基于FPGA的傳感器故障診斷算法研究與實現

李小明 李萌欣

摘 ?要： 對于目前傳感器設備故障診斷方法在診斷過程中會導致實際生產中弱故障診斷不靈敏，無法有效識別故障，并且充分考慮實際生產過程中的特點，提出基于FPGA的傳感器故障診斷算法設計。在不同殘差空間中分析故障，使系統(tǒng)對于弱故障診斷的精準性得到提高。使用迭代算法對主元分析算法模型進行更新，利用殘差空間平方加權預測誤差變量的重構對故障進行確定，從而對傳感器故障進行在線診斷。最后，通過企業(yè)實際數據實現此方法的在線故障診斷實驗。實驗結果表明，此種方法能夠有效診斷傳感器設備故障。

關鍵詞： 傳感器故障診斷; 故障識別; 弱故障診斷; 故障在線診斷; 故障分析; 模型更新

中圖分類號： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）19?0178?04

Abstract：For the current sensor equipment fault diagnosis methods in the process of diagnosis may lead to insensitivity to weak fault diagnosis in the actual production， and ineffectiveness to the fault identification， the design of sensor fault diagnosis algorithm based on FPGA is proposed by fully considering the characteristics of the actual production process. The fault analysis in different residual spaces improves the accuracy of the system for weak fault diagnosis. The principal component analysis （PCA） model is updated by iterative algorithm， and the reconstruction of error variable is predicted by the residual space square weighting to determine the fault， so that the sensor fault can be diagnosed online. The online fault diagnosis experiment was carried out for this method according to the actual data of an enterprise. The experimental results show that this method can effectively diagnose sensor equipment faults.

Keywords： sensor fault diagnosis; fault recognition; weak fault diagnosis; online fault diagnosis; fault analysis; model update

0 ?引 ?言

傳感器網絡被廣泛應用到環(huán)境監(jiān)測、智能家居、醫(yī)療保健、農業(yè)生產、軍事等領域中，大部分都是對溫度、濕度等進行監(jiān)測。傳感器節(jié)點在使用過程中會出現多種故障，降低了監(jiān)控功能，導致經濟損失。利用故障診斷能夠正確且及時地診斷故障狀態(tài)及異常的狀態(tài)，預防和消除故障，提高網絡運行可靠性。在診斷傳感器故障過程中，使用算法融合節(jié)點和鄰節(jié)點的數據，存在大量冗余計算，節(jié)點自身感知、數據融合及通信都會浪費大量能量，實現故障檢測要降低功耗。相關研究創(chuàng)建了神經網絡及粗糙集故障診斷算法，算法較為復雜，無法在大量節(jié)點的網絡中使用[1]。本文針對傳感器故障檢測算法計算冗余比較大的特點，提出故障檢測分簇算法，各簇都能夠選擇優(yōu)化分割閾值，使診斷精度及效率得到提高。

1 ?傳統(tǒng)算法分析

傳感器故障算法通過網絡中的鄰節(jié)點測量數據對比測試實現故障診斷。對隨機分布在一定區(qū)域中的傳感器節(jié)點來說，每個節(jié)點都會對壓力、溫度、濕度等數據進行檢測。因為工作時間比較長，所以導致節(jié)點出現異常，對無法實地檢測或者檢測工作量比較大時，可利用檢測得出數據，從而進行分析。傳感器故障診斷過程為：

對比區(qū)域中的節(jié)點[Si]和某鄰節(jié)點[Sj]，得到不同感知數據，因為兩者為相鄰節(jié)點，距離比較近，在某時刻[t]所感知數據也較為接近，差值不超過閾值。在另外時刻[t+1]，兩個相鄰節(jié)點感知數據差和差值不超過另外的閾值。假如上述兩個條件都得到滿足，那么初步診斷兩個節(jié)點都是正常節(jié)點，測試結果[Cij]表示為0，只要其中一條沒有滿足，那么就表示[Si]或者[Sj]出現故障，測試結果[Cij]表示為1。對于節(jié)點[Si]來說，能夠得到其和鄰節(jié)點測試結果，假如[Si]測試結果為1的節(jié)點數量比鄰節(jié)點數目的一半要大，表示節(jié)點[Si]初步診斷狀態(tài)可能為故障，否則就是正常。對網絡中全部節(jié)點遍歷以后能夠得到每個節(jié)點初步診斷的狀態(tài)。對初步診斷狀態(tài)來說，無法對節(jié)點的真正狀態(tài)精準確定，導致[Cij]診斷結果不精準。那么，對節(jié)點[Si]實現診斷的過程中，要充分考慮節(jié)點[Si]全部鄰節(jié)點診斷狀態(tài)都是可能正常節(jié)點數量減去[Si]的測試結果為1的節(jié)點數，結果比[Si]全部鄰節(jié)點數量的一半要大或者相等，以此表示最終診斷結果正常。反之，[Si]診斷結果為故障[2]。

3 ?故障檢測及識別

基于FPGA，數據信息丟失比較少，使高維數據空間映射到低維子控件中，使用少量不相關主元變量對原高維數據空間信息進行描述。通過數學方面的分析，PCA本質為實現元數據空間坐標變換，將表示數據變化方向坐標作為新空間坐標方向進行保留，從而實現高維控件降維，在進行變換的過程中，系統(tǒng)總方差沒有變化，只是根據方差大小重新分布。

一個完整基于FPGA模型的故障檢測和識別的過程包括以下階段：

1） 創(chuàng)建FPGA模型。首先，實現數據矩陣每列多尺度小波分解，得出每列數據各個尺度小波系統(tǒng)[D1]，…，[DL]與逼近系數[AL]，使不同傳感器變量尺度相同得出系數構成系數矩陣，從而能夠得到[L+1]個系數矩陣，每個矩陣表示不同尺度，并且具備相應尺度感知數據信息。之后，分別以此[L+1]個系數矩陣創(chuàng)建PCA模型，對相應尺度主元數及統(tǒng)計量控制限進行計算[6]。

2） 故障檢測及識別。首先，實現測試數據集的小波分解，從而得到各個尺度小波系數及逼近系數;之后，以創(chuàng)建的多尺度PCA模型對各個尺度小波系數在同個尺度模型中的統(tǒng)計量進行計算，實現各個尺度控制圖的繪制。假如某個尺度中的統(tǒng)計量超過控制限，表示感知數據中具有此尺度節(jié)點故障，一般不同故障的尺度特征也各有不同。

本文以故障尺度特征是節(jié)點故障劃分為兩種：

1） 具備穩(wěn)定尺度特征故障類型，比如精度降低、緩慢漂移等故障，在發(fā)生此種故障時，故障特征只是表現在粗尺度低頻信號及細尺度高頻信號中;

2） 具備尺度特征遷移特性故障類型，比如固定故障及恒偏差故障，出現此故障時，故障具備高頻帶小尺度朝著低頻帶大尺度轉移的特點。簡單來說，從細尺度小波系數捕捉到數據突變高頻變化，故障在異常值持續(xù)穩(wěn)定時，粗尺度小波系數及尺度系數會對異常進行監(jiān)測，以故障特點尺度信息對故障類型進行綜合判斷。在對異常尺度進行監(jiān)測之后，通過相應尺度貢獻圖的繪制，尋找與故障相關的節(jié)點變量，以此識別故障[7]。

基于FPGA節(jié)點故障檢測及識別的流程如圖1所示。

4 ?仿真結果分析

本文以電廠過熱氣溫控制系統(tǒng)為例對算法進行驗證，主蒸汽溫度是過熱氣溫控制系統(tǒng)中的主要參數，主蒸汽溫度傳感器測量范圍在400～600 ℃，主蒸汽溫度變化范圍在535～545 ℃。假設傳感器模型為：

[G（s）=3s+ds2+10s+24]

對[u（t）]使用分段平穩(wěn)均勻分布隨機信號，干擾使用0.1方差的高斯白噪聲。理論研究及現場實際故障表明，傳感器大部分故障表示為恒偏差、卡死、漂移及恒增益。實現不同傳感器故障的監(jiān)測，比如出現沖擊干擾實現仿真，之后給出仿真結果。[u（t）]不恒為零，脈沖幅度為1，周期設置為2 s，脈沖寬度設置為信號周期的10%，使用0.02 s采樣時間，通過Simulink建模得到傳感器輸入輸出信號，如圖2～圖5所示。

圖2a）指的是工況負荷45%，主氣溫傳感器在200 s出現卡死故障之后的信號曲線;圖2b）指的是濾波之后信號曲線，改進濾波器能夠將干擾進行消除，將信號故障特點進行保留;圖2c）屬于小波多分辨分析結果，表示在細節(jié)尺度[d1]，[d2]，[d3]中能夠明顯檢測到故障。

圖3a）是指78%工況負荷中主氣溫傳感器在50 s出現偏差突變故障曲線;圖3b）指的是在濾波之后信號曲線，能夠觀察主氣溫此時出現明顯突變，表示傳感器在這個時候出現故障;圖3c）指的是小波分辨分析結果，可以看出，在細節(jié)尺度[d1]，[d2]，[d3]中能夠對故障進行有效監(jiān)測。

圖4a）指的是基于工況45%中主氣溫傳感器50 s發(fā)生-5%增益突變曲線和形態(tài)學?小波檢測的結果;圖4b）為濾波之后信號曲線，表示50 s時主氣溫出現明顯突變，說明傳感器在這個時候出現故障;圖4c）指的是小波多分辨分析結果，在細節(jié)尺度[d1]，[d2]，[d3]中能夠實現故障精準檢測。

因為傳感器漂移故障的變化比較緩慢，并且幅度比較小，部分檢測方法對于此種類型故障并不敏感，使用本文分析的算法實現仿真研究。圖5a）指的是基于78%工況中主蒸汽溫度曲線，通過曲線可以看出溫度信號在100 s以后逐漸開始變化，圖5b）指的是濾波之后信號曲線，此曲線表示改進濾波器能夠將原始信號微小故障特點進行保留。圖5c）指的是小波多分辨的分析結果，故障特點在[d1]尺度中并沒有明顯變化，在尺度不斷擴大的過程中也突出了細節(jié)特征。基于[d3]尺度表示傳感器在100 s時出現故障。本文所設計的算法能夠對傳感器各種故障進行監(jiān)測，能夠使其應用到傳感器故障檢測和診斷中[8]。

5 ?結 ?語

本文所提出的基于FPGA傳感器故障診斷方法能夠對傳感器動態(tài)特點進行模擬，并且對傳感器實時狀態(tài)進行監(jiān)測，精準判斷傳感器故障，有效彌補傳統(tǒng)故障診斷在系統(tǒng)建模中的缺點，該方法在傳感器故障診斷中的應用價值良好。

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