基于數(shù)據(jù)融和的制氫設(shè)備故障診斷和監(jiān)控系統(tǒng)

成 回 中

(云南省大氣探測技術(shù)保障中心， 云南 昆明 650034)

0 引 言

氫氣是一種易燃、易爆物，因此電解水制氫從制氫到充氣的全過程都具有明顯的危險性，研究人員在制氫設(shè)備的關(guān)鍵部位都采取了不同的安全防范措施，并且在不斷提高這些防范措施的可靠性和先進(jìn)性[1-5]。本系統(tǒng)利用最先進(jìn)的電子設(shè)備和控制理論，把原來制氫系統(tǒng)中的模擬監(jiān)控儀表更換為穩(wěn)定可靠的數(shù)字監(jiān)控儀表，將分散的點式監(jiān)控更換為集成式智能監(jiān)控，將現(xiàn)場聲光報警增強為現(xiàn)場、遠(yuǎn)程多形式報警，將單個傳感器數(shù)據(jù)檢測擴展為多個傳感器數(shù)據(jù)融和分析，對可能出現(xiàn)的超閾值趨勢或故障進(jìn)行診斷和預(yù)警。從而進(jìn)一步確保了制氫設(shè)備和工作人員的安全，同時明顯減輕了現(xiàn)場工作人員的勞動強度。經(jīng)2年的實際應(yīng)用，該系統(tǒng)具有顯著地實用性、可靠性和先進(jìn)性。

1 系統(tǒng)硬件平臺

制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)設(shè)計的一種由下位機和上位機組成的多功能工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)[6-8]。該系統(tǒng)的下位機結(jié)合工業(yè)級芯片AT91SAM9G45和開源的嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，不僅可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中數(shù)據(jù)的采集、傳輸與顯示，還擁有短信報警、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和電力線遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?基于PC實現(xiàn)的上位機主要功能是對下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲、智能化處理與圖形化顯示，同時可對下位機的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在對下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理方面，重點實現(xiàn)了制氫設(shè)備故障的多融和智能診斷，使系統(tǒng)不僅能夠在單個傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時實時報警，而且能夠根據(jù)多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融和處理，實現(xiàn)制氫設(shè)備故障智能診斷預(yù)警。本系統(tǒng)硬件設(shè)計的理念是：先進(jìn)性；可靠性；可擴展性；性能價格比高。

制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中制氫壓力傳感器檢測制氫設(shè)備在制氫過程中產(chǎn)生的實時壓力，以防止設(shè)備過壓發(fā)生爆炸；充氣壓力傳感器檢測給用戶器具充氣時的壓力，以便制氫設(shè)備在需要時開始工作，維持儲氫罐的壓力在正常范圍內(nèi)；槽體溫度傳感器檢測制氫電解槽中的實時溫度，以保證制氫電解槽的溫度在正常值；泄氫濃度傳感器檢測制氫、存儲氫設(shè)備車間中空氣所含氫氣的濃度，以反映制氫設(shè)備是否有泄氫現(xiàn)象；直流電壓傳感器檢測制氫設(shè)備的動力電源是否在允許范圍內(nèi)，以保障制氫設(shè)備能正常工作。

圖1 制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)根據(jù)制氫設(shè)備的特殊生產(chǎn)環(huán)境，在常規(guī)工業(yè)控制基礎(chǔ)上有以下幾個增改部分。

(1) 電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。在工業(yè)制氫現(xiàn)場，因為含有爆炸氣體,通常下位機與上位機之間是通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的，而不采用無線網(wǎng)絡(luò)[6-7]。這樣，在現(xiàn)場和監(jiān)控室之間需鋪設(shè)專用的網(wǎng)線。在一些特殊建筑車間不易后期增鋪電纜，而采用電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，便可利用現(xiàn)有的電網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)信號調(diào)制成電力信號進(jìn)行傳輸，可以實現(xiàn)高達(dá)200 Mb/s或500 Mb/s的傳輸速率，大大減少了鋪設(shè)網(wǎng)線的成本，而且靈活性更高，便于本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

(2) GSM/GPRS遠(yuǎn)程短消息報警技術(shù)。本系統(tǒng)選擇具有防靜電功能的工業(yè)級短信貓，要求提供串口RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，支持PDU和TXT短信格式，具有中文短信收發(fā)、英文短信收發(fā)以及無線上網(wǎng)功能。

(3) 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)。視頻監(jiān)控是制氫設(shè)備監(jiān)測終端的新擴展內(nèi)容，系統(tǒng)通過高清攝像頭采集現(xiàn)場圖像信息，用戶通過手機或者具有瀏覽器的移動設(shè)備連接下位機的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)程序，就可實時監(jiān)控制氫工業(yè)現(xiàn)場的狀況[8]。該設(shè)備充分利用攝像機的硬件壓縮功能，盡量減少CPU運算時間，保證了圖像傳輸?shù)膶崟r性，是嵌入式設(shè)備視頻監(jiān)控的一種可行解決方案。

2 智能診斷監(jiān)控方法

多數(shù)據(jù)融和制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)采用VB作為軟件開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Office Access 2007，以圖形化的形式實現(xiàn)對下位機采集數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和智能分析處理，并為下位機設(shè)置參數(shù)[9-11]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計的理念是智能化；人性化；標(biāo)準(zhǔn)化。

本系統(tǒng)圖形界面主要包括登錄界面、主界面及功能界面三類。登錄界面主要是為了設(shè)置使用者的權(quán)限，目的是讓注冊用戶使用軟件。主界面提供了軟件的基本功能和重要數(shù)據(jù)的顯示，界面提供各種按鈕，按下對應(yīng)按鈕則轉(zhuǎn)向相應(yīng)的功能界面進(jìn)行操作。功能界面則實現(xiàn)具體的各種控制功能。

制氫設(shè)備故障智能診斷系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)模型如表1所示。設(shè)計數(shù)據(jù)庫時按照這些數(shù)據(jù)處理的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和行為設(shè)計。

本系統(tǒng)根據(jù)制氫設(shè)備的特殊生產(chǎn)環(huán)境，在對下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理方面，重點實現(xiàn)了制氫設(shè)備故障的多融和智能診斷，使系統(tǒng)不僅能夠在單個傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時實時聲光報警，而且能夠根據(jù)多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融和處理，對可能出現(xiàn)的超閾值趨勢或故障進(jìn)行分析，實現(xiàn)制氫設(shè)備故障智能診斷并預(yù)警。

表1 工業(yè)制氫監(jiān)控系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)模型

通過對制氫設(shè)備實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，我們發(fā)現(xiàn)制氫壓力pz、充氣壓力pc、槽體溫度tc、泄氫濃度LH和直流電壓UW超限報警時的數(shù)據(jù)并非完全獨立的，而是相互影響。比如pz和tc發(fā)生明顯同步上升時，這意味著制氫電解槽有可能存在某種潛在的故障，這就可以在報警發(fā)生前，提示技術(shù)人員在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)χ茪潆娊獠圻M(jìn)行一次檢修。比如pc和LH具有明顯的相關(guān)性，LH達(dá)到上限值時就會報警，通常pc會有降低現(xiàn)象。如果pc無故明顯下降，而LH無任何變化，則需要對泄氫濃度傳感器進(jìn)行一次檢查。

如何對這些現(xiàn)象進(jìn)行有效的分析和處理？顯然，一次總的診斷結(jié)果應(yīng)該是對單個診斷信息的融合而做出的決策，對于制氫設(shè)備實際獲得的是至少2個或2個傳感器以上的數(shù)據(jù)診斷結(jié)果，但并不能說它們各自完整、準(zhǔn)確地代表了總體的診斷結(jié)論，因而還需要對它們進(jìn)行決策層融合，獲得更準(zhǔn)確的診斷并預(yù)警。從貝葉斯統(tǒng)計學(xué)的觀點看，各傳感器數(shù)據(jù)的獨立診斷信息都可以看作隨機變量，這些隨機變量并非一定是總體診斷的真值，而只是總體真值的一個隨機表現(xiàn)，但都隱含著總體真值的一些信息，是總體真值的局部表現(xiàn)形式[12-15]。因此需要對這些局部診斷信息進(jìn)行再融合,最終推斷出總體診斷信息,給出最佳的制氫設(shè)備故障診斷結(jié)果。

本系統(tǒng)采用多數(shù)據(jù)融和方法實現(xiàn)對制氫設(shè)備故障智能診斷并預(yù)警。

設(shè)hi(1≤i≤5)為本系統(tǒng)5個傳感器獨立診斷所導(dǎo)出的故障基本概率分配函數(shù)，此5個傳感器獨立診斷共同作用下的概率分配函數(shù)：

h=h1+h2+…+hm=

(1)

其中：h(K)為K的基本可信度；D表示不同故障之間的測度，D越小，各故障之間的沖突越小，有：

(2)

設(shè)對數(shù)據(jù)表征的現(xiàn)象有m種不同的診斷結(jié)論，故障樣本庫中共有J種故障樣本，現(xiàn)象與樣本有相似距離為d，m次診斷的率屬度矩陣為：

(3)

則基本可信度函數(shù)的值可由下式確定：

(4)

基本可信度函數(shù)hm(ki)表示“所診斷出的故障是標(biāo)準(zhǔn)故障庫中第i個故障”的可信程度。其中:δi為權(quán)值，主要由2個的因素確定：① 性能權(quán)值因素。對傳感器獲得的數(shù)據(jù)所表征的現(xiàn)象與故障結(jié)論相對穩(wěn)定的故障診斷應(yīng)給以較大的權(quán)值。本文經(jīng)過大量實驗分析，對實際制氫環(huán)境中的故障現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計，采用故障的平均正確診斷率作為性能權(quán)值。② 相關(guān)性權(quán)值因素。實際制氫環(huán)境中各故障特征描述提供的信息是存在相關(guān)性的，所以相對獨立的故障案例則應(yīng)給以較大的相關(guān)性權(quán)值，反之給以較小的權(quán)值。比如，5個傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時δi=1，讓它們能各自獨立報警。

這樣，當(dāng)對多數(shù)據(jù)融合，有k1,k2?Θ，Θ為故障診斷框架，取J個故障庫的樣本。有：

h(k1)=max{h(ki)},ki?Θ,i=1,2，…，J

h(k2)=max{h(ki)},ki?Θ,且ki≠k1,

i=1,2，…，J

且：

(5)

其中：h(Θ)表示不確定性；α1、α2為設(shè)定的門限，多數(shù)據(jù)融合制氫設(shè)備故障診斷的結(jié)果為h(k1)，并在當(dāng)天數(shù)據(jù)分析結(jié)論中提出基于h(k1)的預(yù)警報告。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要通過下位機對制氫過程中制氫壓力、充氫壓力、槽體溫度、制氫電壓、泄氫濃度5個關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)的實時采集，利用上位機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智力處理，一旦發(fā)現(xiàn)險情，不僅現(xiàn)場聲光報警，并且向相關(guān)人員發(fā)出手機短信，進(jìn)行手機視頻監(jiān)看，同時啟動保護控制系統(tǒng)，停止制氫。本系統(tǒng)還根據(jù)制氫設(shè)備的特殊生產(chǎn)環(huán)境，實現(xiàn)了制氫設(shè)備故障的多數(shù)據(jù)融和診斷，使系統(tǒng)不僅能夠在單個傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時實時聲光報警，而且能夠根據(jù)多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融和處理，對可能出現(xiàn)的超閾值趨勢或故障進(jìn)行分析和診斷，并及時提出預(yù)警，防范故障于起勢，進(jìn)一步提升了制氫設(shè)備安全保障的可靠性。

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