基于骨架理論的機電特種設備啟動故障檢測系統設計

楊斌山

(新疆工程學院 控制工程學院，烏魯木齊 830000)

0 引言

機電特種設備涉及人們生命安全設備，如安裝、維修、使用和檢查不當都容易引起事故。機電特種設備利用啟動裝置控制設備運行，以確保機電特種設備安全運行。假如在機電特種設備啟動裝置故障的情況下，則無法安全運行，容易出現各種危險問題[1]。檢測機電特種設備啟動裝置故障，可以使機電特種設備穩定性較高，保證安全運行。目前國內較少研究檢測特種設備啟動裝置故障，構建診斷特種機電設備啟動裝置故障系統，為其故障診斷提供輔助手段，是當前迫切需要解決問題。

目前該領域大量學者對其進行了研究，并取得了一定的研究成果，其中，采用直流接地的方法檢測機電特種設備啟動故障，利用光控電子開關，分別將直流母線正負兩級通過限流電阻接地，計算絕緣電阻值，通過霍耳傳感器輸出可檢測接地故障，進一步查找接地故障點具體位置[2]。雖然使用該系統檢測精度較高，但CPU使用率較大；使用混合特征相似度計算方法，從靜態方面度量程序行為相似性，利用代碼轉換框架過濾與行為相似性度量無關子圖，再結合圖同構算法完成相似性度量，由此獲取故障信息。雖然使用該系統CPU使用率低，但計算過程十分復雜，檢測精準度較低。針對上述問題，設計基于骨架理論的機電特種設備啟動故障檢測系統。充分分析骨架理論，提取故障檢測指標，設計故障檢測流程，完成機電特種設備啟動故障檢測。

1 系統總體結構設計

機電特種設備啟動故障檢測系統，對機電特種設備故障定位、特征提取、自動攝像、編碼傳輸到圖像處理服務器，實現自動報警提示。該系統總體結構主要用于對機電特種設備啟動故障模擬和檢測，圖1中顯示了系統的總體結構。

圖1 系統總體結構

機電特種設備啟動故障檢測系統的總體結構分為4個部分：故障注入場景可視化、故障信息采集、故障分析與處理、人機交互[3]。故障注入場景可視化包括系統結構設計和運行環境的構建，通過對系統運行狀態觀測，了解系統故障發生程度，建立相應場景樹；控制電路負責收集機電特種設備啟動故障信息，包括注入速度、加速度、傳感器信息等，并全部打包發送；故障分析處理和人機交互主要是利用系統狀態信息顯示和故障檢測結果顯示功能，對接收到故障信息實時處理，并通過顯示模塊顯示所有處理結果[4]。

2 系統硬件設計

對機電特種設備啟動故障檢測系統研究，根據故障檢測系統功能要求，按照故障檢測系統的功能需求，優化機電特種設備故障檢測系統的硬件部分。

2.1 電流采集電路模塊

交流電采集模塊通過電纜上方的感應線圈采集交流電，在采集過程中，該電流一旦被其它檢測模塊使用，則需要整流該電流，并對整流后電流進行濾波處理[5]。因此，設計了由簡單二極管組成的整流電流采集電路，用于故障檢測。電流采集電路如圖2所示。

圖2 電流采集電路

在感應線圈上并聯兩個二極管和電阻，設置截止線圈的通電狀態，利用二極管吸收電磁場釋放高壓，去除開關電弧。在此過程中，電感應線圈采集交流電，通過整流全橋電路，獲取兩個的直流輸出結果相同，并以此為輸入結果，輸入至電流突變以及停電檢測模塊中[6]。

用來在突發電流發生時檢測故障的電流突變檢測模塊，在電路中出現故障時，三相短路或兩相短路會產生大量突變電流[7]。若要檢測突變電流，就必須采取整流方案，并在整流后對多層差分電路優化處理，以獲取明顯脈沖信號；如果電流未發生突變，則利用二極管進行低電平電壓定位，就可完成檢查點檢測。

2.2 太陽能電池模塊

太陽能電池通過吸收太陽光直接加熱或間接產生能量來提供熱量，將一塊完整的太陽能電池放在一個平面上，它可以構成太陽能光伏電池板或組件[8]。PV組件通常有一個朝向太陽的玻璃，允許光線通過，同時保護著半導體晶片。太陽能電池通常是串聯或并聯的，以此產生額外電壓。

雖然并聯電池產生更高電流，但該電池陰影效應產生問題，對陰影電池施加反向偏置，會使部分串聯電池中較弱的部分失去作用，這樣會造成巨大電力損失和潛在的破壞。串聯電池組通常是獨立的，而非并行的。每一個模塊通常有一個可并聯的獨立電源盒。盡管這些模塊可以互相連接以創建具有所需峰值直流電壓和負載電流的陣列，但是獨立的最大功率點跟蹤器是最佳選擇。

2.3 電機驅動模塊

以L298N為主驅動芯片，具有高驅動，低發熱量，高抗干擾等特點。電機驅動模組可通過內置78M05驅動電源工作，但是，為避免損壞穩壓片，當使用的驅動電壓大于12 V時，使用5 V外部電源供電[9]。圖3中顯示了采用大容量濾波電容，自由保護二極管的L298N電機驅動模塊。

圖3 L298N電機驅動模塊

采用L298N芯片，可直接驅動2臺3～30 V直流電機，并提供5 V輸出接口，供5 V MCU電路系統供電，可方便對直流電機速度、方向控制，也可對二相步進電機控制，2 A的電流，25 W額定功率。高電壓全橋驅動器主要由兩個H橋組成，由標準的邏輯電平信號控制驅動直流電機、步進電機和繼電器線圈等電感負載，驅動模塊主要由兩個控制端組成，可獨立于輸入信號，該驅動模塊可在低電平下穩定運行。還可在電機驅動模塊外部連接檢測電阻，反饋到控制電路上，并使用L298N芯片驅動電機。

2.4 有載調容變壓器

為使有載調容變壓器省電、操作更方便、適用范圍更廣，尤其是適應于變頻周期較短的機電特種設備，設計了有載調容變壓器結構，如圖4所示。

圖4 有載調容變壓器

有載調容變壓器通過監測變壓器低壓側的電壓、電流，判斷當前負載電流。當電容調節條件滿足前一個設定時，變壓器將向有載調容變壓器調節開關發出容量調節指令，有載調容變壓器開關根據容量調節指令進行變壓器容量切換，實現高、低壓線圈在變壓器內的星角轉換和串并聯轉換[10]。變壓器在勵磁狀態下，實現容量自動轉換，完成了無激勵狀態下變壓器電壓的調節。

有載調容變壓器的負荷調整由大容量調整為小容量、高壓線圈由三角連接方式調整為星形連接方式，由于相電壓、電流和電阻保持不變，所以容量變為原始的1/3。為了保證輸出電壓不變，低壓側串阻增加了匝數，匝數增加等于電壓降低倍數。當電壓不變時，通過增大電阻來改變電流，就形成了電容變化。通過負荷調整大容量變壓器的小容量，可以減少由于低壓側增加磁通密度，減小核心、硅鋼片單位損耗和空載損耗，從而達到減少損失、節省能源目的。

3 系統軟件設計

3.1 基于骨架理論提取故障檢測指標

骨架又稱為主軸，在物體內其接圓中心軌跡最大。r跳的所有節點距離大于a節點被稱為節點的跳鄰。在故障檢測系統中，由于骨架是基于連續域的，節點是離散化的。因此，需要重新定義離散化來獲得離散域的骨架?；谶B續域散度，提取故障檢測指標。

3.1.1 節點a散度特征

(1)

式(1)中，m(a)表示節點a轉發故障數據包數量；n(a)表示節點a接收故障數據包數量；Nr(a)表示節點a的r跳鄰居節點；λ(Nr(a))表示鄰居節點的數量；節點a的散布特性是轉發的故障包總數與接收到的故障包數之和的平均差。

3.1.2 骨架節點特征

因為散度節點的隨機性，所以容易造成節點分布不均勻，為了提高散度魯棒性，當diva為負值時，可根據實際情況修正。

3.1.3 骨架曲率特征

骨架曲率是指骨架節點a的k鄰居節點中的兩個節點a1到a2之間的距離與k鄰居節點中的跳數距離以及沿著骨架節點a1到a2的跳數距離的比值，計算公式為：

(2)

式(2)中，x1表示a1到a2在k鄰居跳數距離；x2表示a1到a2沿著骨架傳輸跳數距離。通過以上步驟，基于骨架理論，準確提取機電特種設備啟動故障檢測指標。

3.2 故障檢測流程設計

針對不同壽命周期機電特種設備啟動故障特征來檢測，結合庫存安全量，得到的啟動故障檢測結果符合實際需要。

假定設備在一定時間內啟動的故障信號用f1表示；實際出現的故障信號用f2表示；本周期預期故障信號用f3表示。機電特種設備市場價格用T表示；機電特種設備大部分組件出現故障用M1表示；機電特種設備組件出現故障檢測耗能用N1表示；機電特種設備組件出現故障檢測效率用K1表示；啟動裝置占用耗能用W表示，基于此，設計故障檢測流程，如圖5所示。

圖5 故障檢測流程

按照上述步驟，首先對硬件部分進行了改進，通過框架理論，抽取失效檢測指標進行故障檢測，對軟件部分進行優化，實現機電特種設備啟動故障檢測系統設計。

4 實驗分析

機電特種設備以限速輪為例，對基于骨架理論的機電特種設備啟動故障檢測系統設計合理性進行實驗驗證分析。

4.1 限速輪

安裝限速輪時，首先需要輸入旋轉運動限速輪部件。旋轉限制的輪子將會完全限制它的六個自由度，并把它作為參考部件。由于組件的參考坐標系與參考限速輪的參考坐標系之間的對應關系是隨機的，所以裝配基準坐標系原點位置相對于限速輪旋轉中心存在偏心距。軸線具有一定偏心，不能達到期望運動模擬效果，需要大量約束運算。限速輪參考坐標系重約束，如圖6所示。

圖6 限速輪參考坐標系重約束

選取速度限制輪(10～20 m/s)，將其設置為“浮動”，以表示完整的限制狀態，然后利用其巧合適應特性，將兩個參考坐標系重合的各參考坐標面和參考坐標系組合而成參考坐標系。在完成上述約束后，可將限速輪作為裝配依據，保證裝配的限速輪裝配模型能繞中心軸旋轉，達到預期運動效果。

4.2 實驗評價指標

以系統檢測準確率和召回率為實驗評價指標，計算公式為：

(3)

(4)

上述公式中，ai表示實際標記樣本；bi表示程序標記樣本，precision(ai，bi)值越大，說明系統檢測準確率就越高；recall(ai，bi)值越大，說明系統被召回可能性就越高。

4.3 實驗結果與分析

4.3.1 系統檢測準確率

分別使用直流接地的方法檢測、混合特征相似度計算方法檢測、基于骨架理論方法檢測方法對系統檢測準確率對比分析，結果如圖7所示。

圖7 三種方法系統檢測準確率對比分析

由圖7可知，使用三種方法系統檢測準確率相差較大，重約束前使用直流接地的方法檢測、混合特征相似度計算方法檢測準確率均低于85%，而使用基于骨架理論方法的檢測方法檢測準確率高于85%；重約束后使用直流接地的方法檢測、混合特征相似度計算方法檢測準確率均低于80%，而使用基于骨架理論方法的檢測方法檢測準確率高于85%；裝配后，使用直流接地的方法檢測準確率高達86%，使用混合特征相似度計算方法檢測準確率最高為60%，而使用基于骨架理論方法檢測方法檢測準確率最高為96%。

通過上述對比內容可知，基于骨架理論方法檢測方法檢測準確率較高。

4.3.2 系統召回率

分別使用直流接地的方法檢測W1、混合特征相似度計算方法檢測W2、基于骨架理論方法檢測方法W3對系統召回率對比分析，結果如表1所示。

表1 三種方法系統召回率對比分析

由表1可知，使用基于骨架理論方法檢測方法召回率始終低于0.3，而其余兩種方法法召回率均高于0.5，由此可知，使用基于骨架理論方法檢測方法召回率較低，系統檢測性能良好。

5 結束語

面對傳統故障檢測系統存在的問題，設計基于骨架理論的機電特種設備啟動故障檢測系統。通過設計機電特種設備啟動故障檢測系統硬件和軟件，實現機電特種設備啟動故障檢測系統設計。實驗結果證明，該系統檢測精度高。雖然機電特種設備的初期故障檢測從一開始就已經實現，但是由于機電特種設備很多，所以每個類別包含不同類型。要提高系統穩定性和不同設備穩定性還需要深入研究。