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【摘要】該文介紹一種新型的智能設備－AS系列電動閥門執行器的原理、組成和功能。并在總結該領域專家經驗和知識的基礎上，利用專家系統理論建立故障診斷系統．通過GSM技術實現時該設備的遠程故障診斷。同時對該設備的典型故障進行故障建模和仿真，從而確定故障特征，實現故障診斷和檢測。
0.引言.
閥門執行器作為一種控制設備，在石油、化工、天然氣、水污染處理等眾多工業領域，得到廣泛應用。當前國內現代化的大型企業多采用英國Rotork公司或美國Limitorque公司生產的閥門執行機構，國內產品尚不能完全滿足用戶的要求。同時，國內設備的故障診斷和維護仍沿用傳統的人員現場診斷和維護方式，一旦設備出現破障，就需要專門人員進行現場診斷和維修，這對于用戶特別是異地用戶將大大增加維護時間和成本。本文所要介紹的是國內自主開發的、基于現場總線、功能較為完善的AS系列全智能電動閥門執行器及利用遠程通信技術對該設備的遠程故障診斷技術的研究。通過遠程故障診斷技術的應用，實現“移動的是數據而不是人”，從而改變一旦設備發生故障，診斷維護人員就疲于奔命的被動局面。

1.設備原理
作為閥門的執行器，最基本的要求是對閥位和扭矩進行精確的檢測和控制。AS系列執行器利用霍爾效應脈沖計數器實現對閥門行程的準確測量。其實現過程如下：通過機械傳動裝置將計數軸與執行器的傳動軸相連，傳動比為4:1。在計數軸上安裝一個三對極的圓形磁鐵，形成磁場。霍爾開關垂直于磁鐵安裝。當傳動軸帶動計數軸旋轉時，形成旋轉可變垂直磁場，通過霍爾開關內部的電壓發生器產生脈沖信號。相對于傳動軸轉一圈，霍爾效應脈沖計數器輸出24個脈沖信號。由于傳動軸角位移θ與其軸向位移d之間為線性夫系：d＝Kxθ（其中：K為一常數），因此通過時霍爾開關產生脈沖信號計數就可實現對閥位的測量。其原理圖如圖1、圖2所示。




圖1 閥門行程測量原理示意圖
圖2 霍爾開關功能方框圖
同時，在傳動軸上加裝有壓力傳感器測量該軸的切向力，利用已測得的閥位就可計算出當前扭矩值，實現扭矩的測量。

2.組成
AS系列執行器由電機、端子室、控制部件、機械傳動裝置四個部分絹成。
其中，電機是專為閥門執行器設計的低慣性、大力矩三相電動機，并內置有壓力傳感器和熱保護探頭，可保證電機在高溫或過力矩條件下安全運行。
端子室是用于擺放接線端子的艙室，在外端蓋與內部的接線端子塊均采用O型圓端面密封，形成獨特的雙密封結構�，F場接線時，即使是在下雨的環境中打開端子室外端蓋，也能保證內部的電器元件不受影響。
機械傳動部分，在很多關鍵部位采用了非穿透式設計，保證了外殼的完整性。
控制部分，其總體結構如圖3所示。


圖中①～⑤為執行器控制部分的基本組成單元，⑥～⑧為可選配單元，根據任務的不同，任選其中之一。

3.功能
1）閥門閥位和力矩的精確測量與控制；
2）總結控制和通信功能；
3）自診斷和報警，電池電壓過低、三相電丟夫和缺相、行程中力矩超限、指度超限、電機空轉等故障自動發出報警信號；
4）相讓自檢：接線時無需考慮三相電的相序問題，內置的相同步器會自動監視三相電源的相序，一旦出錯，自動糾正；
5）安全保護功能：包括電源掉電、電機過熱、過流和瞬時逆轉、閥門堵塞等功能。
6）中斷定時開關閥門：利用內部時鐘實現定時控制；
7）ESD功能（Emergency Shutdown Device)：在突發情況下，按下ESD開關，AS執行器將執行ESD預設動作，保障設備及人員安全；
8）聯鎖功能：實現信號的互鎖，即只有在兩個控制信號都時，才會執行相應的動作；
9）模擬控制功能：利用模擬信號進行控制；
10）多種遠程通信方式實現控制和破障診斷�？赏ㄟ^總線網（通過外部的Internet）、便攜式電腦、或GSM手機均可實現遠程通信和診斷。

4.遠程故障診斷
隨著信息技術、通信技術的迅猛發展所出現的遠程故障診斷技術己是當今診斷技術領域發展的一個重要方向。設備的遠程監測和診斷是計算機科學、通信技術和故障診斷技術相結合的一種設備診斷方式，要建立一個遠程故障診斷專家系統，首先必須建立起一個本地的破障診斷專家系統。
4.1 本地故障診斷
1）故障診斷專家系統絹成結構
該系統由知識庫、推理機、知識獲取子系統、解釋子系統、實時數據庫、歷史數據庫等六部分組成，其基本結構如圖4所示。


2）診斷系統各組成部分的功能
①知識庫 存儲知識。在知識庫中，經驗知識都是以規則形式進行描述的。根據不同的配置情況建有不同的知識庫。在本系統中就有Base+RCB、Base+RCB+CCU、Base+RCB+APC、Base+RCB+APT/ATT、Base+APC等五種不同功能組合的知識庫。（Base是指AS執行器的基礎必備模塊）。
②推理機 實現故障診斷的邏輯推理。本系統采用正向推理。
③知識獲取子系統 實現對知識的修改、添加、刪除等功能。為保證系統的正常工作，對知識庫的變動加以權限限制，只有獲得修改權限的人員才能對知識庫進行修改。
④解釋子系統 對診斷過程和結果進行解釋。通過該系統既為用戶給出清晰的推理思路，又可為知識工程師檢查診斷系統的錯誤（Bug）提供很好的接口。現采用預置文本法和追蹤路徑解釋法。
⑤實時數據庫 存儲診斷所需的參數、執行器的故障現象、來自執行器的報警類型、推理的中間結果和診斷結果等，同時還需對推理路徑加以標記，為診斷的解釋做好準備。
⑥歷史數據庫 它包括與執行器相關的許多參數，如執行器型號、電機類型、電機功率、功能配置、出廠日期、使用者等。通過該數據庫可獲得診斷所需的一些必要參數。
3）診斷流程
開始診斷時，需知道執行器的功能配置，才能選擇正確的知識庫進行診斷推理。為此，系統需要讀取歷史數據庫或由用戶通過人-機交互界面輸入。在在線診斷的情況下，可通過硬件檢測的方法獲得配置情況，當得到必要的參數信息后系統才可以正常工作。假設某一規則有J個前提，知識庫共育K條規則，其診斷流程如圖5所示。


4）診斷規則（以Base+RCB為例）
根據經驗總結以下15條規則：
規則1 如果有力矩超限報警，且閥門處流體流動不暢，則閥門堵塞；
規則2 如果有電池電壓低的報警，且更換電池時間未超過一年，則電源板有破障；
規則3 如果液晶無顯示，且無電池電壓低報警，且電機正常工作，則液晶模塊故障；
規則4 如果電機不能正常工作，且無掉電報警，且無溫度超限報警，則電機故障；
規則5 如果外接手動開關失效，且無法用面板旋紐代替控制，則RCB單元故障；．
規則6 如果外接手動開關失效，且可以用面板旋紐代替控制，則外部接線錯誤；
規則7 如果繼電器R1～R4無輸出，且執行器仍能正常運行，則外部接錢錯誤；
規則8 如果狀態指示燈指示錯誤，且閥位顯示錯誤，則計數器故障；
規則9 如果狀態指示燈不亮，則指示燈故障；
規則10 如果紅外設定器失效，且設定器的電池使用時間較長，則設定器的電池電量不足；
規則11 如果紅外設定器失效，且設定器的電池電量充足，且液晶顯示正常，則紅外設定器電路故障；
規則12 如果液晶畫面混亂，且手動控制正常，則內部屏蔽線損壞；
規則13 如果中斷計時器失效，則MCU故障；
規則14 如果面板旋紐失效，且紅外控制，則于簧管或磁條損壞；
規則15 如果電機運行而閥位顯示無變化，且無力矩超限報警，且無電機空轉報警，則計數器故障。
以上規則已包含了AS執行器的大部分常見故障，同時用戶還可通過人-機交互界面，在總結自身經驗的基礎上形成新的規則，加入知識庫，不斷完善該診斷系統的診斷功能。
4.2 遠程故障診斷
在實現本地故障診斷的基礎上，我們進一步開發、設計了基于GSM的遠程故障診斷系統。當前的遠程故障診斷系統多采用基于Internet的遠程通信方式，如首都國際機場油庫儲油罐使用的荷蘭Enraf公司的液位計就可通過底層工業網將數據傳送到系統的上位機，然后利用外部的Internet將相關數據送至設備生產廠商，由廠商進行故障診斷后，將診斷結果和故障解決策略回傳至用戶，完成故障診斷。但是對于閥門執行器這類常用于野外的設備而言，基于Internet的遠程診斷方式則存在看一些不足之處：
1）故障設備必須能夠直接或間接接入Internet，診斷中心才能獲取診斷所必需的數據，進行故障診斷；
2）網絡繁忙時，不利于故障的實時診斷
3）系統實現較為夏雜
而使用GSM通訊方式的遠程故障診斷系統則可克服以上不足之處。
基于GSM的遠程故障診斷系統總體結構如圖6所示。


由圖6可知，基于GSM的遠程故障診斷系統包括設備狀態信息采集及處理模塊、監測診斷模塊、通信模塊和診斷中心服務器。其中，設備狀態信息采集及處理模塊完成數據采集、必要的數據處理和模塊間的數據通信功能；監測診斷模塊完成設備狀態監測，簡單的故障診斷和報警、歷史數據存儲以及必須的數據通信功能；通信模塊主要完成遠程通信任務；診斷中心服務器主要用于實現診斷服務，并提供友好的人-機交互界面，實現專家會診。其遠程診斷流程如圖7所示


5.典型故障仿真
電機堵轉是執行器的常見典型越障。如果閥門由于某種原因被卡死，此時控制執行器打開閥門，很可能因為負載過大使得電機堵轉，造成電機中出現電流過載，時間過長會燒毀電機，因此必須檢測電機電流，在閥門卡死時，及時保護電機，并發出報警信號。
為了對這一關鍵參數的故障機理進行更好的研究，把握故障實質，有必要對此故障進行故障建模。實際上由于過載條件下造成的電流過載導致電機破障，所以對其進行建模就是建立電機輸出轉矩T與電機電樞電流i的對應關系。對于三相異步電動機，根據T形等值電路的概念可知，轉子的電磁功率Pem和電磁轉矩Tem可表示為：


式中：m1：相數；I’2:轉子折合電流值；r’2：轉子折合電阻；s：轉差率；P：電機極對數；f1：電源頻率。
利用戴維南定理簡化電機電路，忽略一些次要條件進行簡化計算，由（1）、（2）兩式可得：




計算極值并將電機參數帶入可得：Temmax＝8.6N.m，I’2＝6.17A利用Ansoft軟件進行仿真，t＝0時預加一個初始力矩TL＝90N.m作為負載，仿真結果如圖8所示。


利用力矩轉臺加載轉矩，取TL＝239.0N.m（機械部分有40:1的減速比）模擬閥門卡死條件，通過霍爾電流傳感器實測電機過載電流圖如圖9所示。


對于電機堵轉這類越障，關心的是電機電樞電流的幅值，即電流大小。通過對故障模型的仿真，可以看出在過載條件下，電機電樞電流的峰值大致為18A，相對于電機在額定轉矩下正常運行的的6～8A電流，這是一個可檢測的故障特征量，同時由于過載條件維持的間較長（一般是幾秒），從而可利用此條件區別電機過載電流和電機啟動電流（一般為毫秒級），從而避免誤診斷。實測曲線說明了故障模型的仿真結果與真實情況基本符合，我們所建立的故障模型是合理的，仿真方法是可行的。正是在此基礎上我們利用傳感器對電機輸入電流的檢測，設計相應電路實現對電機過流故障的報警，完成對此故障的診斷和監測。

6.小結
根據測試階段的測試驗證，上述診斷系統能夠對目前所知的常見故障進行迅速、準確地診斷，這說明知識庫建造、知識表示與獲取、控制策略和推理機設計是完全可行的。遠程通信的調試工作已完成，很快可進行系統聯調。但該系統也存在有一些不足之處，主要表現在：系統診斷過程中，淺知識使用較多，深知識利用不足，從而造成診斷系統的解釋能力不足；系統知識庫未能包含診斷對象——AS系列執行器的全部故障信息，因此需要在今后的使用中不斷對該診斷系統加以修正和完善。同時，對于GSM通信技術，在GSM網絡的盲點處將無償使用該方法對設備進行故障診斷。

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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設備有限公司