基于GPRS的磨礦遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的研究

曹艷忙　張雪娜　劉永娟　竇偉山

【摘要】磨礦遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)充分利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信手段，通過智能化診斷數(shù)據(jù)庫以及D-S證據(jù)融合算法對磨礦故障進(jìn)行診斷。實(shí)例分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以通過無線通信準(zhǔn)確顯示現(xiàn)場傳感器采集的信號，實(shí)時(shí)顯示磨機(jī)運(yùn)行狀況，并有效診斷磨礦時(shí)的故障信息及時(shí)將診斷結(jié)果反饋給遠(yuǎn)程客戶端，能夠方便現(xiàn)場工人使用，實(shí)用價(jià)值高。

【關(guān)鍵詞】磨礦? GPRS? 專家系統(tǒng)? D-S證據(jù)理論? 遠(yuǎn)程故障診斷

引言

在磨礦生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生一些故障。隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人工檢測已經(jīng)不能夠滿足實(shí)際需要，磨礦遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)也愈發(fā)重要，成為新趨勢。磨礦故障診斷模式有離線方式、在線方式以及遠(yuǎn)程方式的故障診斷方法。離線方式故障診斷應(yīng)用最早，許多人工智能方法像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等多用于對故障的診斷，但該方法也存在間隔時(shí)間長、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。在線故障診斷應(yīng)用比較廣泛，操作也比較簡單，但不能確實(shí)描述出現(xiàn)場特征與相應(yīng)故障間的規(guī)律，因此該方法在磨礦故障分析中是有缺陷的。遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)是使用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對異地選礦廠中的磨礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障上診斷的一種技術(shù)。通過GPRS與 Internet構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的平臺，實(shí)施磨礦遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷，這種方式彌補(bǔ)離線和在線故障診斷的缺陷，成為磨礦故障診斷重要發(fā)展方向。

本篇文章借助專家系統(tǒng)、基于多傳感信息融合理論D-S證據(jù)融合算法以及GPRS技術(shù)，建立了基于C/S（Client/Server，C/S）此種模式的與磨礦相關(guān)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，并獲得理想結(jié)果。

1、磨礦遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)概述

系統(tǒng)以磨礦過程為監(jiān)測對象，包括現(xiàn)場檢測環(huán)節(jié)、現(xiàn)場監(jiān)控通訊站和作為服務(wù)器的監(jiān)測計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，各路傳感器負(fù)責(zé)采集磨礦過程的狀態(tài)參數(shù)（磨礦給水流量、磨礦給礦量、磨音、磨機(jī)電流等），經(jīng)過必要的A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳送到S7-300PLC中的CPU模塊，并通過RS485總線傳送到工業(yè)現(xiàn)場工控機(jī)的監(jiān)控軟件中可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，與工控機(jī)通過RS485總線相連的GPRS DTU無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到作為服務(wù)器的本地計(jì)算機(jī)，對信號進(jìn)行及時(shí)處理。當(dāng)磨礦過程出現(xiàn)故障時(shí)，本地計(jì)算機(jī)能夠及時(shí)作出判斷，處理后將詳細(xì)而具體的故障信息發(fā)送給遠(yuǎn)程客戶端，選礦廠工作人員根據(jù)故障診斷結(jié)果做出相應(yīng)的處理，保障磨礦生產(chǎn)順利進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)對磨礦的遠(yuǎn)程故障診斷。

2、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

GPRS通信技術(shù)不僅可以提高通信速度，而且減少了通信費(fèi)用。GPRS DTU內(nèi)部嵌入了TCP/IP協(xié)議功能無需使用者的提供，只需要借助串口通訊的終端設(shè)備，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺就能實(shí)現(xiàn)信息傳輸，既方便又快捷，更重要的是能夠方便用戶及時(shí)掌握磨礦現(xiàn)場的狀況，方便及時(shí)作出應(yīng)急處理。

由于磨礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣，并且震動(dòng)較劇烈，所以對GPRS DTU的穩(wěn)定性、抗震能力要求較高。首先GPRS DTU內(nèi)部提供標(biāo)準(zhǔn)RS485數(shù)據(jù)的接口，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制機(jī)與GPRS DTU的相接，并用無線終端配置軟件對其進(jìn)行配置，具體配置如圖2所示

狀態(tài)欄提示“基本參數(shù)設(shè)置成功”，即基本參數(shù)修改成功，需退出DTU設(shè)參軟件，同時(shí)給DTU參數(shù)斷電，參數(shù)設(shè)置完成，并將GSM天線粘貼在DTU設(shè)備上。

遠(yuǎn)程客戶端DTU設(shè)備基本步驟操作完以后，接入本地固定的IP地址的計(jì)算機(jī)打開虛擬串口軟件，然后點(diǎn)擊“虛擬串口管理”中的“新增虛擬串口”，輸入串口、固定IP和需要監(jiān)聽的客戶端的端口號，服務(wù)器上就會(huì)顯現(xiàn)出來，配置如圖3所示

本篇文章所講GPRS DTU是通過TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)編程，用C/S模式。選礦廠工控機(jī)的監(jiān)控軟件以及本地計(jì)算機(jī)的故障診斷軟件都是在VC++6.0環(huán)境下采用C++編程語言進(jìn)行開發(fā)的，要實(shí)現(xiàn)兩臺計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的應(yīng)用程序之間的收發(fā)數(shù)據(jù)，運(yùn)用CAsyncSocket類來實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)器上配置完虛擬串口后，打開故障診斷軟件，通訊端口選用配置好的虛擬串口COM3，建立客戶端與服務(wù)器的通訊，對數(shù)據(jù)的采集周期為1分鐘（若采集周期過短造成流量的浪費(fèi)），故障診斷軟件可完成故障的診斷與分析，并第一時(shí)間反饋給用戶，待用戶得到診斷結(jié)論后即可以采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

3、磨礦遠(yuǎn)程故障診斷的研究

磨礦過程中的動(dòng)態(tài)特性很復(fù)雜，并且具有非線性、大慣性和純滯后特性，同時(shí)存在很強(qiáng)的參數(shù)耦合性很難對上述的過程建立精確的數(shù)學(xué)模型。

本文介紹的關(guān)于知識的故障診斷方法不用建立精準(zhǔn)的模型，只用引入診斷的對象相關(guān)數(shù)據(jù)，特別是專家學(xué)者或者成熟操作工提供的診斷知識，就可以得出相應(yīng)的診斷結(jié)果。采用上述方法建立的系統(tǒng)對磨礦中所發(fā)生的故障進(jìn)行有效的診斷，知識庫通過人機(jī)接口可以獲取專家知識和經(jīng)驗(yàn)，使用者從數(shù)據(jù)庫中得到相應(yīng)信息，推理機(jī)借助知識庫中相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行必要的推理，最后得到了準(zhǔn)確診斷結(jié)果。

為了確保磨礦過程的遠(yuǎn)程故障診斷結(jié)果全面而有效，需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和無誤性提出明確的要求。我們可以利用實(shí)時(shí)監(jiān)測磨礦傳感器，通過傳出的信息進(jìn)行判斷，對異常的信息，能夠迅速而準(zhǔn)確的給出診斷結(jié)果，同時(shí)借助專家系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，及時(shí)更新樣本數(shù)據(jù)庫，為以后診斷提供方便。通過自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法對采集磨礦相應(yīng)數(shù)據(jù)的不同種類的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)級上的融合，確保相應(yīng)數(shù)據(jù)精度有效;借助專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對磨礦非正常狀況的有效診斷，進(jìn)而得出相應(yīng)的類型和原因;假如在數(shù)據(jù)庫中不能查詢到其故障類型時(shí)，借助D-S證據(jù)理論，能夠快速有效的解決這些問題。

它可以滿足比貝葉斯概率更弱的條件，具有一定的優(yōu)勢就是表達(dá)“不確定”和“不知道”，D-S證據(jù)理論把其證據(jù)劃分，并進(jìn)行獨(dú)立的判斷，然后用Dempster合成規(guī)則把它們進(jìn)行相應(yīng)的組合，在磨礦故障診斷中，會(huì)出現(xiàn)許多種故障，并且每一種故障的發(fā)生并不是偶然的，都有一定的概率，傳感器中的信息可以通過D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合，尋找出最大概率故障源，根據(jù)最后的結(jié)果形成新的樣本存入數(shù)據(jù)庫。

4、磨礦遠(yuǎn)程故障診斷實(shí)例分析

利用上述系統(tǒng)，在磨礦遠(yuǎn)程故障診斷中通過傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后傳送至工控機(jī)，再通過GPRS DTU無線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務(wù)器，故障的診斷系統(tǒng)會(huì)對磨礦故障中相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，把最終的結(jié)果展現(xiàn)給使用者。

為了驗(yàn)證文中所述基于GPRS的磨礦遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的有效性，對承德某選礦廠車間1#磨機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖4為磨礦過程實(shí)時(shí)監(jiān)測界面。

以某一故障時(shí)刻為例，磨礦給水流量為20.79t/h，磨礦給礦量為138.58t/h，磨機(jī)電流為28A，磨音為66dB，這時(shí)候需要通過磨礦遠(yuǎn)程故障診斷模塊來進(jìn)行評估，倘若它所運(yùn)行的現(xiàn)狀與數(shù)據(jù)庫中的類型不一樣的話，那么就需要借助D-S證據(jù)理論故障診斷融合模塊來進(jìn)行相應(yīng)的判斷。

在這里，將磨礦故障狀態(tài)分為：重度負(fù)荷和溢流濃度異常（分別用S1，S2表示），我們需要監(jiān)測磨礦參數(shù)數(shù)據(jù)，并對它進(jìn)行準(zhǔn)確分析，同時(shí)還需要專家學(xué)者或者成熟操作工的經(jīng)驗(yàn)做法，從而我們能夠得到每個(gè)傳感器中的信息在識別框架中的故障初始的相關(guān)的概率分配。

采用4種傳感器檢測系統(tǒng)：{A1=磨礦給水流量，A2=磨礦給礦量，A3=磨音，A4=磨機(jī)電流}，故障識別框架Ω={S1，S2，S}，其中S表示不能確定磨礦的故障狀態(tài)。傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中的信息概率分配，如表1所示。我們再借助D-S證據(jù)理論融合算法對其進(jìn)行相應(yīng)的融合，從而得出故障診斷的最終結(jié)果，如表2所示。

通過表1和表2中的數(shù)據(jù)我們可以得出，假如采用單一傳感器對磨礦故障信息進(jìn)行診斷，每個(gè)傳感監(jiān)測系統(tǒng)基本概率值都很大，這時(shí)候我們很容易的從單一的傳感監(jiān)測系統(tǒng)去判斷故障的類型并不現(xiàn)實(shí)。但是，假如我們利用D-S證據(jù)理論融合后，故障不確定性將會(huì)越來越低，從而使得診斷的準(zhǔn)確度越來越高，精度也越來越高。在本次故障診斷中，重度飽磨狀態(tài)S1也會(huì)逐步顯示，但是還需要依據(jù)最終結(jié)果，把產(chǎn)生的新類型的故障信息存入數(shù)據(jù)庫，從而可以完成磨礦遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的功能。同時(shí)，在系統(tǒng)最終結(jié)果的界面上會(huì)彈出相應(yīng)的最終結(jié)果，如圖5所示。

5、結(jié)論

通過上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，借助GPRS無線通訊的相關(guān)技術(shù)，我們完成了磨礦數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，并建立了智知識，彌補(bǔ)知識，構(gòu)建教學(xué)反饋，發(fā)布的每個(gè)作業(yè)和考試情況，收集一些典型錯(cuò)誤，甚至可以在審查結(jié)束查看，并通過學(xué)習(xí)論壇提供同步練習(xí)，自我測試，研究生輔導(dǎo)等，讓學(xué)生自行決定選擇;建立論文的寫作，介紹論文的寫作方法和技巧，建立教學(xué)前沿，向?qū)W生介紹了國內(nèi)外數(shù)學(xué)的發(fā)展和最新成果。

2.5注重教學(xué)手段的信息化

隨著教育改革的日益推進(jìn)，高等數(shù)學(xué)教學(xué)手段也越來越豐富。高數(shù)學(xué)老師在選擇數(shù)學(xué)教學(xué)手段時(shí)，要懂得將傳統(tǒng)的教學(xué)模式與信息化的教學(xué)手段緊密聯(lián)系在一起，并且要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和實(shí)際學(xué)習(xí)情況選擇不同的教學(xué)手段。例如老師在為學(xué)生講解函數(shù)這一章節(jié)的內(nèi)容時(shí)，在函數(shù)的概念以及知識背景的講解環(huán)節(jié)。老師可以利用微課為學(xué)生播放函數(shù)概念和知識背景的視頻資料，然后再結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容提出問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題。利用微課展開課堂教學(xué)，不僅能夠很快吸引學(xué)生的注意力，還能夠?yàn)閷W(xué)生營造一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到高效的教學(xué)效果。

總之，信息化教學(xué)手段在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，可以有效糾正傳統(tǒng)高職數(shù)學(xué)教學(xué)的弊端，也有助于提高高職數(shù)學(xué)教學(xué)的教學(xué)效率和學(xué)生學(xué)習(xí)成果。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬他們的數(shù)學(xué)知識獲取，提高他們的探索獲得和交換信息的處理能力，從而提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)。這需要教育工作者在日常教學(xué)中不斷的提示自身信息技術(shù)應(yīng)用能力將信息技術(shù)應(yīng)用和教育觀念更深更廣的結(jié)合，努力實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)和數(shù)學(xué)教育技術(shù)能力的多維度的滲透與融合。讓學(xué)生更好地掌握學(xué)習(xí)和思考方法，切實(shí)實(shí)現(xiàn)全面提高大學(xué)生的數(shù)學(xué)素質(zhì)的目標(biāo)，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才做出貢獻(xiàn)。

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作者簡介：歐露露（1989-），女，漢族，河南太康人，本科，鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，助理實(shí)驗(yàn)師 ，研究方向：數(shù)學(xué)教育、信息與計(jì)算科學(xué)。