鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備故障自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐田君

（1.河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067002；2.河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067002）

由于鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，電氣設(shè)備的發(fā)展趨于大型化、復(fù)雜化，對于鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備故障的自動檢測能力也必須隨之提高。考慮到高壓電氣設(shè)備故障出現(xiàn)的情況多種多樣，無法以一個定性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動檢測[1]。即使是電氣設(shè)備出現(xiàn)一個小小的故障也有可能導(dǎo)致整個鋼鐵廠停止工作，直接影響工作進(jìn)程。國內(nèi)學(xué)者對鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測方面的研究較多，本文參考陳仁祥等人提出的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電氣設(shè)備故障自動檢測領(lǐng)域應(yīng)用與挑戰(zhàn)研究，認(rèn)為對于電氣設(shè)備故障信息的采集與處理是對故障進(jìn)行有效檢測的重要手段。電氣設(shè)備一旦發(fā)生故障不但會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，還會對電路板自身產(chǎn)生一定程度上的傷害，減少其使用壽命。對于電氣設(shè)備故障進(jìn)行自動檢測，是確保電氣設(shè)備安全、穩(wěn)定工作的重要前提條件。本文鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一種故障自動檢測系統(tǒng)，致力于提高故障自動檢測效率。

1 鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)故障自動檢測系統(tǒng)的多型號應(yīng)用需求，故障自動檢測系統(tǒng)硬件采用B/S 模式，在系統(tǒng)硬件方面設(shè)計(jì)了傳感器檢測設(shè)備、微型數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及可視化主機(jī)[3]。與此同時，配備硬盤、鍵盤、鼠標(biāo)等一些基本硬件，但這些基本硬件不作為此次研究重點(diǎn)，以下將對上文提出的三個核心硬件進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.1 傳感器檢測設(shè)備設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際電氣設(shè)備的故障自動檢測的需要，本文設(shè)計(jì)的傳感器檢測設(shè)備型號為ME3-5894262，用于檢測電氣設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)[2]。傳感器內(nèi)置MPU-90120 芯片，MPU-90120 芯片作為一個封裝的復(fù)合型芯片，能夠有效提高電氣設(shè)備故障自動檢測的數(shù)據(jù)傳感精度。ME3-5894262傳感器，具體參數(shù)指標(biāo)，如表1所示。

結(jié)合表1 所示，ME3-5894262 傳感器檢測設(shè)備工作電壓為2.8V～6.5V，所承受電流值小于40mA。ME3-5894262 傳感器檢測設(shè)備能夠測量工作以及非工作狀態(tài)下的高壓電氣設(shè)備故障參數(shù)，多種維度自動檢測高壓電氣設(shè)備中的各項(xiàng)故障參數(shù)指標(biāo)，滿足電氣設(shè)備故障自動檢測的要求。

1.2 微型數(shù)據(jù)處理設(shè)備設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理能夠高效進(jìn)行，采用光柵感應(yīng)設(shè)備探頭設(shè)計(jì)微型數(shù)據(jù)處理設(shè)備[3]。通過基站傳輸電氣設(shè)備中的各項(xiàng)故障數(shù)據(jù)，減小監(jiān)測信源信號的冗余度，將出現(xiàn)傳輸錯誤的幾率降至最低。微型數(shù)據(jù)處理設(shè)備接口線路，如下圖1 所示。

圖1 微型數(shù)據(jù)處理設(shè)備接口線路

結(jié)合上述圖1 所示，若處理后的信號圖像呈現(xiàn)急劇波動或波形幅度劇烈增大，說明當(dāng)前具有故障信號，將信號發(fā)送給終端等待數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析后可實(shí)施相應(yīng)的處理措施。

1.3 可視化主機(jī)設(shè)計(jì)

將微型數(shù)據(jù)處理設(shè)備處理后的振動信息上傳至平臺，結(jié)合可視化主機(jī)的GPS 定位位置，確定故障點(diǎn)的位置[4]。在平臺上面，將故障點(diǎn)的位置，標(biāo)注在地圖上面，并和檢測裝置做聯(lián)動拍照和聲光報(bào)警操作，當(dāng)有聲音故障后，檢測裝置進(jìn)行抓拍和聲光報(bào)警。將傳感器檢測設(shè)備內(nèi)置于可視化主機(jī)中，采集的數(shù)據(jù)由可視化主機(jī)上傳至系統(tǒng)平臺，實(shí)時檢測電氣設(shè)備的故障信息。對于已經(jīng)發(fā)生過故障的區(qū)域，做列表或者圖表統(tǒng)計(jì)，在地圖上面進(jìn)行板塊式的標(biāo)注，做到提醒巡線人員注意關(guān)注重點(diǎn)故障區(qū)域。

2 鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算電氣設(shè)備故障偏振軸

鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備故障偏振軸檢測作為確定電氣設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵依據(jù)，下述將通過計(jì)算的方式，檢測電氣設(shè)備故障偏振軸[5]。首先，圈定電氣設(shè)備中出現(xiàn)故障的故障范圍，采用探傷技術(shù)，將故障圓心與電氣設(shè)備邊緣進(jìn)行連線，自定義該軸為偏振軸，電氣設(shè)備正常的發(fā)射矢量與偏振軸之間形成的角度為偏振角[6]。則其計(jì)算公式，如公式（1）所示。

如上述公式所示，為偏振角的計(jì)算公式。公式（1）中γ指的是電氣設(shè)備故障檢測的偏振角度；l指的是偏振軸長度，取值范圍通?！?，計(jì)算單位為cm；R z指的是傳感器檢測設(shè)備正常狀態(tài)下的發(fā)射偏振方向；r指的是為圈定故障范圍的圓心，通常以坐標(biāo)的形式進(jìn)行表達(dá)。根據(jù)偏振角度的計(jì)算，下述將進(jìn)行偏振軸的檢測，預(yù)測電氣設(shè)備可能出現(xiàn)故障的位置。

2.2 故障信息分析處理

針對上述計(jì)算得出的電氣設(shè)備故障偏振軸，對收集的故障信號執(zhí)行后期的數(shù)據(jù)信息處理，同時安全處理異常故障信號，實(shí)現(xiàn)最終故障信息分析處理[7]。該模塊采用計(jì)算機(jī)C 語言形式對模塊進(jìn)行輸出，進(jìn)行篩選可通過輸入C 語言編碼。電氣設(shè)備故障信息分析處理C 語言編碼，如圖2 所示。

圖2 電氣設(shè)備故障信息分析處理C 語言編碼

結(jié)合圖2 所示，通過計(jì)算機(jī)語言設(shè)置好程序代碼后，每一指令根據(jù)條件進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行，通過計(jì)算機(jī)指令對故障信息收集模塊收集的信號進(jìn)行處理，保證檢測系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這樣一來，通過C 語言編碼中的deviceld 指令減少電氣設(shè)備故障自動檢測中的冗余值，傳輸實(shí)時動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，提高檢測效率。

2.3 顯示自動檢測電氣設(shè)備故障信息

利用NB-IOT 技術(shù)將系統(tǒng)電氣設(shè)備故障自動檢測的報(bào)警功能連接后臺，顯示自動檢測電氣設(shè)備故障信息。顯示數(shù)據(jù)包括：電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)指標(biāo)以及偏振軸等。通常情況下，數(shù)據(jù)在終端的顯示映射取值在0～1.0 之間，通過計(jì)算每個數(shù)據(jù)的映射值，以此獲得電氣設(shè)備故障信息自動檢測結(jié)果。設(shè)電氣設(shè)備故障信息自動檢測結(jié)果的表達(dá)式為Q，則其計(jì)算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中：E指的是電氣設(shè)備的故障檢測時線路的電流極值；φ指的是鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備中的故障點(diǎn)個數(shù)；K指的是離散型故障信號的有效值；A指的是電氣設(shè)備故障時電流的流經(jīng)強(qiáng)度。通過公式（2），計(jì)算得出的映射值作為電氣設(shè)備故障信息自動檢測的關(guān)鍵依據(jù)，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時傳遞情況，傳輸終端數(shù)據(jù)，并顯示數(shù)據(jù)信息，完成鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

構(gòu)建實(shí)例分析，實(shí)驗(yàn)對象為RabbitMQ 鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備，實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)準(zhǔn)備及設(shè)備參數(shù)，如下表2 所示。

表2 選型設(shè)備及參數(shù)值

結(jié)合表2 所示，在保證實(shí)驗(yàn)具有有效性的前提下，選擇同一個測試指標(biāo)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為測試本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)之間的檢測吞吐率。檢測吞吐率越高證明該系統(tǒng)對于鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測效率越高。在此次的實(shí)驗(yàn)中, 首先使用本文系統(tǒng)自動檢測電氣設(shè)備的故障信息，利用Heapchyer 軟件記錄測得的檢測吞吐率，使其為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)系統(tǒng)自動檢測電氣設(shè)備的故障信息，同樣利用Heapchyer 軟件記錄測得的檢測吞吐率，設(shè)其為對照組，共進(jìn)行10 次實(shí)驗(yàn)。針對Heapchyer 軟件測得的吞吐率，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

采集10 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖3 所示。

圖3 檢測吞吐率對比圖

通過圖3 可得出如下的結(jié)論：本文系統(tǒng)檢測吞吐率均在3reqs/s 以上，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)對照組的檢測吞吐率，電氣設(shè)備的故障自動檢測效率更高。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)其各項(xiàng)功能均可以滿足設(shè)計(jì)總體要求，可以廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的故障自動檢測方面。

4 結(jié)語

通過鋼鐵廠高壓電氣設(shè)備的故障自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，希望能夠在確保電氣設(shè)備的故障自動檢測效率的同時，提高電氣設(shè)備的故障自動檢測的穩(wěn)定性。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)在電氣設(shè)備的故障自動檢測中的應(yīng)用，為電氣設(shè)備的故障自動檢測的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。但本文存在不足之處在于沒有對故障自動檢測系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行深入分析，這一點(diǎn)可以作為日后研究方面。通過實(shí)例分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)在保證電氣設(shè)備的故障自動檢測效率方面中的具體優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來，有必在現(xiàn)實(shí)中廣泛投入使用。