張秋亮

ZHanG Qiu-liang

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

(Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)

張秋亮

ZHanG Qiu-liang

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

(Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

為實現(xiàn)對客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)維修，采用諧波分析法，通過實時監(jiān)測各次諧波特征值，并與專家?guī)熘泄收蠈嵗M(jìn)行比對，得到機(jī)電設(shè)備及傳動機(jī)構(gòu)的劣化程度，達(dá)到實時監(jiān)測當(dāng)前設(shè)備的健康狀態(tài)，并預(yù)測未來設(shè)備的劣化趨勢的目的。采用該技術(shù)可將車站機(jī)電設(shè)備原來的定時檢修變成按照設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行維修，既可保證設(shè)備狀態(tài)良好，又可通過有重點的設(shè)備檢修降低設(shè)備維修的工作量及維修成本。通過對諧波檢測方法進(jìn)行試驗驗證，證明了該方法的有效性及實用性。

故障診斷；實時監(jiān)測；諧波分析；劣化程度

1 概述

隨著鐵路客運(yùn)站自動化程度的不斷提升，車站對設(shè)備的依賴性越來越高。受許多無法避免的因素影響，有時設(shè)備會出現(xiàn)各種各樣的故障，導(dǎo)致其失去預(yù)定的功能。鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備主要包括通風(fēng)空調(diào)與采暖、給排水、電梯和自動扶梯、屏蔽門和安全門、照明、車站導(dǎo)向標(biāo)志、自動售檢票等設(shè)備，這些設(shè)備種類繁多、性能各異，一旦電梯和自動扶梯等關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障，有可能對人的生命構(gòu)成威脅，其后果不堪設(shè)想[1-3]。目前客運(yùn)站對機(jī)電設(shè)備的維修主要分為定期維修和事后維修，無法完全根據(jù)設(shè)備的使用情況進(jìn)行有針對性的維修，也容易造成過度維修，從而導(dǎo)致維修投入的人員及設(shè)備成本增加，設(shè)備使用壽命縮短。因此，客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備采用傳統(tǒng)的定期維護(hù)或事后維修，不是最好的故障檢測及維修策略。諧波分析法利用諧波傳感線圈感知電氣設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電磁場的變化，采集得到測量數(shù)據(jù)，然后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析得出各次諧波含量，采取特征抽取的方法進(jìn)行信號處理，抑制非故障特征信號，突出故障特征信號，進(jìn)行故障識別[4-6]。諧波分析法具有不易受環(huán)境影響、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行維修保養(yǎng)，實現(xiàn)對客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備的“狀態(tài)維修”，降低設(shè)備的運(yùn)營成本，鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測技術(shù)的研究有重要的現(xiàn)實意義。

2 鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測原理

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，所得到一系列大于基波頻率的分量稱為諧波，實際上是一種干擾量，影響電氣設(shè)備的應(yīng)用[7-8]。諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)，大于一次諧波的諧波稱之為高次諧波，每種頻率的諧波與部件發(fā)生故障或者故障征兆的信息存在一一對應(yīng)關(guān)系。

機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的電流諧波中含有豐富的電氣狀態(tài)信息，一般當(dāng)機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)異?；蛄踊瘯r，會對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響并且產(chǎn)生規(guī)律變化的高次諧波。諧波檢測方法就是通過檢測諧波傳感線圈感知機(jī)電設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電磁場的變化，對測量數(shù)據(jù)利用傅里葉分析確定 2 次到 40 次各諧波的含量，根據(jù)特定次數(shù)諧波含量與故障專家?guī)毂日眨治龅贸鲈O(shè)備故障位置及各個部件的劣化程度，并與歷史信息結(jié)合起來生成設(shè)備健康狀態(tài)趨勢圖，可以提前預(yù)警，減少突發(fā)事件的發(fā)生。該方法不易受環(huán)境的影響并且適應(yīng)性強(qiáng)，能實時掌握機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，適用于對機(jī)電設(shè)備故障的在線監(jiān)測和故障早期診斷。

3 鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過對鐵路客運(yùn)站設(shè)備管理及故障檢測業(yè)務(wù)流程的需求調(diào)研，整理各級用戶的需求并研制鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用集中部署、2 級應(yīng)用的模式進(jìn)行，即鐵路局集中部署，鐵路局、客運(yùn)站 2 級應(yīng)用。系統(tǒng)的應(yīng)用軟件由地面應(yīng)用程序和前端數(shù)據(jù)采集程序 2 部分構(gòu)成，系統(tǒng)地面應(yīng)用程序采用 B/S 模式進(jìn)行部署，鐵路局級用戶、客運(yùn)站級用戶通過現(xiàn)有的鐵路綜合計算機(jī)網(wǎng)直接訪問服務(wù)器上的應(yīng)用程序。系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集程序利用傳感設(shè)備通過無線傳輸方式，實現(xiàn)與后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)通過接口的方式實現(xiàn)與鐵路客運(yùn)管理信息系統(tǒng)的信息交互，鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)傳輸及傳感設(shè)備部署方案

設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：前端諧波傳感器、無線交換網(wǎng)絡(luò)、后臺服務(wù)器及專家系統(tǒng)等部分，主要作用是完成機(jī)電設(shè)備諧波數(shù)據(jù)的采集、故障在線監(jiān)測及健康狀態(tài)趨勢預(yù)測。

（1）數(shù)據(jù)傳輸方案。設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)采用無線通信方式，實時傳輸檢測數(shù)據(jù)。利用前端的諧波傳感器采集機(jī)電設(shè)備諧波數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將諧波數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器中，服務(wù)器對諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析并通過比對專家系統(tǒng)，可以得出設(shè)備的狀態(tài)信息，表征當(dāng)前的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備老化情況。設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖 2 所示。

圖 2 設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

（2）傳感設(shè)備安裝。一般進(jìn)行設(shè)備故障在線監(jiān)測時，需要把傳感器安裝到能感應(yīng)到設(shè)備電流中電磁場變化的位置。以鐵路客運(yùn)站的電梯為例，電梯的動力來源是電梯曳引電機(jī)，動力電源通過變頻器，將工頻交流電轉(zhuǎn)化為所需頻率的交流電，提供給曳引電機(jī)。傳感器安裝于變頻器的輸入端和輸出端，而變頻器的輸出端即為電機(jī)的輸入端。因此，設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)通過 4 個傳感器即可完成對變頻器和曳引電機(jī)進(jìn)行諧波檢測，傳感器安裝位置如圖 3 所示。

3.3 故障診斷專家?guī)斓慕?/p>

鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障診斷專家?guī)斓闹饕獢?shù)據(jù)源于歷史故障案例，故障案例可用以下 7 個特征屬性來表示。

（1）故障案例類型：根據(jù)故障問題發(fā)生的部位、設(shè)備等關(guān)鍵特征，將案例劃分為不同的類型，在同種類型案例中，包含有相同類型的狀態(tài)特征及其故障征兆權(quán)值。

（2）案例狀態(tài)特征：記錄各種故障情況下電流諧波信號，該信號與機(jī)電設(shè)備部件、部位特征屬性有關(guān)，與設(shè)備故障呈對應(yīng)關(guān)系，并體現(xiàn)故障時的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)特征。

（3）故障征兆權(quán)值：描述故障征兆的權(quán)值，由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)歷史經(jīng)驗設(shè)定。

（4）案例匹配閥值：案例匹配成功的最小匹配度。

（5）故障原因：記錄發(fā)生故障的原因。

（6）故障診斷：指出故障發(fā)生的設(shè)備、部位等元素。

（7）故障解決方案：處理故障的方法及維修措施等。

故障診斷專家?guī)熘邪咐臄?shù)量和質(zhì)量決定了故障監(jiān)測系統(tǒng)的性能，專家?guī)斓母率且粋€不斷擴(kuò)展的過程。

3.4 設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)主要特點

（1）對機(jī)電設(shè)備故障實現(xiàn)不間斷的在線監(jiān)測。通過采集現(xiàn)場設(shè)備電流中 2～40 次的各階諧波，用傅里葉變換后進(jìn)行數(shù)字化處理，與設(shè)備故障專家?guī)鞂Ρ确治?，實時把分析報告?zhèn)魉徒o用戶，用戶馬上得到診斷結(jié)果和所需要的對策提案，實現(xiàn)了對機(jī)電設(shè)備故障的在線監(jiān)測，確保實時掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。

（2）精確定位設(shè)備劣化部位與器件的劣化程度。通過研究鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備常見故障機(jī)理，分析高次諧波中含有的敏感特征信息，提出諧波故障狀態(tài)信息分離技術(shù)方案，判斷機(jī)電設(shè)備劣化部位及劣化程度。

（3）對客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障的網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)控。通過部署客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測傳感器，采集機(jī)電設(shè)備故障信息，利用信號轉(zhuǎn)換器、信號接收器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等裝置進(jìn)行故障信息的無線傳輸，最終實現(xiàn)對鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障的網(wǎng)絡(luò)化集中監(jiān)控。

（4）為客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行提供決策支持。通過對客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備在線監(jiān)測，由專家系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，以實現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備故障的實時預(yù)測及報警，為客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行提供決策支持。

4 試驗驗證

電梯和自動扶梯作為鐵路客運(yùn)站內(nèi)主要機(jī)電設(shè)備，對于旅客的安全輸送具有重要作用。通過諧波在線監(jiān)測技術(shù)，可以實時監(jiān)測電梯和自動扶梯電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，將測得的諧波數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，并與數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)對比，可以得到實時的故障狀態(tài)信息，包括電機(jī)的關(guān)鍵部位老化程度，潛在的問題，以及給設(shè)備維修人員的提示等，還可以通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，對電機(jī)主要部件進(jìn)行趨勢管理，以確定電機(jī)可能出故障的時間，做到提前檢修預(yù)警。2015年 5月 6日至 5月 30日，通過機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)對鄭州鐵路局鄭州東站一部某品牌扶梯電機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)后臺的故障診斷專家?guī)爝M(jìn)行比對，得到的監(jiān)測結(jié)果如表 1 所示；通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到電機(jī)主要部件劣化情況的歷史趨勢曲線，如圖 4 所示。

表 1 鄭州東站現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

表 1 中的監(jiān)測結(jié)果與使用故障檢測儀器進(jìn)行檢測的結(jié)果基本一致，說明系統(tǒng)對客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障及潛在故障進(jìn)行監(jiān)測的有效性和準(zhǔn)確性。通過表1 可以看出，電梯電機(jī)的線圈部分劣化程度高達(dá)98.2%，說明設(shè)備劣化嚴(yán)重，為了保障電梯的安全運(yùn)行，應(yīng)盡快對電機(jī)進(jìn)行檢修。而對于電梯的負(fù)載部聯(lián)軸器，劣化程度已達(dá)到 63.2%，設(shè)備狀態(tài)已出現(xiàn)不良狀況，應(yīng)該對聯(lián)軸器進(jìn)行密切監(jiān)測，進(jìn)一步觀測運(yùn)行狀況，劣化程度一旦提高，應(yīng)盡快檢修，以保障電梯的安全運(yùn)行。

從圖 4 可以看出，電機(jī)主要部件劣化情況的歷史趨勢曲線呈搖擺上升趨勢，但某一點的異常值并不能說明設(shè)備一定有故障，真實設(shè)備的劣化狀態(tài)曲線應(yīng)為去除跳躍值并進(jìn)行平滑處理后的曲線?？諝忾g隙曲線有平滑上升趨勢，需要進(jìn)一步對其進(jìn)行重點檢測，一旦超過預(yù)警值應(yīng)立即進(jìn)行停機(jī)檢修，以保證電梯設(shè)備的安全運(yùn)行，而軸承曲線、回轉(zhuǎn)軸曲線都比較平穩(wěn)，說明這 2 個部件運(yùn)行正常。

5 結(jié)束語

鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測技術(shù)是保障站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行安全的重要技術(shù)手段，也是鐵路企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能增效、提高運(yùn)行管理水平、實現(xiàn)綜合維修管理的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測涉及到的專業(yè)較多，有電力、通信、房建等，各個專業(yè)之間的界面如何合理劃分，如何融合才能組成一個有機(jī)高效的機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，還需進(jìn)一步探討，鐵路客運(yùn)站機(jī)電設(shè)備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳感器的選擇等還需進(jìn)一步研究。

圖 4 電機(jī)主要部件劣化情況的歷史趨勢曲線

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責(zé)任編輯：王 靜

On-Line Monitoring System of Electric Facilities in Railway Stations

In order to realize the state maintenance of the mechanical and electrical equipment of passenger station, a harmonic diagnosing method is the method to judge a deterioration of an electric facility and transmission mechanisms by monitoring key values of each order of current harmonics and comparing with expert database. The final target of harmonic diagnosing method is to determine the health status in real time and predict deterioration tendency of facilities. Therefore, the maintenance methods change into the condition-based maintenance instead of formerly periodical maintenance. by harmonic diagnosing method, the workload of equipment maintenance and maintenance cost can be reduced through determining the key equipment to maintain. Finally, we prove the validity and practicability of the method by experimental verification.

Fault Diagnosis; Constantly Monitoring; Harmonic Diagnosing Method; Deterioration Grade

1003-1421(2016)11-0040-05

U293.2

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.11.08

2016-02-19

中國鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計劃課題(1551DZ8803)