煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷系統(tǒng)設(shè)計

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，南陽 473007）

0 引言

計算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得故障診斷技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1,2]。故障診斷是通過已知的檢測參數(shù)、異常現(xiàn)象并結(jié)合先驗知識，找到故障發(fā)生的部位以及原因。煙草澆水機(jī)是煙廠的重要設(shè)備，但是其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系較為密切，當(dāng)子系統(tǒng)發(fā)生故障，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓[3,4]。如何能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行異常故障診斷，是當(dāng)前研究的熱點內(nèi)容。

目前，已有部分較好的研究，例如文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)，利用智能控制平臺、人工智能以及協(xié)同技術(shù)等，實現(xiàn)對收割機(jī)故障的在線監(jiān)測以及診斷，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行實時系統(tǒng)故障監(jiān)測，但是故障診斷時間過長。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)，利用原位檢測以及離線檢測的軟件系統(tǒng)，對硬件采用模塊設(shè)計思想。該系統(tǒng)具有較好的通用性，但是無法準(zhǔn)確檢測故障。

針對上述系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了一種新的故障診斷系統(tǒng)——煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷系統(tǒng)。

1 煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷系統(tǒng)設(shè)計

1.1 煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計

對異常故障自動診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其中包含數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計以及數(shù)據(jù)處理部分，具體過程如下：

異常故障診斷技術(shù)是當(dāng)前研究的重點內(nèi)容，國內(nèi)外相關(guān)工作人員研究異常故障自動診斷系統(tǒng)也已經(jīng)有許多年的歷史了，并且在異常故障自動診斷系統(tǒng)方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。

異常故障自動診斷系統(tǒng)主要分為在線故障診斷以及離線故障診斷。當(dāng)前研究的是在線故障診斷[7,8]。在所有的大型設(shè)備中，只要設(shè)備出現(xiàn)位移以及旋轉(zhuǎn)，就會存在震動現(xiàn)象，如果這些震動超過一定的范圍，則會影響設(shè)備的使用壽命。

下面給出設(shè)備數(shù)據(jù)采集以及分析的基礎(chǔ)[9]：頻率、幅值、相位。它們?nèi)咴谠O(shè)備不同的部位，所以導(dǎo)致表現(xiàn)出來其振動的頻率以及幅值、相位是不同的，并且存在以下特點：

1）不同設(shè)備的振動是不同的，主要有：周期振動、準(zhǔn)周期振動、或是多種組合振動等。

2）當(dāng)設(shè)備在運行的過程中，大部分的振動信號會被淹沒，振動頻率會受到故障程度的影響，如果故障加劇，那么設(shè)備的振動就會增強[10]。

獲取的大部分參數(shù)都是通過硬件來辨別的，但是這些參數(shù)的分析如果只靠數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的硬件來實現(xiàn)，會存在一定的困難，通過數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲以及分析。由此可見，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲以及分析是需要高度統(tǒng)一的[11]。

實現(xiàn)異常故障自動診斷的主要流程是：

1）將傳感器固定在設(shè)備的敏感部位；

2）通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來完成振動曲線的采集；

3）利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到服務(wù)器終端，并將曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并提取相關(guān)特征進(jìn)行分析[12]；

4）分別辨識振動中存在的不同數(shù)值，并根據(jù)這些數(shù)值判斷設(shè)備是否發(fā)生故障。

不同的機(jī)械設(shè)備存在不同程度的振動。對振動測量在設(shè)備的判斷中是非常重要的。但是大多數(shù)是設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)都是由不同類型的傳感器組成的。在診斷系統(tǒng)中，溫度是一個十分重要分信號值，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）設(shè)備的某一部位的溫度值較高會影響電氣系統(tǒng)的運行。

2）設(shè)備的某一部位溫度值較高會影響設(shè)備的機(jī)械性能。

當(dāng)溫度和振動或其他因素在綜合作用下，會更加容易判斷出現(xiàn)故障的部位。

如果要實現(xiàn)設(shè)備的在線監(jiān)測以及故障診斷則需要滿足如下要求：

1）通過傳感器實時采集完整的振動信號；

2）通過溫度傳感器采集系統(tǒng)電機(jī)的振動信號；

3）將振動信號以及溫度信號進(jìn)行準(zhǔn)確采集；

4）通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端；

5）所設(shè)計系統(tǒng)需要具有數(shù)據(jù)采集、存儲以及顯示等功能。

所設(shè)計系統(tǒng)的故障診斷平臺需要進(jìn)行總體的設(shè)計，該平臺的設(shè)計主要是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的在線監(jiān)測以及故障檢測等功能，具有較強的擴(kuò)展性以及試驗性。所設(shè)計系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)兩個部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要是通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲以及通過瀏覽器進(jìn)行顯示等，具體的系統(tǒng)功能需求如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式主要分別兩部分：客戶端與服務(wù)器端[13]。需要將兩者的需求進(jìn)行單獨的處理，并且同時實現(xiàn)它們共同的需求。在當(dāng)前這種狀況下，系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)器僅僅只是一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，但是當(dāng)前業(yè)務(wù)邏輯需要停留在客戶端，因此需要在客戶端安裝一個應(yīng)用程序，在這種狀態(tài)下，用戶數(shù)量猛然劇增，系統(tǒng)的維護(hù)作用加大，維護(hù)費用增加，但是效率低下，安全性以及伸縮性較差。

服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型是迄今為止最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫模型[14]，由不同的4個部分組成，所設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于系統(tǒng)的中心服務(wù)器部分，并且大部分較為復(fù)雜的業(yè)務(wù)處理都是通過中心服務(wù)器實現(xiàn)，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

所設(shè)計系統(tǒng)利用服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式，共分三層。在系統(tǒng)服務(wù)器上構(gòu)建相對應(yīng)的知識庫，通過數(shù)據(jù)庫將已經(jīng)村存儲過的數(shù)與必要的設(shè)備以及相關(guān)的應(yīng)用程序通過服務(wù)器發(fā)送至用戶遠(yuǎn)程訪問頁面，利用瀏覽器完成對系統(tǒng)的界面訪問。用戶可以通過事先預(yù)定好的瀏覽器進(jìn)行訪問，服務(wù)器根據(jù)用戶的訪問請求，判斷用戶是否可以訪問，并針對用戶請求進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果反饋給客戶。

1.2 故障自動診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計

在煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷中采用故障樹診斷方法，對煙草澆水機(jī)綜合數(shù)據(jù)庫、規(guī)則數(shù)據(jù)庫和故障數(shù)的設(shè)計，來增強煙草澆水機(jī)系統(tǒng)的通用性和靈活性，煙草澆水機(jī)異常故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煙草澆水機(jī)異常故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的煙草澆水機(jī)故障診斷系統(tǒng)參考了專家故障診斷系統(tǒng)的一般性結(jié)構(gòu)，并對其中部分模塊進(jìn)行了主要設(shè)計，在煙草澆水機(jī)人機(jī)界面上設(shè)計是在進(jìn)行人機(jī)接口任務(wù)時，考慮到簡單、智能的操作。煙草澆水機(jī)綜合數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)和設(shè)備指示狀態(tài)根據(jù)不同的來源抽象為征兆事件，用統(tǒng)一的信息結(jié)構(gòu)來表示。綜合數(shù)據(jù)庫是煙草澆水機(jī)整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，他主要是為煙草澆水機(jī)的規(guī)則庫和故障樹提供重要信息來源，煙草澆水機(jī)的知識庫是由規(guī)則庫和故障樹組成的，這種知識的構(gòu)建形式促使煙草澆水機(jī)系統(tǒng)對知識的具有更加靈活的表現(xiàn)力，通過對傳統(tǒng)的煙草澆水機(jī)故障診斷系統(tǒng)原理進(jìn)行分析，設(shè)計的將傳統(tǒng)的規(guī)則，擴(kuò)展為INPUT-OUTPUT的結(jié)構(gòu)規(guī)則，在煙草澆水機(jī)規(guī)則庫中的每一條規(guī)則都存著這多個INPUT-OUTPUT結(jié)構(gòu)，在每一條規(guī)則中不但包含著具體的內(nèi)容和存在著根據(jù)推理結(jié)果可控制的信息，INPUT-OUTPUT結(jié)構(gòu)規(guī)則，能夠有效的增強了煙草澆水機(jī)表現(xiàn)內(nèi)容的能力，在煙草澆水機(jī)中故障樹的目的是豐富了規(guī)則庫傳統(tǒng)的知識表現(xiàn)形式，并有利于實現(xiàn)對故障系統(tǒng)的分析，推理機(jī)是根據(jù)規(guī)則庫推理的結(jié)果和故障樹推理的結(jié)果構(gòu)成的，煙草澆水機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行故障推理時，首先會進(jìn)行規(guī)則故障推理，規(guī)則推理的結(jié)果將轉(zhuǎn)入到綜合數(shù)據(jù)庫中，故障樹利用煙草澆水機(jī)綜合數(shù)據(jù)庫能夠提前知曉故障事實和結(jié)論，從而進(jìn)行故障數(shù)診斷的推理，通過對系統(tǒng)中信息記錄模塊的搜索而完成煙草澆水機(jī)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計。對比傳統(tǒng)的煙草澆水機(jī)故障診斷系統(tǒng)[15]，文中設(shè)計的系統(tǒng)能夠增強系統(tǒng)的通用性，提高了診斷的效率。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所設(shè)計煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷系統(tǒng)的綜合有效性，需要進(jìn)行一次實驗，實驗環(huán)境為：Pentium(R)Dual-Core CUP2.50GHz，RAM2GB的PC機(jī)，操作系統(tǒng)為Windows XP，采用Matlab7.6編程實現(xiàn)。

分別將所設(shè)計系統(tǒng)與基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)以及基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行實驗對比，分別對比3個不同系統(tǒng)的故障診斷時間，對比結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖3 所設(shè)計系統(tǒng)故障診斷時間

圖4 基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的故障診斷時間

圖5 基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)煩人故障診斷時間

分析上圖可知，隨著樣本數(shù)量的不斷變化，不同系統(tǒng)的故障診斷時間也在不斷發(fā)生變化，當(dāng)樣本數(shù)量為10個時，所設(shè)計系統(tǒng)的時間為1.98ms，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的故障診斷時間為12.03ms，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)的故障診斷時間為12.14ms。所設(shè)計系統(tǒng)分別低于其他兩種系統(tǒng)10.05ms、10.16ms。當(dāng)樣本數(shù)量為40個時，所設(shè)計系統(tǒng)的故障診斷時間為2.12ms，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的故障診斷時間為13.12ms，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)的故障診斷時間為13.58ms。所設(shè)計系統(tǒng)分別低于其他兩種系統(tǒng)11ms、11.46ms。

通過兩組數(shù)據(jù)對比可知，所設(shè)計系統(tǒng)的故障診斷時間明顯低于其他兩種系統(tǒng)。由此可見，所設(shè)計系統(tǒng)有效降低了故障診斷時間。

分別將所設(shè)計系統(tǒng)與基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)以及基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行實驗對比，分別對比3個不同系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對比結(jié)果表1所示。表1中，方法1代表所設(shè)計系統(tǒng)，方法2代表基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)，方法3基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)。

表1 不同系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)對比

分析表1可知，隨著實驗次數(shù)的不斷變化，不同系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)也在不斷發(fā)生變化。當(dāng)實驗次數(shù)為10次時，所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)為99.89，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)為85.21，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)為95.21。當(dāng)實驗次數(shù)為60次時，所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)為100，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)為92.99，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)為75.78。通過上述數(shù)據(jù)對比可知，所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)最高，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)次之，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)最差。由此可見，所設(shè)計系統(tǒng)有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證了系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

將所提出方法與基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷效率（%）對比實驗，實驗結(jié)果如表2所示，方法1代表所設(shè)計系統(tǒng)，方法2代表基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)，方法3代表基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)。

表2 不同方法故障診斷效率對比實驗

分析表1可知，3種方法都隨著故障數(shù)據(jù)個數(shù)的不斷增加，故障診斷效率也隨著發(fā)生變化，

當(dāng)故障數(shù)據(jù)個數(shù)為15個時，所設(shè)計系統(tǒng)故障診斷效率為99.99%，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)故障診斷效率為96.23%，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)故障診斷效率為93.89%，對比可知，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)診斷效率與所提出方法診斷效率之間分別相差3.76%，6.1%。

當(dāng)故障數(shù)據(jù)個數(shù)為25個時，所設(shè)計系統(tǒng)故障診斷效率為99.56%，基于人基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)故障診斷效率為95.89%，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)故障診斷效率為92.14%，對比可知，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)診斷效率與所提出方法診斷效率之間分別相差3.67%，7.42%。

當(dāng)故障數(shù)據(jù)個數(shù)為35個時，所設(shè)計系統(tǒng)故障診斷效率為99.12%，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)故障診斷效率為95.12%，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)故障診斷效率為91.33%，對比可知，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)診斷效率與所提出方法診斷效率之間分別相差4%，7.79%。

當(dāng)故障數(shù)據(jù)個數(shù)為45個時，所設(shè)計系統(tǒng)故障診斷效率為98.56%，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)故障診斷效率為94.65%，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)故障診斷效率為90.32%，對比可知，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)診斷效率與所提出方法診斷效率之間分別相差4%，8.24%。

當(dāng)故障數(shù)據(jù)個數(shù)為55個時，所設(shè)計系統(tǒng)故障診斷效率為98.11%，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)故障診斷效率為93.36%，基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)故障診斷效率為88.45%，對比可知，基于協(xié)同技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)和基于特征參數(shù)的故障檢測系統(tǒng)診斷效率與所提出方法診斷效率之間分別相差4.75%，9.66%。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的一系列問題，設(shè)計了一種新的故障診斷系統(tǒng)——煙草澆水機(jī)異常故障自動診斷系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)診斷時間，提高了系統(tǒng)診斷效率。