硫化機(jī)液壓故障診斷與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 裕

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

在大型化工生產(chǎn)中，硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的承載較大，且工作條件復(fù)雜多變，長(zhǎng)期工作后發(fā)生油液泄漏、機(jī)械損傷、控制精度下降、油路故障等安全問(wèn)題的概率較高[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于液壓系統(tǒng)的性能管控側(cè)重于承載與控制元件的加工精度、性能測(cè)試和運(yùn)行調(diào)試等方面，以及功能管理和故障預(yù)測(cè)等功能的研發(fā)投入相對(duì)較少[2]，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性存在一定的不足[3]。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，為大型液壓工程的信息化管理提供了有利條件。通過(guò)對(duì)硫化機(jī)液壓系統(tǒng)不同工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠有效降低研發(fā)周期和維護(hù)成本。傳統(tǒng)的液壓診斷主要通過(guò)人工局部檢測(cè)發(fā)現(xiàn)故障源，該方法僅適用于簡(jiǎn)單液壓故障或機(jī)械損傷的判定，并且對(duì)工作人員的經(jīng)驗(yàn)水平有著較高要求。基于完備的液壓故障診斷與管理系統(tǒng)，能夠?qū)Χ鄶?shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模的分析和判定，實(shí)現(xiàn)高效的故障點(diǎn)定位和診斷[4]。在硫化機(jī)液壓故障診斷與管理系統(tǒng)的支持下，工作人員能夠直接針對(duì)硫化機(jī)工作參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析與評(píng)定，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)的算法程序，直接輸出故障的類型和位置，有效提高硫化機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確率和效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能與技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文研究的硫化機(jī)液壓系統(tǒng)組成如圖1 所示，包括動(dòng)力單元、控制單元和液壓泵站。為此，設(shè)計(jì)故障診斷與管理系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)監(jiān)測(cè)與采集對(duì)象包括：各液壓油箱的溫度、回路油壓、液壓缸各腔壓力、輸入/輸出流量等。根據(jù)傳感器特點(diǎn)，可將信號(hào)類型分為20 通道的電流信號(hào)和10 通道的電壓信號(hào)。為確保系統(tǒng)精度，要求電流和電壓信號(hào)的采樣精度不低于12 bit。壓力參數(shù)的檢測(cè)誤差不超過(guò)3%，流量參數(shù)的檢測(cè)誤差不超過(guò)2%。

圖1 硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的組成

由于硫化機(jī)液壓系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械故障主要基于振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行診斷，因此設(shè)置加速度傳感信號(hào)進(jìn)行分段采樣，其中靜態(tài)低頻采樣頻率設(shè)置為20 kHz，動(dòng)態(tài)高頻采樣頻率設(shè)置為100 kHz，滿足不同頻段的激勵(lì)測(cè)試范圍。對(duì)于噪聲信號(hào)的檢測(cè)，設(shè)置采樣頻率為1.5 kHz。在信號(hào)的無(wú)線傳輸方面，建立局域網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)，搭建現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)工作臺(tái)站30 個(gè)，確保在不低于100 Mbps 傳輸速率的前提下穩(wěn)定覆蓋3 km 以上，且具有良好的抗干擾能力。對(duì)于故障信號(hào)的后處理，故障診斷與管理系統(tǒng)能夠針對(duì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行多功能統(tǒng)計(jì)與輸出，包括瞬態(tài)時(shí)域特性、頻率特性、相頻功率譜、相位差頻譜、相干函數(shù)等。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

隨著系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)的推進(jìn)，被測(cè)數(shù)據(jù)的類型和容量將明顯增多。針對(duì)硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和工作環(huán)境，設(shè)計(jì)故障診斷與管理系統(tǒng)的功能框架如圖2 所示，包括信號(hào)調(diào)理[5]、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)監(jiān)測(cè)等，可通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

圖2 故障診斷與管理系統(tǒng)的功能框架

在硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷與管理系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理模塊是實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)和傳輸?shù)年P(guān)鍵功能模塊，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)并接收毫安（mA）和毫伏（mV）精度級(jí)別的參數(shù)。傳感器的電信號(hào)，將在隔離電路中傳輸至接收端，避免相近信號(hào)之間的干擾[6]，降低電氣設(shè)備因電位差引起的誤差問(wèn)題。在控制模塊中，壓力、溫度、流量、流速、振動(dòng)等信號(hào)對(duì)應(yīng)不同的端口，結(jié)合回路隔離功能的保護(hù)，各個(gè)儀表的數(shù)顯均能確?？煽啃浴？刂颇K的核心元件為工控機(jī)，其具備EMC 功能，可有效地解決灰塵、溫變、電磁干擾等問(wèn)題?？刂颇K與數(shù)據(jù)采集模塊之間采用電磁隔離方案[7]，相比光耦隔離方式，該隔離方式能夠明顯降低溫漂誤差，提升響應(yīng)線性度。在供電方面，在隔離電路中設(shè)置獨(dú)立電源，避免電路載荷過(guò)大導(dǎo)致精度降低。

1.3 故障診斷流程設(shè)計(jì)

故障診斷要求具備實(shí)時(shí)、在線、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化特征，其數(shù)據(jù)源主要為瞬態(tài)被測(cè)信號(hào)。以硫化機(jī)液壓系統(tǒng)中液壓缸的異常壓力信號(hào)為例，利用故障診斷與管理系統(tǒng)能夠得出液壓缸的雙腔壓力隨時(shí)間變化規(guī)律（圖3），可結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的代碼源對(duì)故障字典進(jìn)行搜索和連接，顯示出引發(fā)該類型故障的原因集，結(jié)合故障呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象，由工作人員確立具體的故障方位和形式，同時(shí)系統(tǒng)給出有效的解決方案。

圖3 液壓缸的瞬態(tài)雙腔壓力變化

根據(jù)硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的故障源特點(diǎn)，設(shè)計(jì)故障診斷流程（圖4）。知識(shí)庫(kù)的更新和自主獲取是提升診斷效果的關(guān)鍵，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建和升級(jí)、知識(shí)庫(kù)的自檢查、參數(shù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理、自診斷系統(tǒng)反饋、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的查詢和后處理等。數(shù)據(jù)的安全性是衡量服務(wù)器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此，需要設(shè)定有效的權(quán)限級(jí)別，便于不同工作人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、記錄和修正。在權(quán)限范圍之內(nèi)的功能應(yīng)具備兼容性，從而避免了多重軟件的安裝，功能程序由權(quán)限自動(dòng)分配。在故障診斷處理方面，系統(tǒng)主要通過(guò)程序內(nèi)的虛擬設(shè)備與數(shù)據(jù)參數(shù)之間的函數(shù)建立映射關(guān)系，從而計(jì)算得出故障因子[8]。在整個(gè)管理流程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，推理模塊是數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵，其具備自擴(kuò)充能力，能夠在基本數(shù)據(jù)程序的范疇內(nèi)與主機(jī)之間實(shí)時(shí)交互，不斷更新數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的高效管理。

圖4 系統(tǒng)故障診斷流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 交互管理模塊

硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷與管理系統(tǒng)應(yīng)具備良好的人機(jī)交互性能，為此，本文提出一種專家管理方式，即基于模糊推理將工程案例以知識(shí)鏈接庫(kù)的形式導(dǎo)入上位機(jī)，以交互算法進(jìn)行專項(xiàng)數(shù)據(jù)程序的演練，并對(duì)故障或異常信號(hào)做出準(zhǔn)確判斷，與技術(shù)人員的操作流程一致。導(dǎo)入的數(shù)據(jù)信息具有分層屬性，能夠針對(duì)交互指令進(jìn)行響應(yīng)并進(jìn)行演化和推理[9]。知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)包含多重功能程序和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，在標(biāo)準(zhǔn)化的解釋機(jī)制和推理機(jī)制作用下，不同硬件之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的協(xié)作和兼容效果。在該系統(tǒng)中，交互管理模塊的功能具有框架特性，數(shù)據(jù)代碼的解析是故障問(wèn)題表征、功能指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ魅蝿?wù)的關(guān)鍵。因此，系統(tǒng)設(shè)定單獨(dú)的規(guī)則信息集，映射要求基于液壓系統(tǒng)的外部承載特點(diǎn)進(jìn)行分類，不同功能模塊具有對(duì)象隱藏屬性，從而排除一些不可能事件。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析模塊

數(shù)據(jù)采集與分析模塊能夠?yàn)楣收显\斷模塊提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，因此需要確保功能的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)與分析模塊的工作原理如圖5 所示，主要包括溫度、壓力、流量等信號(hào)的采集和對(duì)應(yīng)的各類特征分析。其中，通道、采樣頻率等參數(shù)的調(diào)節(jié)需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇，從而避免部分參數(shù)的量程漂移問(wèn)題。

圖5 數(shù)據(jù)采集與分析模塊工作原理

在數(shù)據(jù)分析方面，為確保故障診斷的充分性，設(shè)置以下類型的參數(shù)動(dòng)態(tài)特性為固有分析內(nèi)容，包括時(shí)域特性分析、頻譜轉(zhuǎn)換、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、失真校對(duì)和功率譜分析等。以硫化機(jī)液壓系統(tǒng)內(nèi)溫度參數(shù)的信號(hào)采集與分析為例，通過(guò)軟件內(nèi)集成的算法，可得出瞬態(tài)溫度的18 種后處理參數(shù)，包括極值、時(shí)變最小周期、信噪比、均方根等。根據(jù)硬件功能可知，硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的工作參數(shù)能夠極短時(shí)間獲取并完成傳輸，數(shù)據(jù)容量較大，使得分析效率明顯低于采集效率。為提升數(shù)據(jù)分析能力，同步信號(hào)的采集與分析速度，在數(shù)據(jù)分析之前增加雙while 循環(huán)，通過(guò)列隊(duì)緩沖方式快速地進(jìn)入分流狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的次序性，避免數(shù)據(jù)處理過(guò)程中發(fā)生沖突，增強(qiáng)復(fù)合信號(hào)的有效性。

液壓缸作為硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵承載部件，發(fā)生故障的概率較高，因此被測(cè)參數(shù)較為集中。在長(zhǎng)時(shí)間的工作運(yùn)行中，液壓故障診斷與管理系統(tǒng)內(nèi)將積累大量的歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于傳感器采用分布式布局，短時(shí)間內(nèi)將生成大量的外圍信息，導(dǎo)致傳輸速率無(wú)法同步，甚至影響存儲(chǔ)通道的讀寫速度[10]。為此，在數(shù)據(jù)采集與分析模塊中，分別設(shè)置列數(shù)據(jù)和行數(shù)據(jù)參數(shù)，并基于數(shù)值轉(zhuǎn)換模型將一維數(shù)組變換為字符串矩陣，有效改善存儲(chǔ)和讀寫效率。

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理模塊

目前，基于網(wǎng)絡(luò)管理的服務(wù)框架主要有C/S 與B/S 兩種。針對(duì)硫化機(jī)以及整個(gè)化工生產(chǎn)線的工作特點(diǎn)，本文根據(jù)實(shí)際需要選擇了C/S 模式，在上位機(jī)配制匹配的軟件程序，能夠更為快速地完成傳輸數(shù)據(jù)的處理，延遲非常低。針對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊中各路傳感器的硬件布局特點(diǎn)，設(shè)計(jì)故障診斷與管理系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)管理方案（圖6），不同類型的數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)不同編號(hào)的數(shù)據(jù)庫(kù)，同步存儲(chǔ)在云端的中心服務(wù)器。當(dāng)管理人員需要查看或查詢相關(guān)參數(shù)信息時(shí)，可在程序段設(shè)置查詢條件，滿足時(shí)間段的關(guān)鍵詞請(qǐng)求，并可實(shí)現(xiàn)中心服務(wù)器的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)端執(zhí)行相關(guān)數(shù)據(jù)的刪減操作時(shí)，需要中心服務(wù)器返回時(shí)間結(jié)果，在反饋數(shù)據(jù)支持下完成數(shù)據(jù)顯示和轉(zhuǎn)換處理。為進(jìn)一步改善人機(jī)交互效果，設(shè)置3 種網(wǎng)絡(luò)查詢模式：內(nèi)嵌模式、快照模式和數(shù)據(jù)模式。其中，內(nèi)嵌模式可用于軟件或?yàn)g覽器的遠(yuǎn)程查看；快照模式則是靜態(tài)圖形，無(wú)法編輯或修改，但便于查看和打?。粩?shù)據(jù)模式能夠調(diào)取詳細(xì)的后臺(tái)數(shù)據(jù)，顯示特性響應(yīng)曲線。

圖6 網(wǎng)絡(luò)管理方案

3 結(jié)論

硫化機(jī)是化工生產(chǎn)和制造環(huán)節(jié)不可或缺的設(shè)備。硫化機(jī)液壓系統(tǒng)的維護(hù)和維修成本較高，而且采用傳統(tǒng)的管理手段難以在短時(shí)間定位故障點(diǎn)。本文提出的一種故障診斷與管理系統(tǒng)，能夠有效地解決該問(wèn)題。通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集與分析模塊，實(shí)現(xiàn)高精度參數(shù)的檢測(cè)、傳輸、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，結(jié)合電磁隔離方案，有效地降低干擾因素的影響，提升數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在軟件控制方面，基于LabVIEW 開發(fā)信號(hào)監(jiān)測(cè)流程圖，通過(guò)集成的算法得出不同類型的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方式，為故障診斷提供關(guān)鍵的依據(jù)。此外，由于被測(cè)參數(shù)和數(shù)據(jù)容量較大，網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)選用C/S 模式，能夠獲得更高的數(shù)據(jù)處理效率，實(shí)現(xiàn)更好的同步性。