面向機(jī)械設(shè)備維護(hù)的故障自動化診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 煒，黃 倩

（1.武漢大學(xué)人民醫(yī)院，武漢 430060；2.武昌職業(yè)學(xué)院，武漢 430060）

0 引言

信息熵是個較為抽象的物理應(yīng)用概念，可用來解決與信息結(jié)構(gòu)體相關(guān)的量化度量問題。一般情況下，一個信源所發(fā)送出的信息符號并不是完全確定的，可根據(jù)其出現(xiàn)概率的具體數(shù)值水平來衡量信息熵的平均輸出能力，若不考慮其它干擾條件的影響，概率值越大，信息源的出現(xiàn)機(jī)會就越多，與之相關(guān)的信息熵不確定性也就越??；反之信息熵的不確定性就越大[1,2]。在實(shí)際計(jì)算過程中，信息熵統(tǒng)計(jì)需要同時考慮數(shù)據(jù)的不確定性與符號的不確定性，且在穩(wěn)定的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境中，信源結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)發(fā)生幾率能夠連續(xù)保持確定性輸出狀態(tài)。

在電網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中，隨傳輸電子數(shù)量級水平的提升，一部分設(shè)備主機(jī)會出現(xiàn)明顯的運(yùn)行故障行為。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)可編程控制器件(Programmable Logic Controller，PLC)型故障診斷系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床（Computerised Numerical Control Machine，CNC）裝置的作用下，確定電子量的實(shí)時傳輸數(shù)值，再借助結(jié)構(gòu)式框架，實(shí)現(xiàn)對故障數(shù)據(jù)信息的定向化分析。但此系統(tǒng)的DIS（Data Ingestion Service）指標(biāo)與UIS（Unclamped Inductive Switching）指標(biāo)數(shù)值水平相對較低，很難對電子設(shè)備元件進(jìn)行合理化保護(hù)。為解決此問題，設(shè)計(jì)基于信息熵的設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)，聯(lián)合自動化診斷電路與變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)，完成對信息熵時頻域特征的精準(zhǔn)化計(jì)算，再通過連接精簡指令集信號處理（RISCDSP，RDSP）客戶端的方式，確定故障信息存儲數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)有連接形式。

1 設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由自動化診斷電路、變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)、故障行為分析模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 自動化診斷電路

自動化診斷電路可提供設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)連接所需的傳輸應(yīng)用電子，且隨著已輸入電量信息數(shù)值水平的提升，系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行信息熵總量也會逐漸增大，直至能夠完全滿足熱繼電器（FR）元件的實(shí)際執(zhí)行需求。圖1為自動化診斷電路結(jié)構(gòu)圖。

圖1 自動化診斷電路結(jié)構(gòu)

FR元件存在于自動化診斷電路下端，與設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)的電量輸出端M調(diào)度主機(jī)相連，可在保障系統(tǒng)內(nèi)部電量信息輸出能力的同時，向FU1、FY2等多個電子元件反饋大量的電信號參量，再在S1、S2、S3等多個并行控制開關(guān)的作用下，實(shí)現(xiàn)對電阻R連接阻值的有效調(diào)節(jié)[3,4]。電子量轉(zhuǎn)換元件能夠準(zhǔn)確感知整個自動化診斷電路中的電信號傳輸行為，并可在不違背信息熵執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對各級傳輸電子量進(jìn)行定向化處理，再將最終生成的電子應(yīng)用文件傳輸至其它變壓器監(jiān)測主機(jī)中，從而抑制設(shè)備運(yùn)行故障事件的實(shí)際發(fā)生幾率。

1.2 變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)

變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)能夠接收自動化診斷電路中的傳輸電子量，可在連接線組織的調(diào)度作用下，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障數(shù)據(jù)的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)信息熵文件的準(zhǔn)確感知。圖2為變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)示意圖。

圖2 變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)示意圖

整個變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)包含控制面板、主按鍵區(qū)域、參數(shù)顯示器、旋調(diào)區(qū)域、連接線五個結(jié)構(gòu)主體共同組成[5]。其中，控制面板承載了大量的傳輸電子量，可在感知設(shè)備故障數(shù)據(jù)信息的同時，調(diào)配其它主機(jī)組成元件的實(shí)際連接能力。主按鍵區(qū)域具備較強(qiáng)的人工可控性，一般情況下，相關(guān)操作人員可按照信息熵?cái)?shù)據(jù)的傳輸需求或電子量的基礎(chǔ)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對電子按鍵的接入數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)顯示器反映了整個變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)的現(xiàn)有連接形式，并可根據(jù)電子量的消耗需求，對個別差異化系數(shù)進(jìn)行突出顯示[6]。旋調(diào)區(qū)域掌控相關(guān)接線的連接形式，可在接線柱結(jié)構(gòu)體的作用下，控制接線組織的松緊度水平，從而影響變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)中的電子量傳輸能力。

1.3 故障行為分析模塊

故障行為分析模塊可承載與電信號設(shè)備相關(guān)的故障數(shù)據(jù)信息，并可聯(lián)合變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)，對各項(xiàng)信息熵參量進(jìn)行指向性的分析與處理。一般情況下，故障行為分析模塊中的電信號設(shè)備故障狀態(tài)由串行故障、并行故障、阻尼型故障、抗阻尼型故障等多種形式共同組成[7,8]。在正常連接狀態(tài)下，變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)所能承載的故障數(shù)據(jù)總量只能達(dá)到6.6×1017T，且隨著系統(tǒng)執(zhí)行時間的延長，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平基本不會出現(xiàn)明顯的變化情況。在電信號設(shè)備出現(xiàn)串行故障狀態(tài)的情況下，電子數(shù)據(jù)的傳輸總量只能達(dá)到4.4×1017T，且由于自動化診斷電路調(diào)度能力的逐漸增強(qiáng)，并行情況下的電子數(shù)據(jù)傳輸總量會出現(xiàn)一定程度的上升趨勢，但其數(shù)值總量始終不會超過正常執(zhí)行狀態(tài)下的設(shè)備故障信息傳輸水[9]平。阻尼型故障狀態(tài)與抗阻尼型故障狀態(tài)總是保持伴隨存在狀態(tài)，一般情況下，隨著信息熵?cái)?shù)據(jù)總量的增大，電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備也會出現(xiàn)明顯的故障行為，但其物理信息數(shù)值始終不會超過正常狀態(tài)下的電信號設(shè)備故障行為總量。具體故障行為分析模塊的連接分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 故障行為分析模塊的連接分類標(biāo)準(zhǔn)

2 設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，按照信息熵時頻域特征計(jì)算、RDSP客戶端搭建、故障信息存儲數(shù)據(jù)庫連接的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于信息熵設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 信息熵時頻域特征

電量設(shè)備元件在運(yùn)行過程中，當(dāng)故障行為出現(xiàn)或繼續(xù)發(fā)展時，將會引發(fā)整個變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)出現(xiàn)非平穩(wěn)振動狀態(tài)。因此，非平穩(wěn)振動行為可用來描述某些電量設(shè)備故障的存在。種種情況表明，從信息熵?cái)?shù)據(jù)中所獲取的動態(tài)故障振動電信號，它們在平穩(wěn)性表述方面是局限且相對的，而非平穩(wěn)振動則是廣泛且絕對的。由于信息熵時頻域特征的存在，非平穩(wěn)振動行為的統(tǒng)計(jì)量只支持時變函數(shù)型應(yīng)用模式，如功率譜或相關(guān)性函數(shù)等，故只了解這些電信號的頻域或時域特征形式并不足以表示信息熵的變換狀態(tài)。為此，需要利用所有與時間和頻率相關(guān)的物理量，建立必要的聯(lián)合函數(shù)來描述這些電量設(shè)備故障數(shù)據(jù)，這種表示方法被稱為電信號的時頻域特征。設(shè)r0代表設(shè)備故障電信號的最小振動系數(shù)，rn代表設(shè)備故障電信號的最大振動系數(shù)，在由r0、rn限定的物理數(shù)值區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)振動參量n的取值結(jié)果越大，最終計(jì)算所得的信息熵時頻域特征計(jì)算結(jié)果也就越穩(wěn)定。聯(lián)立上述物理量，可將設(shè)備故障電信號的信息熵時頻域特征結(jié)果表示為：

2.2 RDSP客戶端

RDSP客戶端具備運(yùn)行狀態(tài)、編輯狀態(tài)兩種連接形式。當(dāng)設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)處于編輯狀態(tài)時，電量數(shù)據(jù)源能夠借助IP地址端口存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體之中，出于實(shí)用性考慮，待定義的故障信息能夠在客戶端組織中保持良好的時變狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)客戶端組織的動態(tài)顯示功能。系統(tǒng)各級管理者可通過B/S、C/ S兩種形式監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場的電量傳輸情況，由于.NET框架的存在，XML數(shù)據(jù)信息能夠在RDSP客戶端中保持自由傳輸狀態(tài)，且不論哪種客戶端組織行為，都能夠保持良好的數(shù)據(jù)接受、發(fā)出與處理能力。設(shè)s0代表電量信息熵等于0時的電網(wǎng)設(shè)備故障運(yùn)行系數(shù)，sn代表電量信息熵等于n時的電網(wǎng)設(shè)備故障運(yùn)行系數(shù)，一般情況下，隨著已生成故障信息總量的增加，RDSP客戶端的實(shí)際執(zhí)行能力也會逐漸增強(qiáng)，直至能夠?qū)⑺须娏繑?shù)據(jù)信息完全轉(zhuǎn)存于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之中。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(1)，可將RDSP客戶端的實(shí)際連接行為定義為：

式(2)中，x1代表第一個輸入的電網(wǎng)設(shè)備故障參量數(shù)據(jù)，xn代表第n個輸入的電網(wǎng)設(shè)備故障參量數(shù)據(jù)，μmax代表故障診斷的最大執(zhí)行權(quán)限量，h1代表第一個輸出的電網(wǎng)設(shè)備故障參量數(shù)據(jù)，hn代表第n個輸出的電網(wǎng)設(shè)備故障參量數(shù)據(jù)。

2.3 故障信息存儲數(shù)據(jù)庫

故障信息存儲數(shù)據(jù)庫連接原理圖3所示。

圖3 故障信息存儲數(shù)據(jù)庫連接原理

故障信息存儲數(shù)據(jù)庫可借助LAN電網(wǎng)線路，對診斷服務(wù)器集群與備份服務(wù)器主機(jī)的連接行為進(jìn)行妥善安排，再根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際故障行為，確定系統(tǒng)診斷指令的具體執(zhí)行狀態(tài)。診斷服務(wù)器集群存在于故障信息存儲數(shù)據(jù)庫的頂層執(zhí)行單元之中，可感知信息熵?cái)?shù)據(jù)在電網(wǎng)環(huán)境中的實(shí)時傳輸行為，再根據(jù)故障數(shù)據(jù)交換機(jī)的現(xiàn)有連接形式，確定設(shè)備故障信息的存儲極值水平。數(shù)據(jù)存儲主機(jī)、信息熵分析元件同時存在于故障信息存儲數(shù)據(jù)庫的底層執(zhí)行單元之中，可在收集電網(wǎng)設(shè)備故障數(shù)據(jù)參量的同時，制定完整的信息傳輸計(jì)劃，再聯(lián)合傳輸信道組織，實(shí)現(xiàn)對電信號的整合與處理。至此，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在信息熵技術(shù)原理的支持下，完成設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)實(shí)用性檢測

為驗(yàn)證基于信息熵設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。通過人工監(jiān)測的方式，確定電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)際故障位置，再截取固定時長內(nèi)相關(guān)電量數(shù)據(jù)信息的具體傳輸變化情況，分析各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的實(shí)時變化狀態(tài)。其中，實(shí)驗(yàn)組設(shè)備主機(jī)搭載基于信息熵設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)，對照組設(shè)備主機(jī)搭載傳統(tǒng)PLC型故障診斷系統(tǒng)。圖4為設(shè)備故障檢測現(xiàn)場。

圖4 電網(wǎng)設(shè)備故障檢測現(xiàn)場

DIS指標(biāo)能夠描述電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行故障事件的實(shí)際發(fā)生幾率，一般情況下，DIS指標(biāo)數(shù)值越大，電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行故障事件的實(shí)際發(fā)生幾率也就越大，反之則越小。下表記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組DIS指標(biāo)的具體變化情況。

表2 DIS指標(biāo)對比表

分析表2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長，實(shí)驗(yàn)組DIS指標(biāo)始終保持相對穩(wěn)定的波動狀態(tài)，整個實(shí)驗(yàn)過程中的記錄數(shù)值雖出現(xiàn)過一定程度的上升或下降，但對整體穩(wěn)定性狀態(tài)的影響能力相對較小，全局最大值僅能達(dá)到31.7%。對照組DIS指標(biāo)則始終保持不斷上升的變化狀態(tài)，但實(shí)驗(yàn)前期的上升幅度明顯大于實(shí)驗(yàn)后期，全局最大值達(dá)到了54.8%，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，上升了13.1%。綜上可知，應(yīng)用基于信息熵設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對DIS指標(biāo)數(shù)值的有效控制，從而降低電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行故障事件的實(shí)際發(fā)生幾率。

UIS指標(biāo)可反映診斷主機(jī)對電子設(shè)備元件的合理化保護(hù)能力，一般情況下，UIS指標(biāo)數(shù)值越大，診斷主機(jī)對電子設(shè)備元件的合理化保護(hù)能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表3記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組UIS指標(biāo)的具體變化情況。

分析表3可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長，實(shí)驗(yàn)組UIS指標(biāo)始終保持穩(wěn)定與上升交替出現(xiàn)的變化趨勢，全局最大值達(dá)到了75.5%。對照組UIS指標(biāo)則始終保持不斷下降的變化趨勢，但實(shí)驗(yàn)前期下降幅度明顯小于實(shí)驗(yàn)后期，全局最大值僅能達(dá)到67.2%，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，下降了8.3%。綜上可知，應(yīng)用基于信息熵設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)，能夠大幅促進(jìn)UIS指標(biāo)的上升趨勢，實(shí)現(xiàn)對電子設(shè)備元件的合理化保護(hù)。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)PLC型故障診斷系統(tǒng)相比，基于信息熵設(shè)備故障自動化診斷系統(tǒng)的搭建過程相對較為簡單，可在自動化診斷電路、變壓器設(shè)備監(jiān)測主機(jī)與故障行為分析模塊的作用下，確定信息熵的時頻域特征數(shù)值，并可借助RDSP客戶端，實(shí)現(xiàn)對故障信息存儲數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定連接。從實(shí)用性角度來看，DIS指標(biāo)數(shù)值的下降、UIS指標(biāo)數(shù)值的上升，能夠充分降低電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行故障事件的發(fā)生幾率，滿足對電子設(shè)備元件進(jìn)行合理化保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用需求。

表3 UIS指標(biāo)對比表