基于云平臺的鍛壓機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究

趙文兵，張春雨，夏怡

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽滁州 233100)

0 前言

在裝備制造業(yè)中，鍛壓制造是目前全世界應(yīng)用最為廣泛的制造方法之一。它具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高和可改善制件內(nèi)部組織及力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，因此對于力學(xué)性能要求高、受力大的機(jī)械零件，大都采用鍛壓制造工藝。飛機(jī)上鍛壓件的質(zhì)量占80%，坦克上鍛壓件質(zhì)量占70%，汽車上鍛壓件質(zhì)量占60%，電力工業(yè)中的發(fā)電機(jī)主軸、葉輪、護(hù)環(huán)等也都是通過鍛壓而成[1]。

鍛造液壓機(jī)是大型工件鍛壓制造工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，正逐漸向大型化、高速化發(fā)展。隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜以及制造成本的提升，對設(shè)備的可靠性運(yùn)行以及壽命的延遲提出了更高的要求。狀態(tài)檢測及故障診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用不僅能滿足設(shè)備使用商的設(shè)備可靠、長壽命運(yùn)行等要求，同時(shí)也有助于設(shè)備制造商向服務(wù)提供商的轉(zhuǎn)型需求的實(shí)現(xiàn)。

鍛壓液壓機(jī)狀態(tài)檢測與故障檢測系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段[2-7]。最初是基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的單機(jī)系統(tǒng)，麻軍德和章萌[8]提出一種典型的單機(jī)解決方案,通過工業(yè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集板塊采集液壓系統(tǒng)的相關(guān)傳感器信號并輸入到LabVIEW軟件中，通過LabVIEW軟件進(jìn)行界面的監(jiān)控和評價(jià)，用MATLAB軟件進(jìn)行故障診斷算法的編寫，最后融入到LabVIEW界面中。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化。伍星等人[9]提出了一種基于WEB的系統(tǒng)架構(gòu)方案，系統(tǒng)采用B/S模式，可以監(jiān)控若干個設(shè)備的運(yùn)行。該方案主要著眼于滿足設(shè)備使用商的監(jiān)控需求，忽略了生產(chǎn)商的需求。同時(shí)在監(jiān)控設(shè)備的數(shù)量上有限制。物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)的發(fā)展為系統(tǒng)的架構(gòu)提供了第3種選擇——基于云平臺的系統(tǒng)。本文作者主要研究基于云平臺的狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)方案，提出基于NETWORX和DJANGO雙軟件架構(gòu)的策略，解決監(jiān)控評價(jià)和故障診斷網(wǎng)絡(luò)融合的問題，具有監(jiān)控多臺設(shè)備的能力。同時(shí)滿足設(shè)備使用商的可靠性及長壽命以及設(shè)備生產(chǎn)商技術(shù)服務(wù)平臺的要求。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 基于云平臺的數(shù)據(jù)驅(qū)動模式

云計(jì)算平臺也稱為云平臺，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力。云計(jì)算是把用戶提交的任務(wù)分配到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集群所構(gòu)成的資源池上，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要來提供相應(yīng)的計(jì)算能力、存儲空間或者各類軟件服務(wù)。云平臺的應(yīng)用可以突破企業(yè)信息數(shù)據(jù)存儲硬件的瓶頸，降低信息管理的成本，使基于大數(shù)據(jù)的功能系統(tǒng)應(yīng)用成為可能?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷模式指利用設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及各種開發(fā)、實(shí)驗(yàn)、測試中的歷史數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法建立模型進(jìn)行故障診斷的模式。與傳統(tǒng)的精確機(jī)制模型比較，數(shù)據(jù)驅(qū)動模式需要大量的、精度要求較低的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、篩選等預(yù)處理，云平臺的使用能夠很好地滿足這些需求。圖1所示為基于云平臺的數(shù)據(jù)驅(qū)動鍛壓機(jī)床狀態(tài)檢測預(yù)故障診斷系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)從現(xiàn)場鍛壓機(jī)床中采集數(shù)據(jù)上傳到云平臺中，云平臺完成數(shù)據(jù)管理、算法管理等主要任務(wù)。手機(jī)、計(jì)算機(jī)通過APP或者瀏覽器方式向云平臺提出應(yīng)用需求，包括參數(shù)的監(jiān)控、故障的診斷、狀態(tài)的評價(jià)等。

圖1 基于云平臺的鍛壓機(jī)床數(shù)據(jù)驅(qū)動監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

1.2 硬件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示?，F(xiàn)場層主要包括傳感器和控制器PLC。傳感器中溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器主要用于檢測液壓系統(tǒng)中的溫度、流量、液壓、油箱液位等狀態(tài)參數(shù)；加速度傳感器和位置傳感器用來檢測機(jī)械狀態(tài)參數(shù)，前者檢測振動參數(shù)，后者檢測位移參數(shù)；電流和電壓傳感器用來檢測電氣狀態(tài)參數(shù)，各現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)由PLC統(tǒng)一收集。PLC通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到交換機(jī)，交換機(jī)再連接到路由器。路由器通過光纖或者4G無線網(wǎng)的形式接入到Internet網(wǎng)。云服務(wù)器接收到本地?cái)?shù)據(jù)后進(jìn)行相關(guān)的處理并提供應(yīng)用服務(wù)，使用者可以通過臺式計(jì)算機(jī)、便捷式計(jì)算機(jī)、Tablet PC、手機(jī)等設(shè)備申請或獲取應(yīng)用服務(wù)[10～12]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的系統(tǒng)組成如圖3所示。整體系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、云平臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及客戶端三部分組成。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件保存在現(xiàn)場控制器PLC中，由數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理子程序、現(xiàn)場控制子程序、數(shù)據(jù)通信子程序組成。數(shù)據(jù)采集預(yù)處理子程序采集現(xiàn)場的加速度、位置等機(jī)械信號；壓力、流量、溫度等液壓信號；電流、電流等電信號。同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)保存到PLC存儲器中?，F(xiàn)場控制子程序依據(jù)現(xiàn)場的控制要求及采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行及安全控制。數(shù)據(jù)通信程序把采得到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的通信方式進(jìn)行打包，并遵循TCP/IP通信協(xié)議把數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

云平臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序兩部分。數(shù)據(jù)庫用來保存重要的數(shù)據(jù)，主要包括四類表，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表。評價(jià)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表、故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表、用戶管理表。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表用來保存設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，評價(jià)經(jīng)驗(yàn)表用來保存根據(jù)狀態(tài)參數(shù)對設(shè)備重要部件的運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故障經(jīng)驗(yàn)表用來保存根據(jù)狀態(tài)參數(shù)對設(shè)備故障進(jìn)行判斷的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用戶管理表主要用來保存用戶的注冊信息。

應(yīng)用程序包括三部分，狀態(tài)監(jiān)測與評價(jià)應(yīng)用、故障診斷應(yīng)用及運(yùn)行管理。運(yùn)行管理主要用于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的用戶和安全管理。狀態(tài)檢測與評價(jià)提供設(shè)備實(shí)時(shí)及歷史參數(shù)的查詢，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的各類統(tǒng)計(jì)分析功能，并對各主要零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)應(yīng)用服務(wù)。故障診斷應(yīng)用提供依據(jù)故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表進(jìn)行故障診斷的應(yīng)用服務(wù)，并提供故障的原因咨詢及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表的擴(kuò)展功能[13-16]。

客戶端應(yīng)用系統(tǒng)可以應(yīng)用于手機(jī)、Tablet PC和臺式計(jì)算機(jī)等，應(yīng)用方式主要有APP和網(wǎng)頁瀏覽兩種。其中，APP應(yīng)用于手機(jī)，需要下載和安裝；網(wǎng)頁瀏覽只需要安裝通用網(wǎng)頁瀏覽器軟件。客戶端應(yīng)用系統(tǒng)包括狀態(tài)檢測和故障診斷，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和主要部件進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)對設(shè)備的故障原因進(jìn)行診斷。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施

在實(shí)驗(yàn)室中以某YL-32G-200四柱液壓機(jī)為對象進(jìn)行狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)的實(shí)施。實(shí)施包括典型故障、狀態(tài)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)集合的確定，硬件的選項(xiàng)與組建，軟件的編寫與調(diào)試等工作。

2.1 液壓機(jī)系統(tǒng)參數(shù)集的確定

四柱液壓機(jī)如圖4所示，分機(jī)械、液壓、電氣3個部分。

圖4 四柱液壓機(jī)

機(jī)械故障主要為滑動件的磨損及受力緊固件和支撐件的斷裂。系統(tǒng)中易發(fā)生機(jī)械故障的零部件是立柱、滑塊、緊固螺栓。液壓系統(tǒng)中發(fā)生的主要故障是液壓油的泄漏、污染以及機(jī)械動作部件的磨損，液壓系統(tǒng)中易發(fā)生故障的是壓力泵、油缸以及液壓油。電氣系統(tǒng)中易發(fā)生的故障是動作元件的老化及接線線路的松動，易發(fā)生故障的元件有行程開關(guān)、電機(jī)等。

根據(jù)常規(guī)故障的歷史經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出四柱液壓機(jī)的易故障件、典型故障、故障現(xiàn)象及故障性質(zhì)，如表1所示。

表1 四柱液壓機(jī)故障經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)故障經(jīng)驗(yàn)表，確定所選擇的狀態(tài)參數(shù)表征系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 狀態(tài)參數(shù)

2.2 硬件的選型

2.2.1 信號采集系統(tǒng)的選型與布置

采用西門子S7-1200控制器為核心，CPU選擇1214C(DC/DC/DC)(自帶兩個模擬量輸入)、模擬量擴(kuò)展模塊SM1231 AI 8*13(8個模擬量輸入點(diǎn))，共布置9個模擬量輸入傳感器，具體的布置如圖5所示。在液壓系統(tǒng)中布置了8個傳感器，油箱處布置了液壓傳感器用來檢測油箱的液位，在過濾器兩邊布置了壓差傳感器用來間接檢測油的清潔度，液壓泵的出口布置了壓力和流量傳感器，在液壓缸的一端布置了壓力傳感器，在氣缸的活塞桿同步安裝了位移傳感器，在電動機(jī)的電流輸入端布置了電流傳感器和電壓傳感器。在液壓機(jī)工作臺上布置了振動傳感器。

圖5 信息傳感器布置示意

采集系統(tǒng)的傳感器型號和技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 傳感器參數(shù)

2.2.2 云平臺

云平臺選用華為云服務(wù)器，配置為4核CPU(intel Cascade Lake 2.6 GHz)，8 GB內(nèi)存。公網(wǎng)固定地址，網(wǎng)速為5 MB/s。軟件操作系統(tǒng)為Windows Server 2008 R2 Datacenter 64bit，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008,同時(shí)安裝物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件Thingnetworx foundation 3.2和DJANGO軟件。

2.3 關(guān)鍵軟件的編程

2.3.1 現(xiàn)場控制系統(tǒng)程序

現(xiàn)場的控制器采用西門子S7-1200，具體程序包括數(shù)據(jù)采集、控制和通信三部分?？刂撇糠职凑斟憠簷C(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求完成相關(guān)的控制。數(shù)據(jù)采集主要通過模擬量通道采集液壓泵輸出壓力、液壓泵輸出流量、油箱液位高度、液壓油雜質(zhì)含量、液壓缸輸出壓力、機(jī)床振動、滑塊行程、電機(jī)相電壓、電機(jī)相電流等9個模擬量參數(shù)。通信采用Modbus-TCP的方式，在PLC中使用MB_client指令進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，如圖6所示。

圖6 通信控制梯形

2.3.2 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與云平臺數(shù)據(jù)庫的通信程序。用VC軟件開發(fā)，采用服務(wù)器-客戶端形式，使用Modbus-TCP通信應(yīng)用協(xié)議。通過網(wǎng)關(guān)設(shè)定通信IP地址，固定周期地把數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，云平臺服務(wù)器程序偵聽到程序后，按照宏電聯(lián)公開的通信格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)在寫入數(shù)據(jù)庫之前進(jìn)行預(yù)處理，各數(shù)值取一個工作周期內(nèi)的平均值。

2.3.3 云平臺數(shù)據(jù)庫

云平臺上布置有鍛壓機(jī)床的用戶管理數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫和故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。用戶管理數(shù)據(jù)庫記錄著用戶的基本信息。運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫保存有接入平臺的鍛壓機(jī)床實(shí)時(shí)采集參數(shù)，供狀態(tài)預(yù)測智能程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫保存有以往發(fā)生的所有正確判斷的故障經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)智能診斷程序每一次判斷正確的故障經(jīng)驗(yàn)都會被寫入，故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫供智能診斷程序分析和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)。狀態(tài)預(yù)測智能程序和故障診斷故障智能程序有自學(xué)習(xí)功能，可以通過對參數(shù)數(shù)據(jù)庫和故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分析和學(xué)習(xí)不斷提高自己的能力。系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫。

2.3.4 智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件

智能監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖7所示，主要包括系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷兩部分。

圖7 智能監(jiān)控系統(tǒng)首頁

智能監(jiān)控部分采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)比較成熟的架構(gòu)，即PTC公司的NETWORX架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。NETWORX架構(gòu)可以方便地與各種物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，也可以方便地與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其監(jiān)控界面如圖8所示。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鍛壓機(jī)的8個數(shù)據(jù)及其歷史數(shù)據(jù)。

圖8 監(jiān)控界面

故障評估和診斷系統(tǒng)采用Python的DJANGO架構(gòu)，分兩個部分評估和故障診斷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，將它們分成4個評價(jià)層次：優(yōu)秀、良好、及格和故障及液壓系統(tǒng)液壓油泄漏、液壓系統(tǒng)密封件失效、機(jī)械連接松動、機(jī)械滑動件阻礙、電氣斷路故障、電氣欠壓故障等6個故障類型。軟件提供了集成故障樹算法、SVM算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等3種算法，其診斷界面如圖9所示。

圖9 故障診斷界面

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)需要設(shè)置液壓泵磨損、液壓油泄漏、氣缸行程變短、固定螺栓松動等4個漸變故障的輕微、中等、嚴(yán)重3個程度，以液壓泵輸出壓力、液壓泵輸出流量、油箱液位高度、液壓油雜質(zhì)含量、液壓缸輸出壓力、機(jī)床振動、滑塊行程、電機(jī)相電壓、電機(jī)相電流等9個參數(shù)為特征參數(shù)。通過云平臺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，故障狀態(tài)采集時(shí)間是在設(shè)備運(yùn)行周期的下壓動作時(shí)刻，每個故障采集8個數(shù)據(jù)，累計(jì)共采集96組數(shù)據(jù)。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到系統(tǒng)特征參數(shù)的采集精度在1%范圍內(nèi)，控制及顯示監(jiān)控功能都符合設(shè)計(jì)要求。利用經(jīng)驗(yàn)故障數(shù)據(jù)，對分類回歸故障樹(Classification and Regression Tree,CART)、SVM、MLP三種常見的智能故障算法進(jìn)行比較。結(jié)果表明：CART算法、SVM算法、MLP算法的故障診斷正確率分別為91.3%、73.2%、86.2%。

4 結(jié)論

為了解決基于云平臺的鍛壓機(jī)監(jiān)控評價(jià)和故障診斷網(wǎng)絡(luò)融合的問題及實(shí)現(xiàn)監(jiān)控多臺設(shè)備的目的，本文作者提出基于NETWORX和DJANGO雙軟件架構(gòu)的策略。以PLC為核心組成現(xiàn)場控制系統(tǒng)；用NETWORX架構(gòu)實(shí)現(xiàn)云平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，采用Python的DJANGO設(shè)計(jì)狀態(tài)檢測和故障診斷程序。結(jié)果表明：所提系統(tǒng)特征參數(shù)的采集精度在1%范圍內(nèi)，控制及顯示監(jiān)控功能都符合設(shè)計(jì)要求。