設(shè)備故障預(yù)診斷與維修信息化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊菊輝 范玉德 陸藺輝

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽(yáng) 621900)

化工行業(yè)作業(yè)活動(dòng)涉及各種火工品、混合炸藥及爆轟材料等的科學(xué)研究與規(guī)模化生產(chǎn)，這些生產(chǎn)作業(yè)都為危險(xiǎn)作業(yè)，因此，在科研生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)過(guò)程中，設(shè)備的性能狀態(tài)對(duì)作業(yè)人員生命和公共財(cái)產(chǎn)安全起著重要作用。如在炸藥切割過(guò)程中，控制系統(tǒng)突然失靈，起降溫作用的水不能及時(shí)送達(dá)切割面，將存在嚴(yán)重的安全隱患。

隨著化工行業(yè)科研生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各種科研試驗(yàn)精密設(shè)備和價(jià)格昂貴的規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)備的引入也越來(lái)越多。這些科研生產(chǎn)設(shè)備涉及的知識(shí)面廣，而且集成化程度高：不僅涉及自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、虛擬儀器及計(jì)算機(jī)技術(shù)等各種相關(guān)知識(shí)，更重要的是設(shè)備技術(shù)本身更新速度非常快，對(duì)于只有單一專業(yè)的技術(shù)人員而言，要想維修此類跨專業(yè)設(shè)備，其技術(shù)難度是不言而喻的。為此，探索出一條新的維修思路以降低此類設(shè)備的維修難度，提高設(shè)備的維修效率，保障設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)，為作業(yè)人員提供安全的作業(yè)環(huán)境是非常必要的。

1 設(shè)備維修的缺陷①

目前，化工行業(yè)設(shè)備維修主要采用事后維修與設(shè)備定期保養(yǎng)兩種方式，其缺陷主要有：一是設(shè)備維修與定期保養(yǎng)信息采用紙媒存儲(chǔ)，采用此種方式要想快速查出一臺(tái)設(shè)備的具體維修與保養(yǎng)情況將花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，資料累積增多，這種方式將變得越來(lái)越不現(xiàn)實(shí)；二是設(shè)備維修是知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)不斷累積的過(guò)程[1]，作業(yè)人員掌握的知識(shí)越全面，專業(yè)間知識(shí)跨度越大，經(jīng)驗(yàn)越豐富，其判斷故障點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)解決故障的時(shí)間將越短，采用紙媒存儲(chǔ)方式不能快速有效地將各種專業(yè)知識(shí)與團(tuán)隊(duì)間的維修經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)；三是不能快速準(zhǔn)確地判斷出設(shè)備硬件性能狀態(tài)。隨著時(shí)間推移，化工行業(yè)引進(jìn)的高新技術(shù)設(shè)備也逐步增多，維修難度將不斷加大，技術(shù)保障問(wèn)題也變得更加突出。針對(duì)以上情況，找到一條適合化工行業(yè)設(shè)備維修的新思路，以適應(yīng)化工行業(yè)的快速發(fā)展變得迫在眉睫。

2 創(chuàng)建系統(tǒng)的意義

在危險(xiǎn)作業(yè)活動(dòng)過(guò)程中，設(shè)備故障將潛藏嚴(yán)重的安全隱患。創(chuàng)建故障預(yù)診斷與維修系統(tǒng)，將設(shè)備故障診斷由事后處理變成事前診斷，使設(shè)備故障率降到最低，可最大限度地保障一線工作者的人身安全。對(duì)故障診斷與維修信息實(shí)行信息化管理，不僅可以有效提高故障診斷效率、降低維修費(fèi)用，更重要的是作業(yè)人員間能夠互相學(xué)習(xí)對(duì)方的工作經(jīng)驗(yàn)和思維方式，更好地為企業(yè)設(shè)備提供技術(shù)支持。而且維修性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要組成部分，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)所賦予的固有屬性，直接關(guān)系到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和維護(hù)費(fèi)用。在設(shè)計(jì)階段就考慮維修性對(duì)設(shè)備使用及維護(hù)等的影響，從維修性角度改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)并確定產(chǎn)品的總體布局，以提高產(chǎn)品的綜合性能。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備故障預(yù)診斷與維修信息化管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括兩部分：設(shè)備故障預(yù)診斷模塊和設(shè)備日常維修、保養(yǎng)信息化管理模塊。設(shè)備故障預(yù)診斷模塊的功能主要包括：設(shè)備運(yùn)行環(huán)境在線監(jiān)測(cè)、信息采集、數(shù)據(jù)分析、信息存儲(chǔ)及異常情況下的聲光報(bào)警等。設(shè)備日常維修、保養(yǎng)信息化管理模塊的功能主要包括：維修信息管理、保養(yǎng)信息管理、設(shè)備出廠原始資料信息管理、在線監(jiān)測(cè)信息管理、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、制定檢修計(jì)劃及實(shí)時(shí)在線發(fā)布維修和保養(yǎng)信息等。

圖1 設(shè)備故障預(yù)診斷與維修信息化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備故障預(yù)診斷模塊由32路完全相同的數(shù)據(jù)采集通道和16路繼電器輸入/輸出電路組成，數(shù)據(jù)采集通道由相應(yīng)的傳感器、傳感器供電電路、信號(hào)端子板、數(shù)據(jù)采集卡、繼電器卡、報(bào)警器、安全柵、工業(yè)PC機(jī)和非標(biāo)定制軟件組成。傳感器用于對(duì)環(huán)境信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；供電電路保證傳感器處于正常工作狀態(tài)并給傳感器提供工作電源；信號(hào)端子板用于信號(hào)傳輸與中轉(zhuǎn)；采集卡提供信號(hào)轉(zhuǎn)換，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；繼電器控制電路用于控制信號(hào)的聲光報(bào)警。設(shè)備維修信息化管理模塊主要為一套非標(biāo)定制的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。

4 系統(tǒng)硬件

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊電路如圖2所示。對(duì)數(shù)據(jù)輸入探頭要求探頭響應(yīng)頻率高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高，耐高溫，即要求傳感器的相關(guān)性能優(yōu)異。本套系統(tǒng)由于采集通道數(shù)量多，為防止通道與線路間的信號(hào)干擾和衰減[2]，系統(tǒng)對(duì)線路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如采用線性電源對(duì)安全柵和傳感器進(jìn)行供電，傳輸線纜采用屏蔽電纜，AD模擬量輸入連接采用雙端方式，即使用正、負(fù)兩個(gè)通路實(shí)現(xiàn)單個(gè)采集信號(hào)的輸入，可有效抑制共模干擾，提高數(shù)據(jù)采集精度。16路模擬輸入信號(hào)正端接到采集卡的AI0～AI15端，信號(hào)負(fù)端接到AI16～AI31端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與采集卡共用模擬地AGND。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電路和信號(hào)控制模塊電路

4.2 信號(hào)控制模塊

信號(hào)控制模塊電路如圖2所示。信號(hào)控制電路采用16路光電隔離輸入/輸出板，該輸入/輸出板具有16路開(kāi)關(guān)量隔離輸入和16路開(kāi)關(guān)量光電隔離輸出。系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)最高切換頻率為10kHz，隔離電壓為2 500Vrms(min)。DO0～DO15的輸出原理相同。單通道DO0的輸出原理圖和開(kāi)關(guān)量輸出接線設(shè)計(jì)圖分別如圖3、4所示。

圖3 DO0的輸出原理

圖4 開(kāi)關(guān)量輸出接線

DO0～DO15為16路開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，DGND為公共地，VDO0為輸出的公共外接電源。開(kāi)關(guān)量輸出5～12V，當(dāng)需要輸出5V時(shí)，VDO0外接5V的電源；當(dāng)需要輸出24V時(shí)，VDO0外接24V的電源；以此類推VDO0～VDO15輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)的高電平為VDO0。

信號(hào)控制模塊主要應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中如果程序檢測(cè)到設(shè)備運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)異常，如溫度偏高、濕度偏大或灰塵含量突然增大等，系統(tǒng)程序會(huì)自動(dòng)觸發(fā)信號(hào)控制模塊電路，并同步激活報(bào)警裝置，進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒作業(yè)人員設(shè)備運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)異常。作業(yè)人員可根據(jù)作業(yè)內(nèi)容的危險(xiǎn)程度決定停止設(shè)備檢修還是繼續(xù)作業(yè)。

5 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為設(shè)備故障預(yù)診斷程序設(shè)計(jì)和維修信息化管理程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)主要將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)端子板傳遞給采集卡，再通過(guò)采集卡的AD/DA轉(zhuǎn)換電路，直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[3]。其理論基礎(chǔ)為傳感器采集到的物理信號(hào)(如電流或電壓信號(hào))與傳感器量程間存在直接的線性關(guān)系并根據(jù)該線性關(guān)系可自動(dòng)創(chuàng)建通用數(shù)學(xué)模型，即：

y=[(y1-y2)/(x1-x2)]x+y1-[(y1-y2)/

(x1-x2)]x1

(1)

其中，y1、y2分別為傳感器量程的最小值和最大值；x1、x2分別為傳感器采集物理信號(hào)的最小值和最大值；y為傳感器在信號(hào)輸出為x時(shí)采集到的數(shù)據(jù)值，y的單位為傳感器自身標(biāo)識(shí)的量程單位；x為傳感器在某一時(shí)刻的信號(hào)輸出值，其單位為傳感器信號(hào)輸出單位(如一個(gè)壓力傳感器的量程范圍為0～1 000N，0.5～4.5V信號(hào)輸出，則此處y的單位為N，x的單位為V)。y和x之間的意義即表示在傳感器捕獲測(cè)量信號(hào)時(shí)，會(huì)同步輸出一個(gè)電壓信號(hào)，可通過(guò)該電流或電壓信號(hào)并根據(jù)通用數(shù)學(xué)模型自動(dòng)換算為所需的測(cè)量值。此處創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型可適用于所有線性變換傳感器。

硬件采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)37針數(shù)據(jù)總線直接傳送到上位機(jī)，該上傳數(shù)據(jù)和日常設(shè)備維修、保養(yǎng)及設(shè)備原始資料信息等統(tǒng)一由LabVIEW編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、信息查詢、數(shù)據(jù)定位及人機(jī)界面顯示等功能。

軟件主要包含3項(xiàng)技術(shù)，分別為L(zhǎng)abVIEW虛擬儀器技術(shù)、JKI過(guò)程控制技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)。LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)通話、數(shù)據(jù)采集、分析、自動(dòng)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、查詢及報(bào)表打印等功能，定義各種控件，顯示被測(cè)信號(hào)的波形，控制數(shù)據(jù)流動(dòng)方向，并對(duì)在線采集數(shù)據(jù)和錄入的設(shè)備原始資料、維修和保養(yǎng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)，并分析出設(shè)備正常運(yùn)行環(huán)境的范圍值，該范圍值作為將來(lái)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境是否異常的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)LabVIEW對(duì)設(shè)備維修、保養(yǎng)信息進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，以獲取設(shè)備零部件的使用狀況和易損情況，以及獲取最易出現(xiàn)故障的點(diǎn)和出現(xiàn)故障點(diǎn)的解決方法，以協(xié)助下次維修、保養(yǎng)。JKI過(guò)程控制技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)各子程序間的進(jìn)程調(diào)用。Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與寫(xiě)入。

6 結(jié)束語(yǔ)

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可靠性，筆者將該系統(tǒng)直接應(yīng)用在了含能材料檢測(cè)儀器系統(tǒng)和炸藥生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年連續(xù)不間斷運(yùn)行獲取的數(shù)據(jù)，可分析出設(shè)備裝置運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)是有規(guī)律可循的，通過(guò)該規(guī)律可直接獲取設(shè)備環(huán)境運(yùn)行極限參數(shù)，利用該參數(shù)制定設(shè)備預(yù)警點(diǎn)并作為以后設(shè)備在線運(yùn)行是否正常的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)筆者將日常維修、保養(yǎng)采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，同樣獲取到一定的故障規(guī)律，通過(guò)該規(guī)律可發(fā)現(xiàn)零部件的易損情況和設(shè)備的故障率，對(duì)于相同的故障現(xiàn)象，大部分問(wèn)題都可采取相同的技術(shù)手段解決。通過(guò)這些規(guī)律的獲取，利用該套系統(tǒng)可輔助現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行維修、保養(yǎng)，并提高故障判斷效率，降低維修難度，并能更好地為企業(yè)設(shè)備提供技術(shù)支持。

[1] 陳瓊.狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在大型機(jī)組中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(10):1203～1205．

[2] 王振中,金幗,吳峰棒,等.加油站油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(10):1166～1168．

[3] Jeffrey T,Jim K.LabVIEW大學(xué)實(shí)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.