探究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

魏亭 楊盛泉 劉萍萍

摘要：為了改變傳統(tǒng)工程機(jī)械出現(xiàn)問題后故障診斷慢、查找原因困難、消除故障效率低下等落后狀況，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探究工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計。首先介紹了工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)，它包括感知采集層、通信傳輸層、控制應(yīng)用層，進(jìn)而詳細(xì)的講述了物聯(lián)網(wǎng)每一層的工作內(nèi)容與原理，最后根據(jù)工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)測控特點與生產(chǎn)運行安全要求，設(shè)計出了完整的工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)。實踐表明本故障診斷系統(tǒng)具有較為快速、精確、穩(wěn)定的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;物聯(lián)網(wǎng);專家系統(tǒng);故障診斷

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0229-02

0? 引言

工程機(jī)械在我國制造業(yè)裝備中具有非常重要的地位，它對基礎(chǔ)設(shè)施、礦山機(jī)械、交通工程、工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)起到至關(guān)重要的作用[1]。工程機(jī)械在生產(chǎn)運行中，經(jīng)常處于滿負(fù)荷長時間的工作，傳統(tǒng)的工程機(jī)械一般都是出現(xiàn)故障后，由工程技術(shù)人員去檢查與維修，問題嚴(yán)重時往往耽誤了企業(yè)生產(chǎn)，同時存在較大的安全運行隱患[2]。

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)的最新發(fā)展產(chǎn)物，其英文全稱為Internet Of Things，簡稱IOT，其表達(dá)的意思是萬物互聯(lián)，它基于RFID技術(shù)、視頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)、全球定位技術(shù)、激光掃描器技術(shù)在設(shè)備上安裝各種信息傳感器，并在內(nèi)部或者外部部署ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、4G或5G網(wǎng)絡(luò)，按標(biāo)準(zhǔn)約定的應(yīng)用協(xié)議實現(xiàn)多個實體進(jìn)行智能化識別、信息交換與測量控制。專家系統(tǒng)，其英文全稱為Expert System，它是當(dāng)代人工智能技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相互融合發(fā)展的最新技術(shù)，它可以聚焦領(lǐng)域?qū)＜业闹R與經(jīng)驗，能夠根據(jù)用戶提出的問題，搜索其內(nèi)置知識庫，并進(jìn)行各種復(fù)雜算法的人工智能邏輯推理，最后給出合理的判斷結(jié)論或者較為正確的解決方案。因此，專家系統(tǒng)對于工程機(jī)械設(shè)備的故障診斷有著無可比擬的優(yōu)勢。

從而，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計與開發(fā)工程機(jī)械設(shè)備智能故障診斷專家系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)工程機(jī)械設(shè)備運行出現(xiàn)故障前進(jìn)行提前快速預(yù)警、防患于未然、提高工程運行效率，從而最大程度的保證企業(yè)安全生產(chǎn)有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1? 工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工程機(jī)械的通用測量與控制特點，采用微電子芯片傳感技術(shù)、微機(jī)電控制技術(shù)、有線或者無線通信技術(shù)，設(shè)計出如圖1所示的工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)，它包括感知采集層、通信傳輸層、控制應(yīng)用層[3]，詳細(xì)說明如下。

1.1 工程機(jī)械感知采集層

工程機(jī)械感知采集層主要是設(shè)備上布置若干的傳感器，它作為物聯(lián)網(wǎng)的采集信息的神經(jīng)末梢，是整個物聯(lián)網(wǎng)的測量、控制與故障診斷的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。工程機(jī)械設(shè)備的感知層主要包括電子標(biāo)簽、電流變送器、電壓變送器、狀態(tài)傳感器、位置傳感器、疲勞度傳感器、損傷探測傳感器等組成。有了這些傳感器，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以隨時掌握工程機(jī)械設(shè)備的運行健康狀態(tài)，可以實現(xiàn)自動或者操作人員手動干預(yù)運行。大部分工程機(jī)械感知層節(jié)點內(nèi)部主要由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)傳輸通道以及電源能量供應(yīng)單元組成。工程機(jī)械的感知層節(jié)點從原理上分類，主要有光敏、電壓敏、熱敏、力敏、氣敏、磁敏和濕敏等等類別，特定的工程機(jī)械領(lǐng)域還需用特殊的傳感器，如生物電子芯片等。目前工程機(jī)械領(lǐng)域的傳感器節(jié)點應(yīng)用了微電子嵌入式技術(shù)，需要對其進(jìn)行編程并設(shè)置各種運行采集量程參數(shù)，適應(yīng)各種運行場景進(jìn)行故障診斷。

感知層的傳感節(jié)點用于獲取工程機(jī)械的各種被測信息，但是大部分工程機(jī)械運行環(huán)境惡劣，不可避免的受到各種環(huán)境干擾，這樣在傳感器的輸入或輸出信號中不可避免地包含雜波信號，信號幅度也不一定適合直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以需要將工程機(jī)械的原始采集信號進(jìn)行調(diào)理。所以傳感節(jié)點需要增加信號調(diào)理電路，其目的是完成濾波、幅度變換等功能，其內(nèi)部一般由信號放大器、干擾濾波器等組成。

1.2 工程機(jī)械通信傳輸層

工程機(jī)械通信傳輸層也可以稱為工程機(jī)械網(wǎng)絡(luò)層。通信傳輸層主要解決感知采集層所獲得的工程機(jī)械設(shè)備測量信號數(shù)據(jù)內(nèi)部短距離或者外部長距離傳輸數(shù)據(jù)的問題，它是物聯(lián)網(wǎng)的中間層。通信傳輸層是工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)健康穩(wěn)定運行的保障。工程機(jī)械中布置的大量細(xì)節(jié)傳感節(jié)點信息的需要通過快速、可靠、安全的方式通信傳輸?shù)焦こ虣C(jī)械應(yīng)用層。工程機(jī)械通信傳輸層可以采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線WIFI、有線工業(yè)以太網(wǎng)、4G/5G或者串口RS485等通信形式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)英文為Wireless Sensor Networks， 簡稱WSN，該種通信方式在工程機(jī)械領(lǐng)域中使用較多，它是一項通過無線通信技術(shù)把較多的工程機(jī)械溫度、壓力、電流或者電壓傳感器節(jié)點進(jìn)行組織與有序結(jié)合進(jìn)而形成的小范圍自主網(wǎng)絡(luò)形式。

大部分工程機(jī)械通信傳輸層運行時采用Modbus RTU 或者M(jìn)odbus TCP協(xié)議，Modbus RTU適用串口通信接口，Modbus TCP適用工業(yè)以太網(wǎng)的方式通信。Modbus是一種主從規(guī)約協(xié)議，它廣泛的應(yīng)用在工業(yè)通信控制中，采用CRC16校驗，具備非常強(qiáng)的抗干擾功能，它支持讀或?qū)懸粋€或多個WROD操作。Modbus信息交換是以主站采取主動實現(xiàn)的，即由主站啟動交換。工程機(jī)械的通信傳輸上下層之間所有的一個完整通信數(shù)據(jù)交換由下行和上行兩個報文組成：主站發(fā)出的一個下行讀或者寫報文請求;從站發(fā)回的一個數(shù)據(jù)反饋或者確認(rèn)寫成功或者失敗的上行報文回答。

1.3 工程機(jī)械控制應(yīng)用層

工程機(jī)械控制應(yīng)用層，它位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層，其主要功能為控制應(yīng)用，即通過高級信息處理與邏輯運算進(jìn)行工程機(jī)械實時動作指揮控制或者故障診斷處理?？刂茟?yīng)用層與最低端的感知采集層一起，是工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)的重點與核心。在通用的物聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用層通過各種智能程序?qū)Ω兄獙硬杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理、科學(xué)計算、二次濾波處理和分類訓(xùn)練挖掘，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實世界測控對象的進(jìn)行動態(tài)管理、實時控制和科學(xué)決策等功能。

工程機(jī)械控制應(yīng)用層運行時實時接收中間層通信傳輸層發(fā)送過來的感知層各個傳感器數(shù)據(jù)，為了提高測控與故障診斷的可靠性與有效性，必須保證感知數(shù)據(jù)正確無誤。應(yīng)用層收到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)歷校驗、解包、反加密轉(zhuǎn)換的步驟得到最終的工程量。應(yīng)用層核心控制器得到這些工程數(shù)據(jù)后，然后通過專家系統(tǒng)中知識庫與推理機(jī)進(jìn)行人工智能故障診斷，如果發(fā)現(xiàn)某個狀態(tài)參量異常，立刻驅(qū)動工程機(jī)械進(jìn)行停機(jī)安全處理。由于專家系統(tǒng)的知識庫中的知識是領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗輸入形成，或者是專家系統(tǒng)自學(xué)習(xí)完善構(gòu)成，當(dāng)專家系統(tǒng)知識庫不能診斷是否發(fā)生故障時，工程機(jī)械操作人員可以通過操作臺、手機(jī)、平板等終端APP程序?qū)崟r查看工程機(jī)械的運行狀態(tài)，操作人員可以人工對工程機(jī)械的運行進(jìn)行故障判斷與合理操控，以最大程度保證工程機(jī)械的安全運行。

2? 工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)測控特點與生產(chǎn)運行安全要求，設(shè)計出如圖2所示的工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)。它一個計算機(jī)智能控制程序，位于物聯(lián)網(wǎng)控制應(yīng)用層中，是系統(tǒng)應(yīng)用層最為核心的組成單元。

該專家系統(tǒng)由六個部分組成，其包含：工程機(jī)械故障診斷專家終端人機(jī)界面、工程機(jī)械故障診斷解釋機(jī)構(gòu)、知識輸入輸出機(jī)構(gòu)、故障診斷知識庫、工程機(jī)械故障診斷推理機(jī)構(gòu)、診斷評價與自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)。各個部分描述如下：

①工程機(jī)械故障診斷專家終端人機(jī)界面：為工程機(jī)械智能終端系統(tǒng)顯示各種狀態(tài)信息，包括機(jī)械設(shè)備的開關(guān)量、電流、電壓、疲勞數(shù)據(jù)等，它實時反應(yīng)工程機(jī)械的健康狀態(tài)，同時它也是工程機(jī)械的操作員與專家系統(tǒng)的人機(jī)交互操作接口。

②工程機(jī)械故障診斷解釋機(jī)構(gòu)：本機(jī)構(gòu)對工程機(jī)械產(chǎn)生的發(fā)生的故障進(jìn)行合理的解釋，并輸出自動或者由用戶處置的解決方案信息。解釋機(jī)構(gòu)主要是面向操作人員，給操作人員展現(xiàn)故障診斷的過程路線，以文字、流程圖或者表格的形式將故障推理診斷結(jié)論給用戶必要的、透明的、清晰的解釋。

③知識輸入輸出機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)實現(xiàn)將工程機(jī)械領(lǐng)域?qū)＜夜收显\斷經(jīng)驗知識以規(guī)范化的形式存入知識庫中，也可以是工程機(jī)械操作員現(xiàn)場實踐總結(jié)得到參數(shù)知識。領(lǐng)域?qū)＜遗c操作員的知識通過人機(jī)界面輸入到本系統(tǒng)后，經(jīng)由本機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化的處理，最終需要符合知識庫的邏輯規(guī)則要求，另外也可以將知識庫的知識通過本機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)換成文字送到人機(jī)界面進(jìn)行顯示查看。

④故障診斷知識庫：為本故障診斷專家系統(tǒng)的核心，它大部分采用IF-ELSE產(chǎn)生式規(guī)則表示，其存放了工程機(jī)械設(shè)備正常運行的電流、電壓、疲勞度等狀態(tài)合理的區(qū)間閾值。知識庫可以通過領(lǐng)域?qū)＜逸斎?，也可以通過后期運行自學(xué)習(xí)優(yōu)化自動增加。工程機(jī)械故障診斷知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的推理速度與診斷質(zhì)量水平。

⑤工程機(jī)械故障診斷推理機(jī)構(gòu)：其功能是根據(jù)當(dāng)前工程機(jī)械的感知采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，通過某種智能算法，快速檢索知識庫，判斷是否發(fā)生故障。如果發(fā)生故障，需要進(jìn)一步的查找原因并論證，然后進(jìn)行合理的故障處理與設(shè)備動作，必要時使得工程機(jī)械安全停機(jī)。

⑥診斷評價與自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)：工程機(jī)械專家系統(tǒng)在運行過程中，隨著設(shè)備使用環(huán)境的變化、以及設(shè)備運行時間的長短，知識庫中的工程機(jī)械運行參數(shù)可能不一定完全適用，需要本機(jī)構(gòu)進(jìn)行周期性的動態(tài)評價其好壞，剔除不合適的知識，同時可以學(xué)習(xí)新環(huán)境的正常運行參數(shù)知識存入到知識庫中。

3? 結(jié)束語

本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的人工智能專家系統(tǒng)技術(shù)探究并設(shè)計工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)，它采用層次化的結(jié)構(gòu)，將工程機(jī)械故障診斷推理復(fù)雜的問題簡單化，可以發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能專家系統(tǒng)技術(shù)各自的長處與優(yōu)點，系統(tǒng)具有較為快速、精確、安全、穩(wěn)定的特點，具有較好的發(fā)展應(yīng)用前景。

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