楊斌山

(新疆工程學(xué)院 控制工程學(xué)院，烏魯木齊 830000)

0 引言

機(jī)電特種設(shè)備涉及人們生命安全設(shè)備，如安裝、維修、使用和檢查不當(dāng)都容易引起事故。機(jī)電特種設(shè)備利用啟動(dòng)裝置控制設(shè)備運(yùn)行，以確保機(jī)電特種設(shè)備安全運(yùn)行。假如在機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)裝置故障的情況下，則無法安全運(yùn)行，容易出現(xiàn)各種危險(xiǎn)問題[1]。檢測(cè)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)裝置故障，可以使機(jī)電特種設(shè)備穩(wěn)定性較高，保證安全運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)較少研究檢測(cè)特種設(shè)備啟動(dòng)裝置故障，構(gòu)建診斷特種機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)裝置故障系統(tǒng)，為其故障診斷提供輔助手段，是當(dāng)前迫切需要解決問題。

目前該領(lǐng)域大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果，其中，采用直流接地的方法檢測(cè)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障，利用光控電子開關(guān)，分別將直流母線正負(fù)兩級(jí)通過限流電阻接地，計(jì)算絕緣電阻值，通過霍耳傳感器輸出可檢測(cè)接地故障，進(jìn)一步查找接地故障點(diǎn)具體位置[2]。雖然使用該系統(tǒng)檢測(cè)精度較高，但CPU使用率較大；使用混合特征相似度計(jì)算方法，從靜態(tài)方面度量程序行為相似性，利用代碼轉(zhuǎn)換框架過濾與行為相似性度量無關(guān)子圖，再結(jié)合圖同構(gòu)算法完成相似性度量，由此獲取故障信息。雖然使用該系統(tǒng)CPU使用率低，但計(jì)算過程十分復(fù)雜，檢測(cè)精準(zhǔn)度較低。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)基于骨架理論的機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)。充分分析骨架理論，提取故障檢測(cè)指標(biāo)，設(shè)計(jì)故障檢測(cè)流程，完成機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)電特種設(shè)備故障定位、特征提取、自動(dòng)攝像、編碼傳輸?shù)綀D像處理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警提示。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要用于對(duì)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障模擬和檢測(cè)，圖1中顯示了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分：故障注入場(chǎng)景可視化、故障信息采集、故障分析與處理、人機(jī)交互[3]。故障注入場(chǎng)景可視化包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建，通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)觀測(cè)，了解系統(tǒng)故障發(fā)生程度，建立相應(yīng)場(chǎng)景樹；控制電路負(fù)責(zé)收集機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障信息，包括注入速度、加速度、傳感器信息等，并全部打包發(fā)送；故障分析處理和人機(jī)交互主要是利用系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示和故障檢測(cè)結(jié)果顯示功能，對(duì)接收到故障信息實(shí)時(shí)處理，并通過顯示模塊顯示所有處理結(jié)果[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)研究，根據(jù)故障檢測(cè)系統(tǒng)功能要求，按照故障檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求，優(yōu)化機(jī)電特種設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分。

2.1 電流采集電路模塊

交流電采集模塊通過電纜上方的感應(yīng)線圈采集交流電，在采集過程中，該電流一旦被其它檢測(cè)模塊使用，則需要整流該電流，并對(duì)整流后電流進(jìn)行濾波處理[5]。因此，設(shè)計(jì)了由簡(jiǎn)單二極管組成的整流電流采集電路，用于故障檢測(cè)。電流采集電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路

在感應(yīng)線圈上并聯(lián)兩個(gè)二極管和電阻，設(shè)置截止線圈的通電狀態(tài)，利用二極管吸收電磁場(chǎng)釋放高壓，去除開關(guān)電弧。在此過程中，電感應(yīng)線圈采集交流電，通過整流全橋電路，獲取兩個(gè)的直流輸出結(jié)果相同，并以此為輸入結(jié)果，輸入至電流突變以及停電檢測(cè)模塊中[6]。

用來在突發(fā)電流發(fā)生時(shí)檢測(cè)故障的電流突變檢測(cè)模塊，在電路中出現(xiàn)故障時(shí)，三相短路或兩相短路會(huì)產(chǎn)生大量突變電流[7]。若要檢測(cè)突變電流，就必須采取整流方案，并在整流后對(duì)多層差分電路優(yōu)化處理，以獲取明顯脈沖信號(hào)；如果電流未發(fā)生突變，則利用二極管進(jìn)行低電平電壓定位，就可完成檢查點(diǎn)檢測(cè)。

2.2 太陽能電池模塊

太陽能電池通過吸收太陽光直接加熱或間接產(chǎn)生能量來提供熱量，將一塊完整的太陽能電池放在一個(gè)平面上，它可以構(gòu)成太陽能光伏電池板或組件[8]。PV組件通常有一個(gè)朝向太陽的玻璃，允許光線通過，同時(shí)保護(hù)著半導(dǎo)體晶片。太陽能電池通常是串聯(lián)或并聯(lián)的，以此產(chǎn)生額外電壓。

雖然并聯(lián)電池產(chǎn)生更高電流，但該電池陰影效應(yīng)產(chǎn)生問題，對(duì)陰影電池施加反向偏置，會(huì)使部分串聯(lián)電池中較弱的部分失去作用，這樣會(huì)造成巨大電力損失和潛在的破壞。串聯(lián)電池組通常是獨(dú)立的，而非并行的。每一個(gè)模塊通常有一個(gè)可并聯(lián)的獨(dú)立電源盒。盡管這些模塊可以互相連接以創(chuàng)建具有所需峰值直流電壓和負(fù)載電流的陣列，但是獨(dú)立的最大功率點(diǎn)跟蹤器是最佳選擇。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

以L298N為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有高驅(qū)動(dòng)，低發(fā)熱量，高抗干擾等特點(diǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組可通過內(nèi)置78M05驅(qū)動(dòng)電源工作，但是，為避免損壞穩(wěn)壓片，當(dāng)使用的驅(qū)動(dòng)電壓大于12 V時(shí)，使用5 V外部電源供電[9]。圖3中顯示了采用大容量濾波電容，自由保護(hù)二極管的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

圖3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用L298N芯片，可直接驅(qū)動(dòng)2臺(tái)3～30 V直流電機(jī)，并提供5 V輸出接口，供5 V MCU電路系統(tǒng)供電，可方便對(duì)直流電機(jī)速度、方向控制，也可對(duì)二相步進(jìn)電機(jī)控制，2 A的電流，25 W額定功率。高電壓全橋驅(qū)動(dòng)器主要由兩個(gè)H橋組成，由標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和繼電器線圈等電感負(fù)載，驅(qū)動(dòng)模塊主要由兩個(gè)控制端組成，可獨(dú)立于輸入信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)模塊可在低電平下穩(wěn)定運(yùn)行。還可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊外部連接檢測(cè)電阻，反饋到控制電路上，并使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.4 有載調(diào)容變壓器

為使有載調(diào)容變壓器省電、操作更方便、適用范圍更廣，尤其是適應(yīng)于變頻周期較短的機(jī)電特種設(shè)備，設(shè)計(jì)了有載調(diào)容變壓器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 有載調(diào)容變壓器

有載調(diào)容變壓器通過監(jiān)測(cè)變壓器低壓側(cè)的電壓、電流，判斷當(dāng)前負(fù)載電流。當(dāng)電容調(diào)節(jié)條件滿足前一個(gè)設(shè)定時(shí)，變壓器將向有載調(diào)容變壓器調(diào)節(jié)開關(guān)發(fā)出容量調(diào)節(jié)指令，有載調(diào)容變壓器開關(guān)根據(jù)容量調(diào)節(jié)指令進(jìn)行變壓器容量切換，實(shí)現(xiàn)高、低壓線圈在變壓器內(nèi)的星角轉(zhuǎn)換和串并聯(lián)轉(zhuǎn)換[10]。變壓器在勵(lì)磁狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)容量自動(dòng)轉(zhuǎn)換，完成了無激勵(lì)狀態(tài)下變壓器電壓的調(diào)節(jié)。

有載調(diào)容變壓器的負(fù)荷調(diào)整由大容量調(diào)整為小容量、高壓線圈由三角連接方式調(diào)整為星形連接方式，由于相電壓、電流和電阻保持不變，所以容量變?yōu)樵嫉?/3。為了保證輸出電壓不變，低壓側(cè)串阻增加了匝數(shù)，匝數(shù)增加等于電壓降低倍數(shù)。當(dāng)電壓不變時(shí)，通過增大電阻來改變電流，就形成了電容變化。通過負(fù)荷調(diào)整大容量變壓器的小容量，可以減少由于低壓側(cè)增加磁通密度，減小核心、硅鋼片單位損耗和空載損耗，從而達(dá)到減少損失、節(jié)省能源目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于骨架理論提取故障檢測(cè)指標(biāo)

骨架又稱為主軸，在物體內(nèi)其接圓中心軌跡最大。r跳的所有節(jié)點(diǎn)距離大于a節(jié)點(diǎn)被稱為節(jié)點(diǎn)的跳鄰。在故障檢測(cè)系統(tǒng)中，由于骨架是基于連續(xù)域的，節(jié)點(diǎn)是離散化的。因此，需要重新定義離散化來獲得離散域的骨架?；谶B續(xù)域散度，提取故障檢測(cè)指標(biāo)。

3.1.1 節(jié)點(diǎn)a散度特征

(1)

式(1)中，m(a)表示節(jié)點(diǎn)a轉(zhuǎn)發(fā)故障數(shù)據(jù)包數(shù)量；n(a)表示節(jié)點(diǎn)a接收故障數(shù)據(jù)包數(shù)量；Nr(a)表示節(jié)點(diǎn)a的r跳鄰居節(jié)點(diǎn)；λ(Nr(a))表示鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；節(jié)點(diǎn)a的散布特性是轉(zhuǎn)發(fā)的故障包總數(shù)與接收到的故障包數(shù)之和的平均差。

3.1.2 骨架節(jié)點(diǎn)特征

因?yàn)樯⒍裙?jié)點(diǎn)的隨機(jī)性，所以容易造成節(jié)點(diǎn)分布不均勻，為了提高散度魯棒性，當(dāng)diva為負(fù)值時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況修正。

3.1.3 骨架曲率特征

骨架曲率是指骨架節(jié)點(diǎn)a的k鄰居節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)a1到a2之間的距離與k鄰居節(jié)點(diǎn)中的跳數(shù)距離以及沿著骨架節(jié)點(diǎn)a1到a2的跳數(shù)距離的比值，計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，x1表示a1到a2在k鄰居跳數(shù)距離；x2表示a1到a2沿著骨架傳輸跳數(shù)距離。通過以上步驟，基于骨架理論，準(zhǔn)確提取機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)指標(biāo)。

3.2 故障檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

針對(duì)不同壽命周期機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障特征來檢測(cè)，結(jié)合庫存安全量，得到的啟動(dòng)故障檢測(cè)結(jié)果符合實(shí)際需要。

假定設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)的故障信號(hào)用f1表示；實(shí)際出現(xiàn)的故障信號(hào)用f2表示；本周期預(yù)期故障信號(hào)用f3表示。機(jī)電特種設(shè)備市場(chǎng)價(jià)格用T表示；機(jī)電特種設(shè)備大部分組件出現(xiàn)故障用M1表示；機(jī)電特種設(shè)備組件出現(xiàn)故障檢測(cè)耗能用N1表示；機(jī)電特種設(shè)備組件出現(xiàn)故障檢測(cè)效率用K1表示；啟動(dòng)裝置占用耗能用W表示，基于此，設(shè)計(jì)故障檢測(cè)流程，如圖5所示。

圖5 故障檢測(cè)流程

按照上述步驟，首先對(duì)硬件部分進(jìn)行了改進(jìn)，通過框架理論，抽取失效檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行故障檢測(cè)，對(duì)軟件部分進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

機(jī)電特種設(shè)備以限速輪為例，對(duì)基于骨架理論的機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 限速輪

安裝限速輪時(shí)，首先需要輸入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)限速輪部件。旋轉(zhuǎn)限制的輪子將會(huì)完全限制它的六個(gè)自由度，并把它作為參考部件。由于組件的參考坐標(biāo)系與參考限速輪的參考坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是隨機(jī)的，所以裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)位置相對(duì)于限速輪旋轉(zhuǎn)中心存在偏心距。軸線具有一定偏心，不能達(dá)到期望運(yùn)動(dòng)模擬效果，需要大量約束運(yùn)算。限速輪參考坐標(biāo)系重約束，如圖6所示。

圖6 限速輪參考坐標(biāo)系重約束

選取速度限制輪(10～20 m/s)，將其設(shè)置為“浮動(dòng)”，以表示完整的限制狀態(tài)，然后利用其巧合適應(yīng)特性，將兩個(gè)參考坐標(biāo)系重合的各參考坐標(biāo)面和參考坐標(biāo)系組合而成參考坐標(biāo)系。在完成上述約束后，可將限速輪作為裝配依據(jù)，保證裝配的限速輪裝配模型能繞中心軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期運(yùn)動(dòng)效果。

4.2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

以系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率和召回率為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

(3)

(4)

上述公式中，ai表示實(shí)際標(biāo)記樣本；bi表示程序標(biāo)記樣本，precision(ai，bi)值越大，說明系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率就越高；recall(ai，bi)值越大，說明系統(tǒng)被召回可能性就越高。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率

分別使用直流接地的方法檢測(cè)、混合特征相似度計(jì)算方法檢測(cè)、基于骨架理論方法檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種方法系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比分析

由圖7可知，使用三種方法系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率相差較大，重約束前使用直流接地的方法檢測(cè)、混合特征相似度計(jì)算方法檢測(cè)準(zhǔn)確率均低于85%，而使用基于骨架理論方法的檢測(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確率高于85%；重約束后使用直流接地的方法檢測(cè)、混合特征相似度計(jì)算方法檢測(cè)準(zhǔn)確率均低于80%，而使用基于骨架理論方法的檢測(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確率高于85%；裝配后，使用直流接地的方法檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)86%，使用混合特征相似度計(jì)算方法檢測(cè)準(zhǔn)確率最高為60%，而使用基于骨架理論方法檢測(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確率最高為96%。

通過上述對(duì)比內(nèi)容可知，基于骨架理論方法檢測(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確率較高。

4.3.2 系統(tǒng)召回率

分別使用直流接地的方法檢測(cè)W1、混合特征相似度計(jì)算方法檢測(cè)W2、基于骨架理論方法檢測(cè)方法W3對(duì)系統(tǒng)召回率對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 三種方法系統(tǒng)召回率對(duì)比分析

由表1可知，使用基于骨架理論方法檢測(cè)方法召回率始終低于0.3，而其余兩種方法法召回率均高于0.5，由此可知，使用基于骨架理論方法檢測(cè)方法召回率較低，系統(tǒng)檢測(cè)性能良好。

5 結(jié)束語

面對(duì)傳統(tǒng)故障檢測(cè)系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)基于骨架理論的機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)電特種設(shè)備啟動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)檢測(cè)精度高。雖然機(jī)電特種設(shè)備的初期故障檢測(cè)從一開始就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是由于機(jī)電特種設(shè)備很多，所以每個(gè)類別包含不同類型。要提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和不同設(shè)備穩(wěn)定性還需要深入研究。