中域網(wǎng)空（成都）信息科技有限公司 李鐵成

1 引言

機(jī)電一體化技術(shù)是現(xiàn)階段我國(guó)整體建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，該技術(shù)融合了設(shè)備制造、計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)類型，所形成的設(shè)備能夠充分地滿足現(xiàn)代的生產(chǎn)需求。而隨著當(dāng)前機(jī)電一體化技術(shù)在水電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其各類故障現(xiàn)象也受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，要保證水電設(shè)備的正常使用，在工作之中就必須強(qiáng)化對(duì)其的診斷工作。

2 機(jī)電一體化設(shè)備在水電站中的應(yīng)用

機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體形式較為多樣，且不同形式的系統(tǒng)功能存在著較大的差異，但通常而言一個(gè)完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)通常包括的子系統(tǒng)為：機(jī)械本體、動(dòng)力部分、檢測(cè)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器等。

機(jī)械本體包括了相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置以及機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，機(jī)械子系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的主要功能是讓各類子系統(tǒng)和零部件按照一定的空間和時(shí)間關(guān)系，處在正確的位置上[1]。水電站機(jī)電一體化設(shè)備的應(yīng)用主要集中測(cè)控系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，測(cè)控系統(tǒng)主要是針對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，例如軸承溫度、冷卻油溫度和機(jī)組的轉(zhuǎn)速等，如果對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)相關(guān)部分的溫度超過(guò)預(yù)定值，則會(huì)發(fā)出預(yù)警或是直接停機(jī)，以保護(hù)水電機(jī)組運(yùn)行的正常性。而在調(diào)速系統(tǒng)之中，一般是采取PLC 微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)這種方式對(duì)發(fā)電機(jī)頻率和電網(wǎng)功率進(jìn)行把握，并在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和有功功率進(jìn)行調(diào)整，其中發(fā)電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以描述為：

式中，n 為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f 為頻率；p 為轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)。

相關(guān)的機(jī)電一體化系統(tǒng)通過(guò)電網(wǎng)調(diào)整有功功率指令的方式，對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)開度進(jìn)行調(diào)整，據(jù)此達(dá)到調(diào)整效果，如圖1所示。

圖1 水電站PLC 微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

3 水電站機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷

3.1 硬件邏輯故障

無(wú)論對(duì)應(yīng)的機(jī)電一體化設(shè)備在整體的控制系統(tǒng)方面如何復(fù)雜，其整體結(jié)構(gòu)仍然是相對(duì)較為簡(jiǎn)單的，通?？梢詣澐譃榛镜倪壿媶卧?，而邏輯單元又可以歸納為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中輸出信號(hào)可以使用組合邏輯電路輸入信號(hào)的邏輯函數(shù)表示的邏輯電路，而時(shí)序邏輯電路則是指對(duì)應(yīng)設(shè)備的邏輯電路中，特定時(shí)刻的輸出值，不僅依賴于本次加入邏輯電路的輸入端信號(hào)，而且依賴于先前加在該輸入段的信號(hào)。邏輯電路的故障如下。

一是永久性故障。這一故障指的是無(wú)法有效恢復(fù)的故障現(xiàn)象，通常而言永久性故障的主要特征是對(duì)于給定輸入，相關(guān)的電路會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的響應(yīng)，錯(cuò)誤特征具有典型的重復(fù)性。導(dǎo)致永久性故障的原因，通常為硬件的故障現(xiàn)象，如集成電路的輸入或輸出端，或者電路板上某一連線，其邏輯固定值不變而導(dǎo)致的錯(cuò)誤現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因通常是因?yàn)樾酒瑑?nèi)部出現(xiàn)短路現(xiàn)象或開路現(xiàn)象，由于故障本身處于硬件的內(nèi)部，因而一般難以進(jìn)行有效的修復(fù)，排除該故障，只有通過(guò)更換元件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。橋接故障也是一種比較常見的永久性故障，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因一般是因?yàn)橄鄳?yīng)的印刷電路板上，彼此相鄰的線間存在穿通或者是短路的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象即為橋接故障。而這種故障導(dǎo)致的硬件邏輯故障，與具體的邏輯功能、電路的整體結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)，在不同的元件上出現(xiàn)該故障現(xiàn)象，最終所產(chǎn)生的故障現(xiàn)象也是存在一定差異的。

二是間發(fā)性故障。這種硬件邏輯故障現(xiàn)象產(chǎn)生的原因通常是外界因素的干擾、計(jì)時(shí)偏差等因素導(dǎo)致，其本身具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和偶發(fā)性特征，在故障產(chǎn)生之后往往難以進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷和排除，而在發(fā)生故障之后對(duì)設(shè)備進(jìn)行再次運(yùn)行，其再次發(fā)生同類故障的可能性較小。分析間發(fā)性故障產(chǎn)生的原因，其通常是因?yàn)樵螂娐吩谔囟ǚ矫娴娜菹薏蛔?，如時(shí)間要求過(guò)于苛刻、抗干擾容限較小等，而造成相關(guān)的系統(tǒng)整體穩(wěn)定性不強(qiáng)的問(wèn)題導(dǎo)致的故障情況[3]。例如在部分機(jī)電一體化設(shè)備之中，相關(guān)的邏輯電路因?yàn)閭鬏數(shù)难舆t而導(dǎo)致的多個(gè)信號(hào)無(wú)法在同一精確時(shí)刻發(fā)生的現(xiàn)象。對(duì)于愈發(fā)精密的集成電路芯片，這些問(wèn)題更為常見，間發(fā)性故障發(fā)生率也更高。

3.2 軟件故障

軟件故障也是現(xiàn)階段機(jī)電一體化系統(tǒng)之中常見的故障類型，這一故障類型可以根據(jù)軟件的性質(zhì)不同，分為系統(tǒng)軟件故障和應(yīng)用軟件故障兩種類型。其中系統(tǒng)軟件故障所指的是，相關(guān)軟件在本身在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，沒(méi)有對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能形成充分的了解和認(rèn)識(shí)，因而在算法、定義和各個(gè)模塊之間的銜接上，存在對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤現(xiàn)象，這些錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致機(jī)電一體化設(shè)備無(wú)法正常有效地運(yùn)行。有鑒于此，相關(guān)單位在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的了解和掌握，從而充分提高系統(tǒng)軟件的可靠性。其次，應(yīng)用軟件故障也是機(jī)電一體化系統(tǒng)之中常見的故障類型，這種故障產(chǎn)生的原因，是由于對(duì)應(yīng)的操作過(guò)程中，數(shù)據(jù)的書寫格式、程序的語(yǔ)法和結(jié)構(gòu)上存在著錯(cuò)誤的現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致機(jī)電一體化設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。這種錯(cuò)誤產(chǎn)生的主要影響因素是人員因素，在防范此類故障的過(guò)程中，相關(guān)單位和人員通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)輸入的過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，將能夠有效地避免此類故障的發(fā)生[4]。

3.3 干擾故障

干擾故障所指的是電氣干擾，一般是由于一些與信號(hào)無(wú)關(guān)的，在信號(hào)輸入、傳輸和輸出過(guò)程中出現(xiàn)的不良電氣變化所導(dǎo)致，這類現(xiàn)象如電氣瞬變脈沖在發(fā)生之后不僅可能導(dǎo)致整體的信號(hào)質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重降低，甚至有可能對(duì)電路本身的正常功能形成危害，導(dǎo)致設(shè)備的損壞等。干擾產(chǎn)生的來(lái)源較為多樣，常見的干擾故障如下。

一是靜電干擾。對(duì)應(yīng)的設(shè)備和周圍物體表面聚集了大量的電荷之后，對(duì)電路進(jìn)行泄放而產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象。

二是磁場(chǎng)耦合干擾。這種干擾現(xiàn)象本質(zhì)是一種感應(yīng)干擾，如設(shè)備的電動(dòng)機(jī)、繼電器、風(fēng)扇等在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，以工頻形式通過(guò)電源耦合到控制系統(tǒng)的閉合回路之中，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)干擾。

三是電磁輻射干擾。這種干擾情況主要是因?yàn)樵O(shè)備的工作范圍內(nèi)，存在的一些電磁輻射源，其產(chǎn)生的電磁波帶來(lái)的干擾現(xiàn)象。

從這些內(nèi)容之中，可以基本了解到機(jī)電一體化設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中常見的一些故障，通過(guò)準(zhǔn)確地把握這些故障特征，將能夠?yàn)樵O(shè)備的診斷創(chuàng)造比較良好的條件。水電站機(jī)電一體化設(shè)備常見故障類型詳見表1。

表1 水電站機(jī)電一體化設(shè)備常見故障類型

4 水電站機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷

4.1 機(jī)電一體化技術(shù)的人工智能故障診斷

人工智能故障診斷技術(shù)在當(dāng)前機(jī)電一體化設(shè)備之中應(yīng)用比較廣，該技術(shù)的具體診斷方法包括專家系統(tǒng)故障診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷以及故障樹診斷等。

首先專家系統(tǒng)故障診斷方法在應(yīng)用過(guò)程中，是在對(duì)應(yīng)的知識(shí)庫(kù)之中存儲(chǔ)被控制對(duì)象的故障征兆、故障模式、故障原因和故障處理建議內(nèi)容，在進(jìn)行診斷過(guò)程中通過(guò)篩選符合特征的故障類型，最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體設(shè)備是否出現(xiàn)故障、故障類型進(jìn)行明確。在早期的診斷過(guò)程中，相關(guān)系統(tǒng)主要是基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)進(jìn)行診斷，隨著當(dāng)前技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)診斷系統(tǒng)也越來(lái)越注重對(duì)深層次故障知識(shí)的應(yīng)用，從而極大地提高專家系統(tǒng)診斷的準(zhǔn)確率和可靠性。

其次，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷的方式相較于專家診斷系統(tǒng)而言，具有較高的復(fù)雜性，系統(tǒng)能夠進(jìn)行多模式故障的診斷和聯(lián)想，對(duì)于專家系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中存在的一些不足可以形成幅克服[5]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷過(guò)程中，首先需要從控制系統(tǒng)中對(duì)各類故障信息和故障現(xiàn)象等資料進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，其次需要依托所獲取的故障信息，進(jìn)行相關(guān)的處理與學(xué)習(xí)，尋求解決措施。該過(guò)程中需要對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分進(jìn)行不斷的訓(xùn)練，來(lái)增強(qiáng)其診斷的有效性和可靠性，系統(tǒng)自身也可以在不斷的學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)進(jìn)行權(quán)值和閾值的調(diào)整，達(dá)到提高診斷有效率的效果。

故障樹診斷模型也是現(xiàn)階段用于機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷過(guò)程中重要技術(shù)，相關(guān)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，以診斷對(duì)象最不希望發(fā)生的事件為頂事件，按照對(duì)象的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)逐層展開，尋找直接導(dǎo)致這一故障生的中間事件，直到不可分的底事件為止，再用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T把頂事件、中間事件和底事件進(jìn)行連接，最終形成故障樹模型，這種方法也可以幫助相關(guān)單位和人員對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，有助于徹底進(jìn)行故障的排除。

4.2 基于多傳感器信息融合的故障診斷方法

信息融合是多信息源綜合處理的一項(xiàng)新技術(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)于機(jī)電一體化設(shè)備的故障診具有較強(qiáng)的作用和價(jià)值。多傳感器信息融合過(guò)程中就是利用信息融合技術(shù)，對(duì)大量傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方位和多層次的處理，從關(guān)聯(lián)的參數(shù)之中獲得對(duì)應(yīng)結(jié)論。該過(guò)程所具有的故障診斷優(yōu)勢(shì)如下。

一是多傳感器信息融合處理能夠得到比單一傳感器更為全面、準(zhǔn)確和可靠的信息，相關(guān)信息能夠幫助人們從多個(gè)角度對(duì)設(shè)備可能存在的故障進(jìn)行分析。

二是在多個(gè)相似傳感器的信息采集過(guò)程中，所獲取的信息具有較強(qiáng)的冗余性，而冗余信息的存在，將能夠從整體上彌補(bǔ)設(shè)備診斷過(guò)程中，相關(guān)信息可能存在的不確定性問(wèn)題。

三是不同類型的設(shè)備傳感器在工作和信息采集的過(guò)程中，具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，這一特征的存在可以有效地避免傳統(tǒng)單一傳感器信息采集的范圍局限性問(wèn)題。

四是多個(gè)傳感器共同進(jìn)行信息采集，將能夠極大地增加系統(tǒng)的可靠性，如果在工作之中部分傳感器出現(xiàn)故障，并不會(huì)影響信息采集系統(tǒng)的正常工作，從而有助于對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷工作開展。整個(gè)過(guò)程中，相關(guān)傳感器信息獲取的冗余、交叉和互補(bǔ)特征可以幫助人們從大量信息之中進(jìn)行相關(guān)的故障特征提取，然后根據(jù)故障表征和系統(tǒng)知識(shí)，展開更為詳細(xì)的診斷，判斷對(duì)應(yīng)系統(tǒng)是否存在故障，以及其故障源的特點(diǎn)。立足于這種方法，工作人員可以厘清故障源與故障表征的映射關(guān)系，不僅有助于現(xiàn)階段對(duì)故障的有效處置，同時(shí)也有助于未來(lái)對(duì)故障的防范和排除。

5 結(jié)語(yǔ)

水電站機(jī)電一體化設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相對(duì)較高，其發(fā)生故障之后對(duì)于生產(chǎn)的影響也比較大，因此針對(duì)其采取合理的故障檢修措施，快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的排除，將有助于實(shí)際的生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，相關(guān)單位和人員一方面需要對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備故障的類型形成系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，另一方面則需要對(duì)現(xiàn)階段的具體診斷技術(shù)、診斷方法進(jìn)行掌握，加以應(yīng)用，確保機(jī)電一體化設(shè)備的正常使用。