機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

明子涵，張展彬

(四川省特種設(shè)備檢驗研究院 信息中心，成都 610051)

0 引言

機電類特種設(shè)備已在多種環(huán)境中被廣泛使用，常見的如商場的扶梯、客運索道、壓力容器氣瓶、大型游樂設(shè)施等，均是涉及生命安全且危險性較大的設(shè)備[1]。機電類特種設(shè)備的啟動裝置是控制特種設(shè)備正常運行，保證設(shè)備運行安全的重要裝置，若啟動裝置發(fā)生了故障，則特種設(shè)備無法安全運行，致使發(fā)生各種危險[2]。對機電類特種設(shè)備啟動裝置的故障進行檢測，可以有效提高啟動裝置的穩(wěn)定性，確保特種設(shè)備安全運行[3]。當前我國特種設(shè)備啟動裝置故障檢測水平較低，急需開發(fā)一種機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)，為故障檢測提供幫助[4]。已有相關(guān)領(lǐng)域的專家學者設(shè)計出一些故障檢測系統(tǒng)，具有一定的有效性。文獻[5]系統(tǒng)采用直流接地的方法，設(shè)計出機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測精度較高，但檢測效率較低，且CPU使用率較大。為解決上述問題，提出改進的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設(shè)計。先對系統(tǒng)硬件部分進行改進，充分分析骨架理論，對故障檢測指標進行提取，計算故障檢測頻率，實現(xiàn)軟件部分的故障檢測功能，完成機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計。實驗驗證，該系統(tǒng)檢測精度高，檢測效率高，CPU使用率低。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

對機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)進行研究，先依據(jù)故障檢測系統(tǒng)的功能需求對機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的硬件部分進行優(yōu)化設(shè)計。故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)處理傳送單元是組成硬件最重要的兩個部分。設(shè)計故障檢測指示單元有效提高系統(tǒng)的檢測精度。數(shù)據(jù)處理傳送單元的優(yōu)化是提高系統(tǒng)故障檢測速率的有效途徑。具體優(yōu)化設(shè)計過程如下：

1.1 故障檢測指示單元

根據(jù)故障檢測系統(tǒng)硬件需求，將故障檢測指示單元劃分為4個子模塊，分別是電流采集模塊、電流突變檢測模塊，斷電檢測模塊和報警模塊。

電流采集模塊是通過架空在線纜上的感應(yīng)線圈進行交流電的采集[6]。采集過程中，需要對電流進行整流處理，將整流處理后的電流進行濾波，而后才能被其他檢測模塊所使用。采用兩個簡單二極管設(shè)計故障檢測指示單元整流電流采集電路，電流采集電路如圖1所示。

圖1 電流采集電路設(shè)計圖

將兩個二極管和電阻并聯(lián)接在感應(yīng)線圈上，設(shè)定切斷線圈導通狀態(tài)，確保二極管將電磁釋放的所有高壓吸收，并消除開關(guān)電弧，感應(yīng)線圈通過此過程采集到交流電，全橋電路在電流整流后得到兩路相同直流電輸出，作為電流突變檢測模塊和斷電檢測模塊的輸入。

電流突變檢測模塊是針對產(chǎn)生突變電流的情況下對故障進行檢測。三相短路或是兩相短路使出現(xiàn)的故障，會產(chǎn)生大量的突變電流。為了在突變電流下實施故障準確檢測，需現(xiàn)將突變電流整流，整流后，優(yōu)化處理多級微分電路，獲得尖銳的脈沖信號，使用二極管，當產(chǎn)生突變電流時，選用低電平電壓定位故障檢測點，對檢測點進行檢測。

斷電檢測模塊采用電阻和二極管組成的回路，在架空線路沒有電流通過時，對故障點進行檢測。

報警模塊主要用于對故障檢測點的故障信息做出報警提示。采用燈光閃爍的而形式，提示給遠程巡檢人員故障信息。

1.2 數(shù)據(jù)處理傳送單元

數(shù)據(jù)處理傳送單元主要由無線射頻收發(fā)模塊，雙模通信模塊，電源模塊及核心控制模塊組成。

無線射頻收發(fā)模塊采用RFID技術(shù)，即無線射頻識別技術(shù)，對故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)處理傳送單元之間的數(shù)據(jù)通信進行接收和發(fā)送。

雙模通信模塊采用RDSS射頻收發(fā)芯片構(gòu)建，其中還集成了功放芯片。通過這兩種芯片及其他芯片配合協(xié)調(diào)，可有效實現(xiàn)RDSS收發(fā)信號，調(diào)制及解調(diào)等功能。該模塊能夠兼容本地串口，進行串口參數(shù)配置，實現(xiàn)對故障檢測點的定位。

電源模塊的供電電壓要求保持在4.2 V，無線射頻收發(fā)模塊要求電源電壓采用直流，且保持2.9～3.6 V之間[7]，因此改進設(shè)計的數(shù)據(jù)處理傳輸單元的電源模塊選用LM2575電壓調(diào)整芯片，以滿足電源供電電壓的需求。供電過程中，將可充蓄電池的電壓調(diào)整到4.2 V，在固定輸出電壓，從而設(shè)計出穩(wěn)定供電電源。

核心控制模塊等同于系統(tǒng)硬件的大腦，可保障系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性和低功耗性。采用PIC16F883組建核心控制模塊。給出核心控制電路如圖2所示。

圖2 核心控制電路圖

綜上所述，分別對故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)處理傳送單元進行優(yōu)化，完成機電類特種設(shè)別啟動裝置故障檢測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，為系統(tǒng)軟件設(shè)計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于骨架理論故障檢測指標的提取

骨架被稱作中軸線，為物體最大內(nèi)接圓圓心軌跡，將和節(jié)點p之間距離低于k跳的全部節(jié)點稱作節(jié)點p的k跳鄰居。

在物理學中，散度是空間不同點矢量場發(fā)散強弱程度的體現(xiàn)，為場的有源性。F點的散度可描述成：

?VFdS

(1)

其中:F用于描述矢量場；V用于描述閉合曲面S圍成空間占整個空間的體積。

骨架是在連續(xù)域的基礎(chǔ)上提出的，故障檢測系統(tǒng)節(jié)點處于離散狀態(tài)[8]，因此為了得到離散域的骨架，需再次對散度進行定義，依據(jù)連續(xù)域的散度，給出離散域的散度概念。

定義1:針對某點p，其散度是：

(2)

其中:F(p)用于描述節(jié)點p轉(zhuǎn)發(fā)故障數(shù)據(jù)包個數(shù)；R(p)用于描述節(jié)點p接收故障數(shù)據(jù)包個數(shù)；Nr(p)用于描述節(jié)點p的r跳鄰居；λ(Nr(p))用于描述Nr(p)個數(shù)。

節(jié)點p的散度為節(jié)點p的r跳鄰居轉(zhuǎn)發(fā)的故障數(shù)據(jù)包總和與接收故障數(shù)據(jù)包總和之差的均值。

定義2:散度是負的系統(tǒng)節(jié)點被稱作骨架節(jié)點。

節(jié)點隨機性會導致節(jié)點分布不均勻，為了達到更高的魯棒性，在divp<δ的情況下，可按照實際狀態(tài)完成修正[5]。

定義3:針對骨架節(jié)點p的k鄰居節(jié)點中某兩個骨架節(jié)點p1和p2，p1至p2在k鄰居的跳數(shù)距離和p1至p2沿骨架傳輸?shù)奶鴶?shù)距離之比被稱作骨架節(jié)點p的骨架曲率[9]，也就是：

C(p)=lk_net/lk_sk

(3)

其中:lk_net用于描述p1至p2在k鄰居的跳數(shù)距離；lk_sk用于描述p1至p2沿骨架傳輸?shù)奶鴶?shù)距離。

機電類特種設(shè)備啟動裝置中，依據(jù)節(jié)點與骨架點之間的距離對J2EE層進行劃分，將與某骨架點距離最短的全部點劃分成一層[5]。

定義4:節(jié)點p與骨架線之間的跳數(shù)距離與節(jié)點p與邊界之間的跳數(shù)距離之比被稱作故障檢測指標，對故障檢測指標的提起用如下表達式：

I(p)=lps/lpb

(4)

其中:lps用于描述節(jié)點p與骨架線之間的跳數(shù)距離；lpb用于描述骨架節(jié)點p與距離最短邊界的跳數(shù)距離。

利用上述公式，基于骨架理論，準確提取出機電類特種設(shè)備啟動裝置的故障檢測指標。

2.2 故障檢測頻率的計算

特種設(shè)備啟動裝置故障檢測頻率為故障檢測的重要條件，用戶在一定程度上會依據(jù)故障檢測頻率，將一段時間內(nèi)檢測次數(shù)較少的故障從一級檢測轉(zhuǎn)移至二級檢測[9]。然而由于每天的故障檢測次數(shù)都在不斷變化，因此，每天的檢測頻率均不相同。若依據(jù)最近一段時間的故障檢測頻率對檢測方式進行判斷，則系統(tǒng)記錄故障數(shù)量規(guī)模將很大，增加檢測開銷。所以本節(jié)僅允許用戶選擇三種頻率：最近一個月、一個季度及一年的故障檢測頻率。

所以在對特征設(shè)備管理故障進行檢測的過程中，需對故障檢測頻率進行特別分析。

用A-n描述此刻起之前第n天任意特征啟動設(shè)備故障的檢測次數(shù)。Ao用于描述當天故障檢測次數(shù)，則在沒有添加當天統(tǒng)計故障的情況下，n天中故障總檢測次數(shù)S可描述成：

(5)

添加當天統(tǒng)計故障后，n天內(nèi)故障檢測次數(shù)S′可描述成：

(6)

分析上式可知，為了對一年內(nèi)故障檢測次數(shù)進行統(tǒng)計，需對這段時間內(nèi)每天的故障檢測次數(shù)進行統(tǒng)計，計算開銷大。選用一個近似公式求解頻率值。假設(shè)針對某特種設(shè)備管理故障，往前第n天訪問量為過去n天的均值，則有：

(7)

(8)

則針對所有特種設(shè)備管理故障，僅需統(tǒng)計一段時間內(nèi)檢測次數(shù)之和，以及當天故障檢測量即可獲取相應(yīng)故障的檢測頻率值，大大降低了計算開銷。

2.3 故障檢測的實現(xiàn)

依據(jù)機電類特種設(shè)備啟動裝置不同壽命周期階段的消耗統(tǒng)計特征進行故障檢測，結(jié)合庫存安全量，獲取跟隨實際需求曲線的設(shè)備啟動裝置故障檢測結(jié)果。

假設(shè)某特種設(shè)備啟動裝置在某個月的故障信號用C1進行描述，實際故障用C2進行描述，當月預(yù)期故障用C3進行描述。該設(shè)備目前市場價格用T進行描述，大規(guī)模故障用P1進行描述，單位故障檢測耗能用P2進行描述，單位故障檢測效率用P3進行描述，占用啟動裝置能耗用I進行描述，則故障檢測模型建立過程可描述如下：

1)故障檢測數(shù)據(jù)庫存當月實際已經(jīng)檢測的故障數(shù)據(jù)量F1=C2-C3；

2)在|F1-C1|≤T的情況下，設(shè)備啟動裝置實際故障既定區(qū)間進行檢測。

3)在|C1-F1|>T的情況下，設(shè)備啟動裝置實際故障檢測結(jié)果低于故障檢測系統(tǒng)檢測設(shè)定值，系統(tǒng)將出現(xiàn)預(yù)警，依據(jù)故障檢測模型檢測表達式為F2=(C1+T-F1)/T；

4)在F1-C1>T的情況下，設(shè)備實際故障數(shù)據(jù)量高于系統(tǒng)設(shè)定故障數(shù)據(jù)量，需進行進一步判斷確定庫存決策；

5)超儲配件的額外庫存所需花銷為F3=(F1-C1-T)°P3°I,轉(zhuǎn)讓配件折舊花銷可描述成F4=(P1-P2)°T；在F3>F4的情況下，系統(tǒng)會提交庫存故障檢測結(jié)果對比請求；否則，系統(tǒng)將保持現(xiàn)狀。

通過故障檢測模型，檢測特種設(shè)備啟動裝置的故障。

根據(jù)以上步驟，先對硬件部分進行改進，依據(jù)骨架理論，對故障檢測指標進行提取，計算故障檢測頻率，通過故障檢測的實現(xiàn)，完成軟件部分的優(yōu)化，從而實現(xiàn)機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的設(shè)計。

3 實驗結(jié)果分析

為了驗證改進設(shè)計的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的性能，需對設(shè)計系統(tǒng)進行嚴格的測試。實驗通過matlab組建實驗環(huán)境，分別對CPU使用率、故障檢測精度、故障檢測效率三個方面進行測試。具體描述如下：

3.1 系統(tǒng)CPU使用率測試

在設(shè)計的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)中，將故障檢測數(shù)據(jù)量從1K升高至128M，分別采用傳統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)和改進設(shè)計的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)進行CPU使用率測試，測得兩種系統(tǒng)的CPU使用率結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種不同系統(tǒng)CPU使用率對比結(jié)果

觀察圖3可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對啟動裝置進行故障檢測，其CPU使用率隨著故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模的增大而增大，且增大幅度越來越大。當故障數(shù)據(jù)為128M時，CPU使用率達到了85%，會導致CPU出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，致使故障檢測速率慢。采用改進系統(tǒng)對啟動裝置進行故障檢測，其CPU使用率隨故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模增大的幅度較小，當故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模為128M時，CPU使用率只有22%。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的CPU使用率，改進系統(tǒng)的CPU使用率遠遠小于改進系統(tǒng)的CPU使用率，實驗結(jié)果充分說明，改進系統(tǒng)的CPU使用率更低，系統(tǒng)運行效果更好，驗證了改進系統(tǒng)的可行性。

3.2 系統(tǒng)故障檢測精度測試

故障檢測精度是所設(shè)計的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)性能檢測的最重要指標。檢測精度的高低直接影響故障檢測系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。分別對改進系統(tǒng)、哈希系統(tǒng)和SISR系統(tǒng)的故障檢測精度進行測試，測得三種不同系統(tǒng)的故障檢測精度對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種不同系統(tǒng)故障檢測精度對比結(jié)果

分析圖4得知，采用哈希系統(tǒng)對啟動裝置進行故障檢測，其故障檢測精度曲線波動較大，平均檢測精度值約為40%，當故障檢測數(shù)據(jù)為250M時，出現(xiàn)最大檢測精度為55%。采用SISR系統(tǒng)對啟動裝置進行故障檢測，其故障檢測精度曲線波動相較于哈希系統(tǒng)更大，平均檢測精度值約為35%，當故障檢測數(shù)據(jù)為150M時，出現(xiàn)最大檢測精度為58%。采用改進系統(tǒng)對啟動裝置進行故障檢測，其故障檢測精度曲線波動較小，基本保持在90%左右，且隨著故障檢測數(shù)據(jù)規(guī)模的增大呈上升趨勢。對比哈希系統(tǒng)、SISR系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的實驗結(jié)果，改進系統(tǒng)的平均故障檢測精度遠遠高于哈希系統(tǒng)和SISR系統(tǒng)的平均故障檢測精度。經(jīng)試驗驗證，改進系統(tǒng)的故障檢測精度更高，說明了改進系統(tǒng)的實用性。

3.3 系統(tǒng)故障檢測效率測試

本節(jié)在EVEN模式、ODD模式、FOLD模式下，通過平均每秒事務(wù)數(shù)、平均事務(wù)響應(yīng)時間、CPU使用率和內(nèi)存使用率對系統(tǒng)自身硬件性能進行評價。三種系統(tǒng)評價結(jié)果用表1進行描述。

故障檢測效率是驗證所設(shè)計的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)有效性的重要指標。故障信號的響應(yīng)時間能夠充分反映出故障檢測效率，分別在EVEN模式、ODD模式、FOLD模式下，對改進系統(tǒng)、哈希系統(tǒng)和SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間進行測試，得到3種不同系統(tǒng)在3種模式下的平均故障信號響應(yīng)時間對比結(jié)果如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)3種模式下平均故障信號響應(yīng)時間對比

由圖5可知，在EVEN模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為69.21ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為71.25ms，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為56.22ms。在ODD模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為72.39ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為76.22ms，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為47.21ms。在FOLD模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為67.12ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為82.71ms，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間為51.38ms。對比三種模式下，三種系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間，哈希系統(tǒng)的響應(yīng)時間比SISR系統(tǒng)的響應(yīng)時間短，而改進系統(tǒng)的響應(yīng)時間遠遠小于這兩種系統(tǒng)的響應(yīng)時間，實驗結(jié)果充分說明，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應(yīng)時間更

短，故障檢測實時性更好，故障檢測效率更高，驗證了改進系統(tǒng)的有效性。

綜合以上實驗結(jié)果得出，改進設(shè)計的機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)具有檢測精度高、CPU使用率低、檢測效率高等優(yōu)點，具有一定的實用性和可行性。

4 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)檢測精度低、效率低、內(nèi)存占用率高等問題，提出設(shè)計一種機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)。改進硬件部分的故障檢測指示單元和數(shù)據(jù)傳輸處理單元；以骨架理論為依據(jù)，對故障檢測指標進行提取，計算故障檢測頻率，實現(xiàn)軟件部分的故障檢測功能，完成機電類特種設(shè)備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設(shè)計。通過實驗驗證，該系統(tǒng)檢測精度高，CPU使用率低，且效率高。但在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，仍需深入研究，改進系統(tǒng)穩(wěn)定性，以滿足故障檢測系統(tǒng)的需求。

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