface

為驗證本研究電子電路故障診斷技術(shù)的性能，分別采用文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)和本研究系統(tǒng)進(jìn)行實驗，對比3種系統(tǒng)的故障診斷率。實驗環(huán)境硬件電路中電容選擇50 V/220 μF的電解電容；電容選擇25 V/220 μF的電解電容；電感、均使用3 A/470 μH，功率MOSFET型號為IRF540、功率二極管型號為MBR3045，負(fù)載選用10 W/10 Ω的大功率電阻。實驗環(huán)境中數(shù)據(jù)采集模塊如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊Fig.6 Data acquisition module

在標(biāo)準(zhǔn)工作狀況下，使用數(shù)據(jù)采集模塊對電路正常工作時測點、、、的電壓信號進(jìn)行采集，輸出信號波形如圖7所示。

圖7 主要測點的電壓波形Fig.7 Voltage waveforms at main measuring points

通過去除電路元件來模擬電路中出現(xiàn)的硬故障，通過公式計算故障診斷率：

(9)

式中：表示電路的工作模式數(shù)；表示某個電路的工作模式；表示第個工作模式的時間；表示所有電路工作模式中正確診斷的樣本總數(shù)。使用3種系統(tǒng)診斷實驗電路中的硬故障，經(jīng)過計算得到3種系統(tǒng)的硬故障診斷率，具體如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)的硬故障診斷率Tab.1 Hard fault diagnosis rates of three systems

由表1可以看出，本研究系統(tǒng)的故障診斷方法對電子電路中出現(xiàn)的硬故障的診斷率最高，故障檢測效果最好。對出現(xiàn)的硬故障功率MOSFET開路(F1)、二極管DIODE開路(F2)、電容短路(F3)、電容開路(F4)和電感(F5)開路情況，故障診斷率為100%。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對電路中出現(xiàn)硬故障的平均故障診斷率為94%，對硬故障中二極管DIODE開路情況的故障診斷率達(dá)到100%；文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對硬故障的平均故障診斷率為97.6%，其中對電路中出現(xiàn)電感開路情況的診斷率高達(dá)100%。

通過替換元器件及串并聯(lián)電阻來模擬軟故障區(qū)間的某些取值，使用3種系統(tǒng)診斷實驗電路中的軟故障，經(jīng)過計算得到3種系統(tǒng)的軟故障診斷率，具體如表2所示。

表2 3種系統(tǒng)的軟故障診斷率Tab.2 Soft fault diagnosis rates of three systems

由表2可以看出，本研究對于軟故障中電容值減小20%～50%的情況(f2)，故障診斷率最大達(dá)到100%。當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通阻抗增大20%～50%時(f5)，故障診斷率低至93%。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對電容開路的故障(f1)診斷率低至90%。當(dāng)出現(xiàn)電容電容值減小20%～50%，等效阻抗增大25%～100%軟故障(f3)時，文獻(xiàn)[3]的故障診斷率僅為88%，功率MOSFET導(dǎo)通阻抗增大時的故障(f5)診斷率低至80%。說明文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)對電路出現(xiàn)軟故障的診斷效果不好；文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對軟故障的平均故障診斷率為91.2%。

3 結(jié)語

本研究基于HOC算法設(shè)計出電子電路故障診斷技術(shù)，采集故障電路的特征信號，對信號進(jìn)行處理后突出了樣本點特征信息，減少了數(shù)據(jù)維度。將信號的特征向量樣本一部分作為訓(xùn)練樣本，一部分作為測試樣本進(jìn)行故障模式識別，得到電子電路的故障診斷結(jié)果。本研究的創(chuàng)新點在于：

(1)對化工設(shè)備故障診斷單元的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計，配置多個化工設(shè)備數(shù)據(jù)采集通道能夠?qū)?路的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并加入化工設(shè)備電壓跟隨器提高阻抗。選擇二次電源28～12 V DC-DC變換電路作為化工設(shè)備仿真電路，并在化工設(shè)備控制電路中加入LM317單片線性的電源電壓調(diào)節(jié)器，選用化工設(shè)備測點電壓信號的峰值和峰峰值反應(yīng)電路的故障類型；

(2)使用HOC算法處理化工設(shè)備電子電路的故障特征數(shù)據(jù)。各類化工設(shè)備故障特征之間的辨識度，設(shè)定離散時間序列均值為0簡化了階累積量，對化工設(shè)備累積量計算得到信號的峭度和偏度，反應(yīng)故障特征信號的概率分布特征。

隨著化工設(shè)備故障特征數(shù)目的增大給實際測試工作造成一定困難，且各故障特征量間可能會存在信息冗余，增加了化工設(shè)備分類器模型的復(fù)雜度，本研究還需對化工設(shè)備故障特征信息融合進(jìn)行深入研究。