電動執(zhí)行器根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的給定信號與位移反饋量之間的偏差控制電機(jī)運(yùn)行，通過變速及傳動機(jī)構(gòu)輸出角位移或直線位移，實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥開度的自動控制。
目前，電動執(zhí)行器正向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，執(zhí)行器的故障診斷與保護(hù)越來越受到重視。根據(jù)自動化生產(chǎn)的要求，研制了一種以微處理器為核心，具有現(xiàn)場總線通信功能的新一代網(wǎng)絡(luò)化智能電動執(zhí)行器(net worked electrical actuator，NEA)。
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器功能豐富，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文在分析網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器原理及故障特征的基礎(chǔ)上，探討了網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的故障特征信息提取方法和模糊信息融合技術(shù)，提出了基于規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自診斷與自保護(hù)方法，通過斷信號故障、通信故障、過載故障等典型故障的判別與保護(hù)，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。
2 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器及故障特征
2.1 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器、現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器、便攜式控制器和上位機(jī)系統(tǒng)等4個部分?，F(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場總線接口轉(zhuǎn)換的器件，使網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器可以匹配各類型過程控制系統(tǒng)。便攜式控制器是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器各項(xiàng)參數(shù)快速簡便設(shè)定的設(shè)備，可以通過紅外通信實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)?；?a href="http://www.jrdun.cn/subject/s866.html" target='_blank' title='虛擬儀器'>虛擬儀器技術(shù)的上位機(jī)系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器遠(yuǎn)程管理平臺，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的實(shí)時遠(yuǎn)程操作和管理。
圖1 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器在調(diào)試或運(yùn)行時，可以由便攜式控制器與網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)紅外通信，也可以通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)與多個網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的連接。通過便攜式控制器或上位機(jī)系統(tǒng)可以設(shè)定電動執(zhí)行器的運(yùn)行參數(shù)，并對電動執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。與傳統(tǒng)電動執(zhí)行器相比，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器具有網(wǎng)絡(luò)化管理功能、故障自診斷與自保護(hù)功能，上位機(jī)可以通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)對多臺電動執(zhí)行器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理。
2.2 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障分析
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器是典型的機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)，其故障主要包括機(jī)械、電子兩方面的硬件故障(含復(fù)合故障)和軟件故障。在網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的實(shí)際檢修過程中，一般根據(jù)故障發(fā)生部位的不同，將故障劃分為外部故障和內(nèi)部故障兩種類型。
如表1所示，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的外部故障包括斷信號故障、通信故障和過載故障。斷信號故障、通信故障可能導(dǎo)致執(zhí)行器與調(diào)節(jié)器、上位機(jī)之間信號傳送錯誤，引起執(zhí)行器誤動作，損壞設(shè)備；過載故障可能會導(dǎo)致執(zhí)行器電機(jī)堵轉(zhuǎn)而燒壞。
表1 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器外部故障分析
如表2所示，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的內(nèi)部故障包括控制單元故障、制動故障、電機(jī)及驅(qū)動單元故障、機(jī)械傳動故障。電動執(zhí)行器的內(nèi)部故障可能導(dǎo)致電動執(zhí)行器運(yùn)行異常，不能正確執(zhí)行動作，嚴(yán)重時還將損壞過程控制系統(tǒng)中的其他設(shè)備，導(dǎo)致過程控制系統(tǒng)癱瘓。
表2 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器內(nèi)部故障分析
結(jié)合實(shí)際檢修經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障具有以下特點(diǎn)：1)網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器構(gòu)成復(fù)雜，其故障很難用某種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述；2)同一故障現(xiàn)象可能有多種故障原因，而同一故障原因也可能有不同的故障現(xiàn)象；3)網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的故障原因與故障現(xiàn)象之間的關(guān)系具有一定規(guī)律，在研發(fā)、生產(chǎn)和使用人員大量的實(shí)踐基礎(chǔ)上可總結(jié)出行之有效的診斷經(jīng)驗(yàn)與保護(hù)方法。
3 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自診斷
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的故障自診斷流程如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器采用模糊信息融合方法實(shí)現(xiàn)故障自診斷，執(zhí)行器根據(jù)故障自診斷的輸出選擇預(yù)設(shè)的故障自保護(hù)措施。
圖2 自診斷與自保護(hù)流程
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自診斷是在大量先驗(yàn)知識的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障特征信息和執(zhí)行器預(yù)設(shè)運(yùn)行參數(shù)，采用模糊信息融合技術(shù)，實(shí)時對網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器工作過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象作出準(zhǔn)確判斷，為網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器
實(shí)時故障自保護(hù)提供決策依據(jù)。
3.1 故障特征模糊信息融合
電動執(zhí)行器工作環(huán)境大多十分惡劣，一般是密封安裝，因此不便于增加新的故障特征信息采集單元。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障特征信息主要來自電動執(zhí)行器運(yùn)行過程中自身各類信號量包含的設(shè)備信息和狀態(tài)信息，如電機(jī)溫度、電機(jī)工作電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置傳感器輸出值、給定信號量、運(yùn)行時間、通信數(shù)據(jù)包等，獲取方式如表3所示。
表3 故障特征信息及獲取
信息融合可分為3個層次：像素級融合、特征級融合和決策層融合。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器每種故障特征信息反映的故障原因都不同，且相互間關(guān)聯(lián)程度不同。根據(jù)各故障特征信息的關(guān)聯(lián)程度及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文將故障特征信息劃分為2組，一組為電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、時間；另一組為位置量、給定量、通信數(shù)據(jù)包、時間，采用特征級模糊信息融合方法，分別對兩組故障特征信息進(jìn)行融合，模型如圖3所示。
圖3 故障特征信息融合模型
根據(jù)模糊信息融合原理，首先需要對故障特征信息進(jìn)行模糊化處理。確定隸屬函數(shù)的方法有多種，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障特征的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文將故障特征信息劃分為小、很小、正常、大、很大5個檔級，選取正態(tài)分布函數(shù)作為隸屬函數(shù)。
小、很小檔級，服從降半正態(tài)分布函數(shù)：
(1)
正常檔級，服從正態(tài)分布函數(shù)：
(2)
大、很大檔級，服從升半正態(tài)分布函數(shù)：
式中：μ(x，g)為隸屬度函數(shù)；x為論域中的元素；g為檔級；c，k分別為修正值和特征值，與故障特征信號有關(guān)。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障統(tǒng)計(jì)信息，選取故障特征信號的系列特征值作為隸屬函數(shù)分段劃分點(diǎn)依據(jù)，表4列出了5級模糊算子特征值。表5是典型故障的故障特征參數(shù)。
表4 故障特征信號典型特征值
表5 典型故障特征參數(shù)
對故障特征信息運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論和可信度方法進(jìn)行推理，輸出一個定性的模糊結(jié)論。其模糊信息推理規(guī)則可表示為：
(4)
式中：規(guī)則的觸發(fā)條件中的Pkj(Pk1，Pk2，.，Pkm)表示故障特征信息的語言值；tkj為第k條規(guī)則第j個語言值的隸屬度值；Qk表示規(guī)則所得結(jié)論，CFk表示第k條規(guī)則的信任程度。
如電機(jī)溫度T、電機(jī)轉(zhuǎn)速S、電機(jī)工作電流I、電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率SC，這4個故障特征信息進(jìn)行模糊融合得到模糊判定結(jié)論U的某條規(guī)則可采用如下語句：
式中：μTi、μI、μSi、μSCi分別表示溫度、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率的隸屬度；Ti、Ii、Si、SCi分別表示溫度、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率的語言值；CF為該規(guī)則的可信度。
以一個實(shí)例進(jìn)行說明：
If μT1：0.8，T1：溫度高，∧μI：0.6，I1：電流大，∧μS1：0.9，S1：轉(zhuǎn)速低，∧μSCi：0.7，SC1：無轉(zhuǎn)速變化，
Then 電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)性過載導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)(0.9)
根據(jù)模糊推理與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到系列規(guī)則表(見表6)，特定工況下故障特征信息量經(jīng)過模糊推理后與規(guī)則匹配，得到融合結(jié)果。通過對故障特征信息進(jìn)行模糊信息融合，得到對執(zhí)行器各部分運(yùn)行狀態(tài)的初步描述，為后續(xù)的故障自診斷提供依據(jù)。
表6 某故障特征模糊融合
3.2 基于規(guī)則的故障自診斷
由于網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器可能出現(xiàn)故障較多，知識規(guī)模龐大，但另一方面網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的故障特征經(jīng)過信息融合處理后具有直接可推理性，在本文中考慮到網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障診斷與保護(hù)的實(shí)時性，采用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)進(jìn)行故障自診斷?；谝?guī)則的專家系統(tǒng)中推理機(jī)把事實(shí)(故障特征信息的融合結(jié)果)與知識庫中規(guī)則的先決條件(預(yù)設(shè)狀態(tài))進(jìn)行比較，激活相應(yīng)規(guī)則，得到專家系統(tǒng)評判結(jié)果。
本文中的網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障診斷專家系統(tǒng)中的知識庫是由生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，是一系列的故障判斷規(guī)則的集合。如有下面的診斷規(guī)則：
If 電機(jī)正常 and 執(zhí)行器不動作 and 運(yùn)行時間異常
Then 傳動機(jī)構(gòu)故障
為提高網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自診斷的實(shí)時性，需要對專家系統(tǒng)中的知識庫進(jìn)行梳理、簡化，形成簡明規(guī)則，便于網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的微處理單元編程實(shí)現(xiàn)。參見表7，根據(jù)前文所述的故障特征模糊信息融合方法與規(guī)則推理方法，針對網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器總結(jié)出故障自診斷規(guī)則。
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障特征信息融合與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相結(jié)合，大大簡化了專家系統(tǒng)中知識庫的規(guī)則數(shù)量，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時故障診斷提供了保障。
表7 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自診斷與保護(hù)規(guī)則
4 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的故障自保護(hù)
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自保護(hù)是根據(jù)故障自診斷結(jié)論，按照預(yù)設(shè)的規(guī)則采取故障自保護(hù)措施。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的自保護(hù)方法包括硬件保護(hù)與軟件保護(hù)。硬件保護(hù)是指故障的發(fā)生引起硬件保護(hù)設(shè)備動作，是一種不可自行恢復(fù)的保護(hù)方法，即故障排除后需人干預(yù)才能恢復(fù)正常工作。軟件保護(hù)是對故障特征信息進(jìn)行模糊信息融合、專家診斷與知識推理后采取軟件保護(hù)措施，由微處理器完成相應(yīng)工作，是一種可自行恢復(fù)的保護(hù)方法，即故障排除后執(zhí)行器可自行恢復(fù)正常工作。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器軟件故障自保護(hù)規(guī)則見表7。
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器軟件自保護(hù)流程是根據(jù)故障的特點(diǎn)及執(zhí)行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的微處理器單元根據(jù)預(yù)設(shè)的狀態(tài)參數(shù)和自診斷故障類型，按照一定的自保護(hù)流程控制相應(yīng)的單元進(jìn)行動作。參見圖4，程序進(jìn)入自保護(hù)子程序后，首先對自診斷輸出結(jié)果進(jìn)行判別，識別故障類型。程序?qū)⒏鶕?jù)故障類型自動調(diào)用對應(yīng)的故障保護(hù)動作子函數(shù)，并聲、光報(bào)警提示。
圖4 故障自保護(hù)軟件流程
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器硬件自保護(hù)所針對的故障主要是控制單元故障、制動故障。硬件自保護(hù)裝置主要是行程開關(guān)和繼電器。根據(jù)具體工況條件，在網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器安裝調(diào)試時將行程開關(guān)安裝在允許行程的上下限位置處。執(zhí)行器運(yùn)行越限時，行程開關(guān)被觸發(fā)，通過繼電器強(qiáng)行切斷執(zhí)行器電源，保證執(zhí)行器運(yùn)行不越限。故障排除后，將行程開關(guān)手動復(fù)位后網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器可恢復(fù)正常運(yùn)行。此外網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的通信端口需要采取光電隔離和過壓、過流保護(hù)措施，以防止意外損壞。
軟硬件故障自保護(hù)方法中，軟件故障保護(hù)實(shí)質(zhì)上是一種提前預(yù)保護(hù)，硬件故障保護(hù)是保證網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器與過程控制系統(tǒng)**的*后防線，兩者的有機(jī)結(jié)合能夠充分發(fā)揮彼此的長處，有效預(yù)防事故的發(fā)生。
5 結(jié)論
隨著嵌入式系統(tǒng)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、智能化的電動執(zhí)行器必將成為電動執(zhí)行器的發(fā)展方向。在已有電動執(zhí)行器的基礎(chǔ)上，本文給出了一種網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)，并綜合運(yùn)用信息融合技術(shù)、專家系統(tǒng)、故障保護(hù)技術(shù)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器故障自診斷與自保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法，提高了電動執(zhí)行器的可靠性。該網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器自2005年在湖南維特科技發(fā)展公司投入使用以來，運(yùn)行狀況良好，能實(shí)時自診斷出網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障并進(jìn)行自保護(hù)，提高了電動執(zhí)行器的可靠性，受到用戶的好評。
公安機(jī)關(guān)備案號：
