儀器儀表加速失效激發系統的設計

國機傳感科技有限公司 何 方 張 娜 袁 峰 王松亭 常 偉 韓 策 張 凱 金東義

本文針對在儀器儀表智能運維平臺運維策略的制定過程中，需要大量儀表性能下降或故障后的測量數據作為基礎，而目前市場上還沒有成熟的儀器儀表失效激發系統的難題，研發了一款具有儀器儀表性能測試、加速失效激發、智能分析、數據存儲等功能于一體的儀器儀表失效激發系統。

通過本系統，可以通過高溫、濕熱、振動、過量程、過電壓等方式，加速激發儀器儀表失效，使之產生性能下降或故障，并將此狀態下的數據，提供給運維平臺作為數據分析的基礎，對提高儀器儀表智能運維平臺的準確性、可靠性具有十分重要的意義。

1 系統概述

隨著自動化儀表技術水平的進步和流程工業對現場儀器儀表可靠性要求的提高，特別是在航空航天、武器、艦船領域廣泛應用的故障預測與健康管理系統PHM（Prognostic and Health Management）技術在儀器儀表領域的拓展，國外的主要品牌的儀表供應商相繼開發出包括特征識別、故障表征、預測性維護技術的實時在線運維平臺系統。

目前國外主流儀表廠商正在把流程工業主要運行參數（溫度、壓力、流量、液位、電流、電壓、功率、物位、位置、密度）等在線儀表全方位從故障維護、定期維護向預測性維護系統提升，這對流程工業保證長期安全穩定運行意義重大。同時，研究異構數據數快速接入技術，將狀態監測、故障診斷、狀態預測和維修決策多位合成一體，降低故障漏報率和誤報率，提高儀表性能衰減預測精度是十分必要的。

儀器儀表運行特征智能識別、故障表征、預測性維護建模的基礎是數據，只有積累了足夠多的數據，并以這些數據為基礎，對其進行數據挖掘、機器學習，才能提出切實可行的運維策略，才能制定出科學的預測性維護方案。

基礎數據又包含兩方面的內容，即現場運行的正常準確數據和儀表性能下降或故障后的測量數據，而儀表性能下降或故障后的測量數據難以獲得，但儀表性能下降或故障后的測量數據對整個運維平臺數據挖掘、機器學習、算法建模，以至于預測性維護方案的制定都是十分重要的，是必須創造的條件。

目前，市場上還沒有成熟的儀器儀表失效激發系統，來滿足運維平臺對儀表性能下降或故障后的測量數據積累的需要。因此，研發一款具有儀器儀表性能測試、加速失效激發、智能分析、數據存儲等功能于一體的儀器儀表失效激發系統具有十分重要的意義。

2 組成與功能

本文設計的儀器儀表加速失效激發系統主要包括：測控主機、數據采集及控制裝置、高低溫試驗箱、振動臺、壓力控制器、水箱、水泵、繼電器、氣管、電磁閥、各種變送器、變送器工裝卡具等部分。

儀器儀表失效激發系統，共有3種失效激發環境，即：常溫失效激發環境、濕熱失效激發環境、振動失效激發環境，如圖1所示為濕熱環境下儀器儀表失效激發系統組成框圖。

圖1 濕熱環境下儀器儀表失效激發系統組成框圖

常溫失效激發是指將儀器儀表裝配在相應的變送器卡具上，并置于常溫常濕的環境中，對壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表實施的加速失效激發試驗；濕熱失效激發是指將儀器儀表裝配在相應的變送器卡具上，并置于高低溫試驗箱內，通過改變儀器儀表所處環境的溫度及濕度，對壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表實施的加速失效激發試驗；振動失效激發是指將儀器儀表裝配在相應的變送器卡具上，并置于振動臺上，通過改變儀器儀表振動的方向及振動頻率，對壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表實施的加速失效激發試驗。

3 設計方案

本文設計的儀器儀表加速失效激發系統，共包括壓力失效激發分系統、溫度失效激發分系統、流量失效激發分系統、液位失效激發分系統、料位失效激發分系統五個部分。

為了取得多臺變送器同時進行失效激發的數據，同時也為了更好地對不同儀表的數據進行對比，本設計對同一種類的儀器儀表同時激發5臺。對于常溫失效激發試驗和濕熱失效激發試驗采用相同的工裝卡具，對于振動失效激發試驗采用單獨的工裝卡具。

測試人員可以隨時操作測控主機，生成任意時間段的測試情況的統計報表，為儀器儀表預測性維護提供數據支撐。測控主機連接打印機，通過對測控主機的操作可隨時打印任意時間段的測試數據或測試結果的統計數據。為解決不同型號儀器儀表測試參數、測試流程等不完全相同的問題，測控主機可以對測試參數、測試流程進行設置，提高系統的通用性和靈活性。測試人員通過操作測控主機，可以按照不同的時間段、儀表種類等多種方式，生成相應的測試數據報表和統計數據報表，并將測試數據存盤，通過U盤或網絡的方式，將測試數據導出供數據分析系統分析。為確保只有經授權的測試人員才能操作測試系統，測控主機設置啟動登錄界面，需輸入正確的使用者姓名和密碼后方可進入系統工作。

數據采集及控制裝置通過以太網通訊接口與測控主機相連，實時接受測控主機下達的測控指令，通過以太網通訊接口將測試得到的數據上傳至測控主機；RS485通訊接口與壓力控制器相連，通過RS485通訊的方式控制壓力控制器輸出的氣體壓力；通過控制繼電器，進而控制電磁閥的開啟與關閉，實現對5個氣路的控制。

壓力、溫度、流量、液位、料位等變送器接入數據采集及控制裝置，數據采集及控制裝置通過模擬量輸入接口將壓力、溫度、流量、液位、料位等變送器的測量信號傳送至數據采集及控制裝置中。

針對流量變送器的失效激發，數據采集及控制裝置控制繼電器，進而控制水泵的啟動與停止，并通過電磁閥將水注入流量變送器入口端，流量變送器出口端與水箱連接，水循環流回水箱。

通過控制壓力控制器輸出的壓力，以及可調節電源輸出的電壓，可以對變送器施加過量程、過電壓的實驗，從而實現加速失效的激發。

測控主機可以與本地路由器相連接，通過有線的方式將測控主機接入以太網，也可以與無線通訊模組相連接，通過無線的方式將測控主機接入以太網；測控主機采集的數據通過以太網，以TCP/IP協議的方式傳送至遠端的網絡服務器；網絡服務器對測試數據進行分析、處理，測試人員通過瀏覽器或動態顯示屏即可實現對測試數據的實時查詢。網絡通訊及數據傳輸如圖2所示。

圖2 網絡通訊及數據傳輸框圖

通過對本系統的實際應用，實現了對壓力、溫度、流量、液位、料位等儀表加速失效激發的目的，獲得了性能下降狀態下的數據，為運維平臺準確、可靠的分析的創造了有力的條件，對平臺算法建模具有十分重要的指導意義。