機電類特種設備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設計

明子涵，張展彬

(四川省特種設備檢驗研究院 信息中心，成都 610051)

0 引言

機電類特種設備已在多種環(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、大型游樂設施等，均是涉及生命安全且危險性較大的設備[1]。機電類特種設備的啟動裝置是控制特種設備正常運行，保證設備運行安全的重要裝置，若啟動裝置發(fā)生了故障，則特種設備無法安全運行，致使發(fā)生各種危險[2]。對機電類特種設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，確保特種設備安全運行[3]。當前我國特種設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]。已有相關領域的專家學者設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，設計出機電類特種設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備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設計。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，完成機電類特種設備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的設計。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)硬件設計

對機電類特種設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備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的硬件部分進行優(yōu)化設計。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 電流采集電路設計圖

將兩個二極管和電阻并聯(lián)接在感應線圈上，設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，并消除開關電弧，感應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，即無線射頻識別技術，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，完成機電類特種設別啟動裝置故障檢測系統(tǒng)硬件部分的設計，為系統(tǒng)軟件設計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設計

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。假設針對某特種設備管理故障，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，結合庫存安全量，獲取跟隨實際需求曲線的設備啟動裝置故障檢測結果。

假設某特種設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，當月預期故障用C3進行描述。該設備目前市場價格用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，設備啟動裝置實際故障檢測結果低于故障檢測系統(tǒng)檢測設定值，系統(tǒng)將出現(xiàn)預警，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，設備實際故障數(shù)據(jù)量高于系統(tǒng)設定故障數(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)機電類特種設備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的設計。

3 實驗結果分析

為了驗證改進設計的機電類特種設備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)的性能，需對設計系統(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

在設計的機電類特種設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)和改進設計的機電類特種設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使用率結果如圖3所示。

圖3 兩種不同系統(tǒng)CPU使用率對比結果

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計的機電類特種設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果如圖4所示。

圖4 三種不同系統(tǒng)故障檢測精度對比結果

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，通過平均每秒事務數(shù)、平均事務響應時間、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)評價結果用表1進行描述。

故障檢測效率是驗證所設計的機電類特種設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時間對比結果如表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時間為69.21ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為71.25ms，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為56.22ms。在ODD模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為72.39ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為76.22ms，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為47.21ms。在FOLD模式下，哈希系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為67.12ms，SISR系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為82.71ms，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應時間為51.38ms。對比三種模式下，三種系統(tǒng)的平均故障信號響應時間，哈希系統(tǒng)的響應時間比SISR系統(tǒng)的響應時間短，而改進系統(tǒng)的響應時間遠遠小于這兩種系統(tǒng)的響應時間，實驗結果充分說明，改進系統(tǒng)的平均故障信號響應時間更

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。

綜合以上實驗結果得出，改進設計的機電類特種設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，提出設計一種機電類特種設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，完成機電類特種設備啟動裝置故障檢測系統(tǒng)設計。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。

[1] 武唯強, 閆 杰, 溫 琦. 基于廣義似然比的冗余慣組故障檢測方法研究[J]. 電子設計工程, 2015, 23(5):64-66.

[2] 王博磊, 崔彥平, 魯朝靜. 基于傳動誤差檢測法的齒輪故障測試系統(tǒng)設計[J]. 機械傳動, 2017(2):157-160.

[3] 唐金城, 繆希仁, 張麗萍. 基于DSP的低壓配電線路電弧故障檢測系統(tǒng)[J]. 電工電能新技術, 2015(2):72-75.

[4] 施一新, 楊 林, 楊 坤. 電動汽車高壓電連接電阻故障測試系統(tǒng)開發(fā)[J]. 汽車技術, 2016(8):48-52.

[5] 史 珂. 航天器發(fā)動機故障信號的有效檢測仿真[J]. 計算機仿真, 2015, 32(7):19-22.

[6] 王 燾, 張文博, 徐繼偉,等. 云環(huán)境下基于統(tǒng)計監(jiān)測的分布式軟件系統(tǒng)故障檢測技術研究[J]. 計算機學報, 2017, 40(2):397-413.

[7] 何華鋒, 王 彬, 張曉雨,等. 某型導彈標調(diào)瞄組合智能故障檢測系統(tǒng)設計[J]. 電光與控制, 2016(6):77-79.

[8] 喬恕立, 閆文吉, 李仙麗,等. 航空發(fā)動機電氣故障檢測系統(tǒng)設計[J]. 燃氣渦輪試驗與研究, 2016, 29(4):43-46.

[9] 李志軍, 梁樂樂, 韓存武,等. 基于PLS的多采樣率過程故障檢測及其仿真[J]. 計算機仿真, 2016, 33(10):445-449.