朱 芳

(國營安慶海燕機(jī)械廠，安徽 安慶 246001)

1 引言

移動(dòng)空壓站具有維修簡單，操作方便，占地面積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，移動(dòng)空壓站在造船、礦山、交通等行業(yè)已得到了廣泛應(yīng)用，隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)移動(dòng)空壓站的智能化提出了更高的要求。但國內(nèi)一般都是空壓機(jī)廠家通過整合生產(chǎn)，尚未有完善系統(tǒng)的智能化監(jiān)控與健康評(píng)估系統(tǒng)[1]，與國外同類產(chǎn)品相比差距較大。

本文通過對(duì)某移動(dòng)空壓站智能化監(jiān)控與健康評(píng)估系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓站的運(yùn)行參數(shù)智能監(jiān)控、故障診斷和在線設(shè)備健康管理，提高空壓站的自動(dòng)化程度，運(yùn)行更加平穩(wěn)，提升安全可靠性[2]。

2 系統(tǒng)工作原理

移動(dòng)空壓站是采用集裝箱形式的大排量、高壓供氣裝置，包括空壓機(jī)、干燥凈化裝置、冷卻系統(tǒng)、排污系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)等。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 移動(dòng)空壓站系統(tǒng)組成

智能控制系統(tǒng)通過PLC、傳感器和工控軟件等的合理選型設(shè)計(jì)和布局，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)空壓站的壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)的智能監(jiān)控。健康評(píng)估系統(tǒng)主要是根據(jù)樣機(jī)故障數(shù)據(jù)特性，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測和判斷，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行顯示、報(bào)警、分析并給出處理措施，依據(jù)維護(hù)保養(yǎng)、配件更換、保養(yǎng)計(jì)劃等建立，應(yīng)用智能化設(shè)備和機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能故障診斷和在線設(shè)備健康智能管理功能。

3 系統(tǒng)研究內(nèi)容

系統(tǒng)主要分為頂層設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，框架如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控和健康評(píng)估系統(tǒng)框架圖

3.1 系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)分為用戶需求分析、確定系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、確定系統(tǒng)的功能模塊。

用戶需求分析：主要分析移動(dòng)空壓站的技術(shù)參數(shù)、功能需求等?？諌簷C(jī)自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，聯(lián)動(dòng)冷卻水泵；停機(jī)延時(shí)5 min停止冷卻水泵；根據(jù)季節(jié)、氣候變化設(shè)置排污時(shí)間及間隔，油污定時(shí)自動(dòng)泄放，并可手動(dòng)排污，停機(jī)自動(dòng)泄荷；自動(dòng)檢測和記錄潤滑油、冷卻水及各級(jí)氣缸壓縮后的空氣溫度、壓力，當(dāng)出現(xiàn)壓力、溫度過高或過低、電機(jī)和控制系統(tǒng)短路或者過載時(shí)，自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

確定系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)：根據(jù)空壓站功能需求，統(tǒng)計(jì)啟動(dòng)、停止、排污、加熱、水箱和滑油液位及各類故障等數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)25個(gè)、數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)8個(gè)，各級(jí)溫度、壓力、電壓電流等模擬量輸入點(diǎn)數(shù)21個(gè)，對(duì)比分析各種開發(fā)平臺(tái)，確定選用西門子S7-1215 PLC。

確定系統(tǒng)的功能模塊：采用數(shù)據(jù)可視化、存儲(chǔ)、查詢、機(jī)旁運(yùn)行控制、預(yù)警、智能診斷、維護(hù)和智能管理等8大功能模塊進(jìn)行開發(fā)。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)3個(gè)部分。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測對(duì)象數(shù)據(jù)的采集，包括監(jiān)測參數(shù)、數(shù)據(jù)接口的類型、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的選型。

設(shè)備控制系統(tǒng)：分為對(duì)空壓機(jī)、冷卻塔、干燥凈化裝置、水泵和負(fù)壓風(fēng)機(jī)等設(shè)備啟停、報(bào)警的控制等。

數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)：以西門子S7-1215 PLC開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，選擇EV220B電磁閥、TST-10.0壓力傳感器、EWTSB-PtM-2.0溫度傳感器、液位開關(guān)以及IPC-520/A21/i7工控機(jī)，進(jìn)行壓力、溫度、液位等數(shù)據(jù)的采集、分析與搭建。其平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能監(jiān)控和健康評(píng)估系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

上位機(jī)包含觸摸屏和工控機(jī)，兩者通過HDMI接口連接，觸摸屏主要完成人機(jī)交互功能、智能故障診斷結(jié)果顯示和設(shè)備健康管理系統(tǒng)顯示，工控機(jī)主要完成系統(tǒng)狀態(tài)診斷和在線設(shè)備健康檢測功能；下位機(jī)為PLC，通過RJ45接口與工控機(jī)通訊，主要完成空壓機(jī)組、干燥凈化裝置、冷卻塔、冷卻水泵、進(jìn)水閥等設(shè)備的監(jiān)測報(bào)警、自動(dòng)控制和安全保護(hù)。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用King View 6.6界面開發(fā)軟件和SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、智能故障診斷、運(yùn)行故障報(bào)警、運(yùn)行設(shè)備控制和管理功能等。

監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化功能：編寫程序，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠通過曲線、數(shù)值或圖標(biāo)等形式，在線顯示監(jiān)測參數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)。顯示屏分別用作各設(shè)備工作主監(jiān)控界面顯示和故障診斷流程顯示，設(shè)計(jì)有操作、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、服務(wù)器數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、事件查詢等界面。工控機(jī)通過RJ45接口獲取需要顯示的信號(hào)，然后通過HDMI線傳送到顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

監(jiān)測數(shù)據(jù)管理功能：對(duì)設(shè)備長期運(yùn)行過程中采集的油、水、氣壓力和溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)加以存儲(chǔ)、分析、調(diào)取和分類等管理。

智能故障診斷功能：包括當(dāng)前狀態(tài)診斷和未來狀態(tài)預(yù)報(bào)。根據(jù)不同的工況，決策是否報(bào)警并采取應(yīng)急措施，并實(shí)現(xiàn)故障類型和原因的實(shí)時(shí)顯示。

運(yùn)行故障報(bào)警功能：根據(jù)診斷出的設(shè)備故障，進(jìn)行聲光報(bào)警。

運(yùn)行設(shè)備控制功能：根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)，相應(yīng)啟停順序和時(shí)間要求，能夠自動(dòng)根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整設(shè)備的啟停控制。

設(shè)備運(yùn)行管理功能：根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行周期和運(yùn)行條件，以及監(jiān)測參數(shù)的變化，對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，包括設(shè)備維護(hù)管理、維修計(jì)劃管理和關(guān)鍵零部件的視情維修等。

4 智能故障診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

智能故障診斷系統(tǒng)將充氣過程的溫度、壓力、電流和電壓等多傳感信號(hào)級(jí)聯(lián)起來作為診斷特征向量，通過特征提取、降維和分類[3]等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)特征向量進(jìn)行分析，通過當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)診斷、未來系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)報(bào)對(duì)設(shè)備的故障情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，同時(shí)融合故障診斷通過融合當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)診斷和未來系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果判斷是否進(jìn)行報(bào)警并采取應(yīng)急措施。具體步驟如下。

第一步當(dāng)前狀態(tài)的診斷

首先采集大量的特征向量和所對(duì)應(yīng)的故障狀態(tài)樣本。在實(shí)際采集過程中，由于環(huán)境和儀器自身的原因不可避免地存在干擾和噪聲，會(huì)對(duì)分析工作不利，使準(zhǔn)確率下降，甚至誤判。因此在進(jìn)行分析之前必須對(duì)實(shí)際采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

接著對(duì)樣本訓(xùn)練故障診斷分類器，如SVM、故障樹分析等。用預(yù)處理后的大量樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)集，然后按4∶1分為用于生成訓(xùn)練分類器模型的訓(xùn)練集和驗(yàn)證算法準(zhǔn)確率的驗(yàn)證集。

最后，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)用分類器對(duì)采集到的特征向量實(shí)時(shí)分類以診斷系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。導(dǎo)致空壓站出現(xiàn)故障的原因繁多，分析起來比較復(fù)雜，下面根據(jù)以往空壓機(jī)出現(xiàn)的典型故障——排氣溫度過高可能出現(xiàn)的原因，建立故障樹進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 排氣溫度過高故障樹分析

根據(jù)故障樹的建模對(duì)其進(jìn)行定性和定量分析，得出基本事件概率和臨界重要度的近似大小，進(jìn)而系統(tǒng)地判斷空壓機(jī)在某種確定的失效模式下相對(duì)的安全性與風(fēng)險(xiǎn)性。同時(shí)，可以在設(shè)備問題、人員操作問題與環(huán)境因素問題的詳細(xì)分析下，制定相應(yīng)的失效控制措施，及時(shí)有效地進(jìn)行故障查除，有效地提升移動(dòng)空壓站的可靠性。

第二步未來系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)報(bào)

將過去一段時(shí)間系統(tǒng)的狀態(tài)作為輸入，未來一段時(shí)間系統(tǒng)的狀態(tài)作為輸出，通過有向圖模型和深度學(xué)習(xí)[4]等方法對(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行建模。并根據(jù)第一步的結(jié)果診斷預(yù)測未來系統(tǒng)的未來故障狀態(tài)。若系統(tǒng)達(dá)到臨界故障狀態(tài)，則認(rèn)為系統(tǒng)未來會(huì)發(fā)生故障。

第三步融合故障診斷

綜合第一步和第二步故障診斷的結(jié)果，通過一定的策略，判斷系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生故障，并采取相應(yīng)的措施。例如，診斷當(dāng)前狀態(tài)為正常，預(yù)測未來狀態(tài)為故障，那么系統(tǒng)處于臨界故障狀態(tài)，并且顯示將發(fā)生故障的相應(yīng)設(shè)備和開關(guān)等。采用主成分分析方法(Principal Component Analysis，PCA)，通過構(gòu)造數(shù)據(jù)樣本的一個(gè)正交變換，新空間的基底去除了原始空間基底下數(shù)據(jù)的相關(guān)性，因此只需使用較少數(shù)新變量就能夠解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)測量數(shù)據(jù)的降維處理，使原本龐雜難以分析的數(shù)據(jù)變得適合分析。使用PCA 算法進(jìn)行健康狀態(tài)識(shí)別主要分成2個(gè)部分：一是利用空壓機(jī)的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)建立主元模型，計(jì)算出T2統(tǒng)計(jì)量和Q統(tǒng)計(jì)量的控制限值；二是對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行健康狀態(tài)識(shí)別，其具體的檢測流程如圖5所示。

圖5 基于PCA的故障檢測流程圖

5 結(jié)論

移動(dòng)空壓站結(jié)構(gòu)緊湊、智能化程度高，通過對(duì)空壓站智能監(jiān)控與健康評(píng)估系統(tǒng)研究，能提高空壓站的自動(dòng)化程度，控制更加精細(xì)，運(yùn)行更加平穩(wěn)，切實(shí)提高了空壓站的可靠性、安全性和適應(yīng)性，滿足岸基移動(dòng)式應(yīng)急供氣需求，為碼頭、島礁以及海上供氣提供新的模式，效益顯著。但系統(tǒng)需在后續(xù)使用運(yùn)行過程中采集大量有效的故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類器訓(xùn)練，以便對(duì)當(dāng)前狀態(tài)診斷和未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。