儀器儀表加速失效激發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

國(guó)機(jī)傳感科技有限公司 何 方 張 娜 袁 峰 王松亭 常 偉 韓 策 張 凱 金東義

本文針對(duì)在儀器儀表智能運(yùn)維平臺(tái)運(yùn)維策略的制定過程中，需要大量?jī)x表性能下降或故障后的測(cè)量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，而目前市場(chǎng)上還沒有成熟的儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)的難題，研發(fā)了一款具有儀器儀表性能測(cè)試、加速失效激發(fā)、智能分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能于一體的儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)。

通過本系統(tǒng)，可以通過高溫、濕熱、振動(dòng)、過量程、過電壓等方式，加速激發(fā)儀器儀表失效，使之產(chǎn)生性能下降或故障，并將此狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，提供給運(yùn)維平臺(tái)作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，對(duì)提高儀器儀表智能運(yùn)維平臺(tái)的準(zhǔn)確性、可靠性具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)概述

隨著自動(dòng)化儀表技術(shù)水平的進(jìn)步和流程工業(yè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表可靠性要求的提高，特別是在航空航天、武器、艦船領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)PHM（Prognostic and Health Management）技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的拓展，國(guó)外的主要品牌的儀表供應(yīng)商相繼開發(fā)出包括特征識(shí)別、故障表征、預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的實(shí)時(shí)在線運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)。

目前國(guó)外主流儀表廠商正在把流程工業(yè)主要運(yùn)行參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓、功率、物位、位置、密度）等在線儀表全方位從故障維護(hù)、定期維護(hù)向預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)提升，這對(duì)流程工業(yè)保證長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。同時(shí)，研究異構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)快速接入技術(shù)，將狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)和維修決策多位合成一體，降低故障漏報(bào)率和誤報(bào)率，提高儀表性能衰減預(yù)測(cè)精度是十分必要的。

儀器儀表運(yùn)行特征智能識(shí)別、故障表征、預(yù)測(cè)性維護(hù)建模的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，只有積累了足夠多的數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)，才能提出切實(shí)可行的運(yùn)維策略，才能制定出科學(xué)的預(yù)測(cè)性維護(hù)方案。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)又包含兩方面的內(nèi)容，即現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的正常準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和儀表性能下降或故障后的測(cè)量數(shù)據(jù)，而儀表性能下降或故障后的測(cè)量數(shù)據(jù)難以獲得，但儀表性能下降或故障后的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、算法建模，以至于預(yù)測(cè)性維護(hù)方案的制定都是十分重要的，是必須創(chuàng)造的條件。

目前，市場(chǎng)上還沒有成熟的儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)，來滿足運(yùn)維平臺(tái)對(duì)儀表性能下降或故障后的測(cè)量數(shù)據(jù)積累的需要。因此，研發(fā)一款具有儀器儀表性能測(cè)試、加速失效激發(fā)、智能分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能于一體的儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

2 組成與功能

本文設(shè)計(jì)的儀器儀表加速失效激發(fā)系統(tǒng)主要包括：測(cè)控主機(jī)、數(shù)據(jù)采集及控制裝置、高低溫試驗(yàn)箱、振動(dòng)臺(tái)、壓力控制器、水箱、水泵、繼電器、氣管、電磁閥、各種變送器、變送器工裝卡具等部分。

儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)，共有3種失效激發(fā)環(huán)境，即：常溫失效激發(fā)環(huán)境、濕熱失效激發(fā)環(huán)境、振動(dòng)失效激發(fā)環(huán)境，如圖1所示為濕熱環(huán)境下儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)組成框圖。

圖1 濕熱環(huán)境下儀器儀表失效激發(fā)系統(tǒng)組成框圖

常溫失效激發(fā)是指將儀器儀表裝配在相應(yīng)的變送器卡具上，并置于常溫常濕的環(huán)境中，對(duì)壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表實(shí)施的加速失效激發(fā)試驗(yàn)；濕熱失效激發(fā)是指將儀器儀表裝配在相應(yīng)的變送器卡具上，并置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，通過改變儀器儀表所處環(huán)境的溫度及濕度，對(duì)壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表實(shí)施的加速失效激發(fā)試驗(yàn)；振動(dòng)失效激發(fā)是指將儀器儀表裝配在相應(yīng)的變送器卡具上，并置于振動(dòng)臺(tái)上，通過改變儀器儀表振動(dòng)的方向及振動(dòng)頻率，對(duì)壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表實(shí)施的加速失效激發(fā)試驗(yàn)。

3 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的儀器儀表加速失效激發(fā)系統(tǒng)，共包括壓力失效激發(fā)分系統(tǒng)、溫度失效激發(fā)分系統(tǒng)、流量失效激發(fā)分系統(tǒng)、液位失效激發(fā)分系統(tǒng)、料位失效激發(fā)分系統(tǒng)五個(gè)部分。

為了取得多臺(tái)變送器同時(shí)進(jìn)行失效激發(fā)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為了更好地對(duì)不同儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，本設(shè)計(jì)對(duì)同一種類的儀器儀表同時(shí)激發(fā)5臺(tái)。對(duì)于常溫失效激發(fā)試驗(yàn)和濕熱失效激發(fā)試驗(yàn)采用相同的工裝卡具，對(duì)于振動(dòng)失效激發(fā)試驗(yàn)采用單獨(dú)的工裝卡具。

測(cè)試人員可以隨時(shí)操作測(cè)控主機(jī)，生成任意時(shí)間段的測(cè)試情況的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為儀器儀表預(yù)測(cè)性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。測(cè)控主機(jī)連接打印機(jī)，通過對(duì)測(cè)控主機(jī)的操作可隨時(shí)打印任意時(shí)間段的測(cè)試數(shù)據(jù)或測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。為解決不同型號(hào)儀器儀表測(cè)試參數(shù)、測(cè)試流程等不完全相同的問題，測(cè)控主機(jī)可以對(duì)測(cè)試參數(shù)、測(cè)試流程進(jìn)行設(shè)置，提高系統(tǒng)的通用性和靈活性。測(cè)試人員通過操作測(cè)控主機(jī)，可以按照不同的時(shí)間段、儀表種類等多種方式，生成相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表，并將測(cè)試數(shù)據(jù)存盤，通過U盤或網(wǎng)絡(luò)的方式，將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出供數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析。為確保只有經(jīng)授權(quán)的測(cè)試人員才能操作測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)控主機(jī)設(shè)置啟動(dòng)登錄界面，需輸入正確的使用者姓名和密碼后方可進(jìn)入系統(tǒng)工作。

數(shù)據(jù)采集及控制裝置通過以太網(wǎng)通訊接口與測(cè)控主機(jī)相連，實(shí)時(shí)接受測(cè)控主機(jī)下達(dá)的測(cè)控指令，通過以太網(wǎng)通訊接口將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)上傳至測(cè)控主機(jī)；RS485通訊接口與壓力控制器相連，通過RS485通訊的方式控制壓力控制器輸出的氣體壓力；通過控制繼電器，進(jìn)而控制電磁閥的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)氣路的控制。

壓力、溫度、流量、液位、料位等變送器接入數(shù)據(jù)采集及控制裝置，數(shù)據(jù)采集及控制裝置通過模擬量輸入接口將壓力、溫度、流量、液位、料位等變送器的測(cè)量信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集及控制裝置中。

針對(duì)流量變送器的失效激發(fā)，數(shù)據(jù)采集及控制裝置控制繼電器，進(jìn)而控制水泵的啟動(dòng)與停止，并通過電磁閥將水注入流量變送器入口端，流量變送器出口端與水箱連接，水循環(huán)流回水箱。

通過控制壓力控制器輸出的壓力，以及可調(diào)節(jié)電源輸出的電壓，可以對(duì)變送器施加過量程、過電壓的實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)加速失效的激發(fā)。

測(cè)控主機(jī)可以與本地路由器相連接，通過有線的方式將測(cè)控主機(jī)接入以太網(wǎng)，也可以與無線通訊模組相連接，通過無線的方式將測(cè)控主機(jī)接入以太網(wǎng)；測(cè)控主機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)，以TCP/IP協(xié)議的方式傳送至遠(yuǎn)端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，測(cè)試人員通過瀏覽器或動(dòng)態(tài)顯示屏即可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢。網(wǎng)絡(luò)通訊及數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通訊及數(shù)據(jù)傳輸框圖

通過對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表加速失效激發(fā)的目的，獲得了性能下降狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，為運(yùn)維平臺(tái)準(zhǔn)確、可靠的分析的創(chuàng)造了有力的條件，對(duì)平臺(tái)算法建模具有十分重要的指導(dǎo)意義。