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

針對機械真空泵，如果問題原因是出現(xiàn)了錯誤代碼，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]。但是如何精準定位問題點，解碼器的顯示結(jié)果并不能定位到具體故障點，導(dǎo)致問題不能快速確認，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照使用維護說明書，拆解真空泵，逐一排查可能的故障點，費時費力。雖然借助診斷設(shè)備可以初步顯示設(shè)備參數(shù)，但不能自動篩選出問題相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且進行故障預(yù)警。在實際工作條件下，如果沒有遇到錯誤代碼，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，還對工業(yè)發(fā)展具有很強的指導(dǎo)作用和決策輔助作用。對于工業(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，針對以上所闡述的這些問題，本文設(shè)計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際工作中遇到的困難進行數(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)進行自動篩查。該系統(tǒng)能夠在很大程度上提高設(shè)備維護單位的工作效率，具有很高的實用性。

1 故障預(yù)警診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過分析機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)測點，并針對不同監(jiān)測點的數(shù)據(jù)類型，選取有針對性的參數(shù)采集模組，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)叫畔⑻幚砥?，進行分析和判斷，發(fā)現(xiàn)運行參數(shù)異常，發(fā)出故障報警。因此，機械真空泵的故障預(yù)警診斷系統(tǒng)劃分為3 個分機：現(xiàn)場端的數(shù)據(jù)采集分機；數(shù)據(jù)遠程傳輸鏈路；遠程客戶端的數(shù)據(jù)處理終端（圖1）。

圖1 遠程問題診斷平臺系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)場端主要起到偵測作用，并且添加了智能開關(guān)起到自動控制的作用。偵測設(shè)備會對現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)進行收錄和解析，中間端會將匯集的數(shù)據(jù)進行積累和周期性處理并向下運輸。最后遠程客戶端將數(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)就會給工作人員發(fā)送故障預(yù)警。設(shè)備現(xiàn)場端采用技術(shù)成熟的PLC控制各個數(shù)據(jù)采集模組，實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的取樣、壓縮和數(shù)字化變換，對真空泵設(shè)備進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和收集。經(jīng)過該系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)將被統(tǒng)一儲存到后端數(shù)據(jù)庫中。

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

表1 層級儲存對象

根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)解析的具體流程，本文設(shè)計的遠程診斷系統(tǒng)具備最基本的兩大功能：一是對設(shè)備的遠程監(jiān)控，二是對設(shè)備的問題預(yù)測。遠程監(jiān)控功能主要包含參數(shù)實時監(jiān)控記錄以及對設(shè)備的運行情況的維護，問題預(yù)測是周期性地對每一個設(shè)備節(jié)點進行訓(xùn)練，智能判斷其是否出現(xiàn)問題，以此實現(xiàn)問題的預(yù)測和報警。

2 故障預(yù)警診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

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應(yīng)，通過故障樹的形式，形成系統(tǒng)的故障排查簡表，方便維護人員查閱和借鑒[3]。從數(shù)據(jù)流統(tǒng)計問題的診斷板塊則是問題代碼的對應(yīng)排故措施，根據(jù)故障樹分析得到的機械真空泵常見故障的對應(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)庫的不斷積累，形成系統(tǒng)的、標準化的問題自動診斷。

將兩個板塊綜合起來構(gòu)成本文設(shè)計的設(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)更加細節(jié)的內(nèi)容，包括問題數(shù)據(jù)的代碼解讀，分析錯誤發(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相關(guān)的所有信息，具體顯示為自動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，數(shù)據(jù)流監(jiān)測以及保險絲安全情況確認等。本系統(tǒng)投入使用之后，可以降低對維護保養(yǎng)和維修人員技能水平的依賴，采用自動化、智能化的故障預(yù)警機制，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)備的運行效率，還在一定層面上保障了生產(chǎn)運行的安全性。

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

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立

問題代碼查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是一種能夠存儲與機械真空泵問題代碼有關(guān)的信號數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫由6 個表組成，分別是問題代碼表述表、問題檢測流程表、控制后臺圖表、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)計時，使用矩形框標注出每一個零件的名稱，相關(guān)屬性就用橢圓標注，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，通過問題代碼描述進入監(jiān)測操作界面，點擊查詢，軟件就會自動對輸入的代碼進行解析，查找數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)，對現(xiàn)象進行匹配查詢，查詢流程如圖2 所示。

圖2 查詢系統(tǒng)流程

為降低系統(tǒng)的運行環(huán)境要求，適用于真空泵實際工作場景，在設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中本著最小化原則，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)定運行。因此數(shù)據(jù)庫各項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 驗證實驗

3.1 實驗準備

機械真空泵高溫問題的判定標準如下，當警報監(jiān)測系統(tǒng)檢測到某個零件持續(xù)排氣的溫度很高并且持續(xù)5 s 以上時，故障預(yù)警診斷系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測模塊會將采集到的溫度參數(shù)信息發(fā)送到客戶端進行處理，通過閾值比較，判斷為故障狀態(tài)，發(fā)出報警信息。但是由于溫度的上升不是一個瞬間態(tài)，往往伴隨著時間的積累，因此故障預(yù)警一般會有若干時長的滯后。為了驗證故障預(yù)警診斷系統(tǒng)能否準確測得真空泵的實際工作溫度，采用實際監(jiān)測的方式進行實驗。

首先，設(shè)定溫度監(jiān)控的時長。真空泵使用過程中經(jīng)常會長時間連續(xù)工作，因此測試時間覆蓋了真空泵的全程工作時間，從2022 年1 月21 日3：20—8：00，4 小時40 分鐘的工作時間內(nèi)，每隔2 s 采集一次四級泵組1651 號真空泵工作溫度參數(shù)，共7000 個數(shù)據(jù)點。機械泵在工作中呈現(xiàn)出周期性的溫度變化，對其中超過限定溫度值的數(shù)據(jù)進行提取和關(guān)注。圖3 是繪制的溫度隨時間變化的曲線。

圖3 機械泵溫度樣本數(shù)據(jù)曲線

其次，對所有數(shù)據(jù)進行平滑處理，剔除干擾和誤差的影響，采用二值平均法對曲線進行修正。然后，通過對既有的7000 個數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，實現(xiàn)樣本外預(yù)測，同時，調(diào)取該泵機實際溫度數(shù)據(jù)，進行曲線擬合比對。

3.2 實驗結(jié)論

經(jīng)過對故障預(yù)警診斷系統(tǒng)采集到的泵機溫度數(shù)據(jù)與真實檢測數(shù)據(jù)的對比，檢驗報警點的時間與溫度顯示的正確性，記錄見表2。

表2 報警數(shù)據(jù)統(tǒng)計

報警時間和報警類型與實際溫度的真實情況符合，真空泵確實因為高負荷工作產(chǎn)生了局部高溫，對正常工作狀態(tài)造成了威脅與損傷，監(jiān)測結(jié)果符合實測結(jié)果。由此可見，本文設(shè)計的機械真空泵故障預(yù)警診斷系統(tǒng)可以快速并且精準地檢測到設(shè)備問題并及時發(fā)出警報。

4 結(jié)束語

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，借助智能自動化的故障預(yù)警系統(tǒng)是工業(yè)制造業(yè)對產(chǎn)品設(shè)備質(zhì)量保障的必要手段。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，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)，提出泵機故障數(shù)據(jù)約簡的實質(zhì)，推動了電子控制系統(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)精進的研究者提供參考。