煙草制絲電氣故障模擬診斷臺的構建方案與應用

周全

摘 要：目前制絲車間的生產已基本全部實現了機械化，通過PLC技術的應用很多制絲生產的過程中都已經實現了自動化，但是在煙草制絲生產實踐的過程中經常發生電氣故障，這些故障嚴重影響制絲生產的正常進行，對于故障的診斷與維修需要花費大量的時間，針對這個問題對煙絲制絲過程中的故障診斷系統進行了研究，對煙草制絲故障診斷系統整個架構進行了設計和搭建，并對每個環節設備組成和作用進行詳細的討論和分析，為煙草制絲電氣故障診斷系統的建立提供理論依據和實踐基礎。

關鍵詞：煙草制絲；電氣故障；診斷系統；方案

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）12-0014-02

1 概 述

隨著工業自動化技術的出現和發展，以PLC技術為代表的工控技術已經得到了長足的進步。工控PLC技術為代表的控制系統在工業領域中得到了十分廣泛的應用，為實現工業生產領域中的自動化做出了十分突出的貢獻。在工業領域中的控制技術中現場總線是不可或缺的一個重要的環節，現場總線是工控中的通信和數據傳輸的載體，目前所使用的現場總線都是以網絡為主的自動化分布式現場總線技術。

在煙草的制絲的過程中經常會發生一些電氣故障，在故障發生之后需要對故障的類型進行判斷，然后根據故障的類型排除故障，在目前的制絲過程中所產生的電氣故障絕大多數都是使用人工來完成的，對于制絲過程中的電氣故障的診斷大多數還是依靠工作人員的經驗，這在很大程度上取決于工作人員的個人經驗，故障是否能夠及時排除事關制絲生產是否能夠正常進行，如診斷故障以及排除故障需要花費大量的時間就會在很大程度上影響整個制絲生產的進度，而對于電氣故障類型的診斷目前雖然有很多成熟的算法模型，但是很多這種研究僅僅是停留在理論的階段，而并沒有將這些研究付諸于實踐并形成產品。

本文在假設這些電氣故障診斷模型已經成熟的基礎上，主要來搭建整個制絲過程中的系統的設計，主要是架構設計與整個硬件系統的設計。

2 煙草制絲電氣故障診斷模擬診斷平臺構建思路

煙草制絲過程中的故障診斷的主要原理和過程是利用信號采集區中的各種類型的傳感器來進行各種信號的采集，這些信號包括溫度信號、壓力信號、流量信號以及水分信號等。這些信號被采集完成之后會通過數據線送到信號的轉化和處理區，在這區域內對信號進行轉化和一系列的處理最終變為數字信號，然后這些信號會被送到信號處理區，信號處理區對這些信號進行分析和判斷，通過一定的數學模型來分析得到相應的故障類型。

該故障診斷模型采用的關鍵的硬件環節都是采用現成的模塊來實現的，本設計主要是對各個功能模塊進行集成，然后最終完成對信號的采集、轉化傳輸、處理和診斷的功能。采用設置設計的方式一方面能夠提高設計的效率和系統實現的速度，另外一方面也使得系統的穩定性大大的增加，單獨的開發任何一個具體的硬件模塊都要耗費大量的時間和精力，相對于較為廉價的硬件模塊來講還是具有相當的性價比，所以本設計選擇了這種集成化的設計方式。

3 煙草制絲電氣故障模擬診斷臺硬件設計

3.1 編程器

PLC是一種可編程的邏輯控制單片機，該系統還包括一個可編程器利用該環節可以實現對于整個系統的數據采集、轉化、傳輸和處理整個過程中的控制的改進?？梢酝ㄟ^對PLC的編程來實現。另外還可以通過對PLC編程實現對故障診斷模型的修改，如果PLC所自帶的故障診斷代碼是可修改的話那么可以對其源代碼進行修改，從實踐的過程中不斷的修正和改進整個制絲電氣設備的故障診斷系統，使得故障診斷的準確率大大的提升，切實達到能夠實用的程度。并且可以通過編程區來對整個系統的代碼進行優化縮短故障診斷執行的時間，提高診斷的效率，使其真正的在實踐生產的過程中發揮作用。

3.2 信號處理區

信號的處理區所包含的主要設備有AO模塊、AI模塊、DO模塊、DI模塊、CPU、PS電源模塊等，這些模塊主要的做還是對信號轉化和傳輸區送上來的數據進行相應的處理使得其變為最終的易于處理和標準化的方式，最后這些數據被送到故障診斷模型進行故障的診斷。一般設備上所搭載的故障診斷模型包括基于經驗的故障診斷模型和基于信號分布故障診斷模型，神經網絡故障診斷模型等等。這些故障診斷模型都有各自的優勢和缺點。其中基于經驗模型的故障診斷模型將故障類型和某種測量參數建立起簡單的對應關系，通過這種簡單的對應關系來分析和診斷故障的類型。

基于參數分析的故障診斷模型主要是根據每種故障下各種參數的分布來確定和建立每種故障識別的模型然后利用該模型來進行故障的診斷。

基于神經網絡的故障診斷模型是根據逆向誤差來進行修復和訓練模型的最終達到對故障診斷的目的。該區的主要的硬件包括電源供電系統、PLC模塊、信號模塊以及人機界面模塊等。

各模塊之間通過總線進行連接，每個模塊都有相應的模塊的連接器。在集成的過程中可以各個模塊的總線連接直接連到CPU的總線的接口上，并且將每個模塊固定在相應的位置上。信號的模塊包括數字IO模塊和模擬IO兩部分，二者能夠實現對不同設備的電氣信號包括電壓或者是電流使得二者的信號實現一致。

3.3 信號轉化傳輸區

然后這些信號會通過總線被送到信號的轉化和傳輸區，包括耦合器、變頻器、饋電路、SM信號模塊和子站來對采集的信號進行耦合、變頻反饋控制等一系列的操作。該環節主要的作用是實現通信和一定的控制作用。

如果該系統要實現控制作用可以利用網線將現場中需要被控制的設備連接到控制設備上。通過總線網絡可以較為迅速的傳遞采集的輸入信息并且輸出診斷信息。

另外，該區獲得信號的方式是通過非接觸式的耦合的方式獲得的，然后將耦合得到的信號進行變頻處理等使其具備進行下一級轉化的條件。該環節主要的作用相當于一個過渡階段，相當于信號傳輸的中轉站，在這里實現對信號的初步的轉化和處理。

4 診斷算法設計

基于經驗模型的故障診斷模型將故障類型和某種測量參數建立起簡單的對應關系，通過這種簡單的對應關系來分析和診斷故障的類型?；趨捣治龅墓收显\斷模型主要是根據每種故障下各種參數的分布來確定和建立每種故障識別的模型然后利用該模型來進行故障的診斷?；谏窠浘W絡的故障診斷模型是根據逆向誤差來進行修復和訓練模型的最終達到對故障診斷的目的。

本文利用基于最大似然比建立故障診斷平臺模型，首先采集對每種故障所涉及的參數進行歸類，按照目前煙草制絲設備經常出現的故障，假設類別為3類，三種類型的故障以及相關的參數表示為：

w1：x1，x2，x3，x4

w2：x1，x2，x3，x4

w3：x1，x2，x3，x4

本文在每種故障下進行了4個參數數值的測量，測量的次數為1 000，在測量完畢之后得到每種類型的故障都服從4元的正態分布。因而可以利用多元正態模型來建立每種故障的模型，如下：

上述三個公式為每類故障下的概率密度函數，然后結合先驗概率就可以對出現的每組參數數值x1，x2，x3，x4進行判斷如果該參數屬于哪一類的概率密度函數最大那么就將所出現的參數歸為哪一類的故障，如：

5 結 語

本文所設計的煙草制絲過程中的電氣故障診斷系統主要是從硬件搭建的角度來對整個系統的架構進行設計和搭建的，但是煙草制絲電氣系統是否具有實際應用價值，關鍵還是其中的故障診斷算法。對于故障診斷算法的實際應用沒有進行深入細致的研究，這是本研究所存在的不足，也是電器類故障診斷系統實踐應用研究的一個重要的研究方向，需要在以后進行進一步研究。

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