机电设备自动化故障诊断系统设计

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计算机自动化
机电设备自动化故障诊断系统设计
梁 辉
（河南中原黄金冶炼厂有限责任公司，河南　三门峡　４７２０００）
摘 要：为解决传统机电设备自动化故障诊断系统存在的精准度低、效果差的问题，提出了对自动化故障诊断系统进行优化设计方案，通过对机电设备自动化故障诊断系统的软硬件结构的优化设计，建立数据采集层、服务器层、命令交互层，并选用光时域反射仪ＮＫ２０００故障光纤测试仪ＯＴＤＲ等作为系统硬件，通过信号转换为光信号形式，再经过光纤耦合器转换为电信号形式进行诊断。

利用主动轮询采集方法采集故障数据，然后设立模块处理大量信息，最后利用模糊推理的方法定位故障位置，完成故障诊断系统的设计。

关键词：机电设备；自动化；故障；诊断
中图分类号：ＴＨ１６５．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）０３－００２４－２
Design of Automatic Fault Diagnosis System for Electromechanical Equipment
LIANG Hui
（Ｈｅｎａｎ　Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｇｏｌｄ　Ｓｍｅｌｔｉｎｇ　Ｐｌａｎｔ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ．，　Ｓａｎｍｅｎｘｉａ　４７２０００，Ｃｈｉｎａ）
Abstract:　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，　ａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｄａｔａ．　Ｔｈｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ，　ｓｅｒｖｅｒ　ｌａｙｅｒ，　ｃｏｍｍａｎｄ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ，　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ　ＮＫ２０００　ｆａｕｌｔ　ｆｉｂｅｒ　ｔｅｓｔｅｒ　ＯＴＤＲ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ．　Ｓｉｇｎａｌｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｕｐｌｅｒｓ　ｆｏｒ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ．　Ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｌｌｉｎｇ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｆａｕｌｔ　ｄａｔａ，　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａ　ｌａｒｇｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｌｏｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．
Keywords: ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；　ｆａｉｌｕｒｅ；　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
随着社会的发展和科学技术的不断进步，机电设备自动化水平有了飞速的提升，数字化、智能化的自动化机电设备功能完善，在工业生产、信息通讯和人们生活领域的各种家用电器等各个领域得到了广泛的应用，促进了我国社会经济建设的快速发展[1]。

机电自动化设备在长期运转中，难免会发生故障问题，而一般情况下，高科技的机电设备运行稳定，出现故障的概率较低，但是由于受工作环境、操作失误或其它因素的影响，尤其当设备接入各种各样的元件时，容易引发故障的情况。

在一些大型电气工程自动化设备中，如果一旦发生故障，就会导致整个生产线直接瘫痪，造成停工停产的严重后果，使企业经济遭受重大损失。

而传统的电气工程设备故障自动诊断系统存在诊断不精准、耗费时间长、诊断效果差等问题，不能满足现代电气工程设备故障自动诊断的高效性要求，因此必须设计一套完善的、高效率、性能稳定的故障诊断系统，满足现代机电自动化设备故障诊断的需求。

1 机电设备自动化故障诊断系统硬件结构设计在优化机电设备自动化故障诊断系统设计时，针对传统诊断系统存在的问题，对诊断系统的硬件结构进行优化设计。

采用故障检测和记录机电设备故障检测系统的性能，利用网络通信监视设备运行时的故障情况，一旦发现故障情况可以进行及时的诊断与维护。

通过建立用户登录模块、数据管理模块、模型管理模块、故障检测模块、系统管理模块的设计，完善了系统硬件结构[2]。

用户登录模块可以防止非法用户的入侵，维护系统安全；数据管理模块负责数据的采集和管理，完成与外部网络之间的数据传输；模型管理模块对检测、诊断与维护的数据存储管理，为网络故障检测调用提供方便；故障检测模块分为故障检测和检测结果两部分，通过对移动网络通信运行状态的分析，给出具体优化方案；系统管理模块负责对系统用户的管理，确保整个系统能够安全稳定的运行[3]。

机电设备自动化故障诊断系统硬件结构如图1所示，主要包括三层。

图1 机电设备自动化故障诊断系统硬件结构诊断系统硬件结构是由数据采集层、服务器层和命令交互层组成，各层中分别设有相关的驱动服务器，其中数据采
收稿日期：２０２０－０１
作者简介：梁辉，男，生于１９７５年，汉族，河南三门峡人，本科，工程师，研究方向：工业电气、设备、仪表自动化。

世界有色金属 2020年 2月上
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集层设有激光光源、OTDR和功率计，激光光源是一种驱动白光光源的宽谱光源，是一款稳定性高、零度高、寿命长的宽谱光源，经过连续激光直接加热可以产生高效宽频谱光，波长范围在1700nm~2100nm左右，具有稳定性高、零度高、使用寿命长的特点；OTDR为一款5.7英寸彩色触摸屏、可以同时进行双操作模式的故障光纤测试仪，集稳定光源、光功率计、红光笔和光眼于一体，利用以太网接口实现远程控制，也可通过不同USB接口实现数据通信；BK-034功率计即插即用，当过载报警值低于最大负载功率时，屏幕显示ERR报警，此时应禁止退出设置。

服务器层设有主服务器和备份服务器，两个服务器在同一通信网络下共同检测故障信号后，向数据采集层的OTDR发送检测命令，将监测的信号利用切换光开关传输到异常网络之中，OTDR将测试结果返回给服务器，最终确定故障位置，并将数据存储到服务器端。

命令交互层包括操作终端和移动终端，用户通过移动终端与服务器相连进行界面操作，能够防止多个客户端同时进行操作。

在系统故障诊断过程中，通过数据采集模块将采集的故障信息发送到智能体中进行预处理，数据经过预处理后可以满足故障信息确定的要求。

预处理后的数据在正常状态下对网络设备参数指标进行检测，采用故障分析法判断网络设备状态，及时发现故障情况。

一旦出现故障情况，故障排除系统会根据系统发出的报警信号，根据各个单元模块信息和网络拓扑结构，并对大型局域网内部的数据流、接口利用效率、信息传输时延等特性进行分析判断，确定正确的故障位置，及时有效的诊断与排除，避免引发重大的故障情况，影响企业正常的生产工作。

在网络通信测试之中，OTDR硬件工作原理与雷达极为相似，通过在网络通信过程中的散射角度，将测试所需的激光脉冲添加到通信网络之中，其硬件结构主要包括信号处理器、网络信号发射机、网络信号接收机、光纤耦合器等。

信号处理器负责处理网络信号，可以形成互补码序列；网络信号发射机将网络信号转换为光信号并传输到网络线路上；网络信号接收机将光信号转换为电信号传输到信号处理器之中。

OTDR工作过程为：通过信号处理器的互补码，可将网络信号发射机发射的信号转换光信号形式，经过光纤耦合器可将光信号转换为电信号传输到背向回波存储器之中，利用光纤耦合器反馈到信号接收机之中，判断通信网络传输特性，检测出现故障的信号。

2 软件部分设计
系统软件部分的设计，主要根据故障诊断系统的设计要求进行功能设计，应具备现场机电设备运行状态的平面动画显示，实现故障在线监控，并具备统计分析功能，及时确定正确位置对故障进行排除。

近年来，随着人工智能技术的快速发展，除了采用神经网络故障排除法、专家库网络故障排除法、逻辑判决法等诊断方法，基本上都采用人工智能故障排除方法，能够精准快速地判断出故障的情况和位置，可以进行及时有效的诊断维修。

故障诊断流程：
在机电设备自动化故障诊断系统流程设计中，根据设备故障的层次进行分层次设计，实现合理的逻辑控制流程。

通过对不同时段、类型的故障数据进行分析比对，获取故障的准确位置，并对位置点输入。

尽可能将最底层故障输入信息程序中，以便获得更多的故障检测信息，能够实现快速故障诊断。

利用模糊推理的方法对故障位置进行确定，并与之前案例相对比，结合共性设计故障诊断流程，如图2所示。

图2 故障诊断流程图
在故障诊断过程中，先将故障信息数据进行预处理，并把确定的故障数据输入到模糊综合评价模块之中，利用模糊推理技术生成模糊推理模型。

通过对所检测的信息特征的分析，判断系统的运行状态，如果出现网络异常数据情况，则需考虑数据异常的警告信息，并进行反向模糊推理，依据历史故障排除信息进行综合判断。

报警信息的警告级别不同，在不同显示模块上采取不同的显示颜色作为警告标志，通过不同的显示来确定故障信息的级别。

报警信息利用主动轮询采集方法，将采集的结果传输到数据层中进行储存，其中包括基本参数、设备信息、网络运行状态信息等，在服务器特定格式下进行检测，获取目标设备各种性能数据。

将采集到的数据值与设定阈值进行对比，如果采集的数据值超过阀值范围，就会生成相应的故障报警信息。

3 结语
机电设备自动化故障诊断系统利用相关的检测方法和监视诊断手段，通过对所检测信息特征的分析，判断系统工况状态，及时发现故障并采取合理的维护措施。

故障诊断系统具有强大的可编程的控制器设计，能够将信号模式转换为数值模式，进行多个运行参数、设备状态以及故障信息的传输，实现对大量数据的交换和实时的控制。

机电设备本身可靠性极高，故障诊断系统设计采用OTDR作为系统硬件不仅能够提供内部各种信号的转换，还能对外部故障进行诊断，有效预防事故的发生，保证了机电设备的效率和运行的安全可靠性。

[1] 石云龙.智能化楼宇自动化控制系统机电设备安装施工技术分析[J].科
技与创新,2017(16):61-62.
[2] 刘振华,徐绪堪.基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台设计[J].工
矿自动化,2019,5(4):101-104.
[3] 文龙.探讨机电一体化设备诊断技术[J].科技展望,2017,27(1):00234-
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