成 回 中

(云南省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心， 云南 昆明 650034)

0 引 言

氫氣是一種易燃、易爆物，因此電解水制氫從制氫到充氣的全過程都具有明顯的危險(xiǎn)性，研究人員在制氫設(shè)備的關(guān)鍵部位都采取了不同的安全防范措施，并且在不斷提高這些防范措施的可靠性和先進(jìn)性[1-5]。本系統(tǒng)利用最先進(jìn)的電子設(shè)備和控制理論，把原來制氫系統(tǒng)中的模擬監(jiān)控儀表更換為穩(wěn)定可靠的數(shù)字監(jiān)控儀表，將分散的點(diǎn)式監(jiān)控更換為集成式智能監(jiān)控，將現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警增強(qiáng)為現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程多形式報(bào)警，將單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)擴(kuò)展為多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融和分析，對(duì)可能出現(xiàn)的超閾值趨勢(shì)或故障進(jìn)行診斷和預(yù)警。從而進(jìn)一步確保了制氫設(shè)備和工作人員的安全，同時(shí)明顯減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)2年的實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)具有顯著地實(shí)用性、可靠性和先進(jìn)性。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的一種由下位機(jī)和上位機(jī)組成的多功能工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)[6-8]。該系統(tǒng)的下位機(jī)結(jié)合工業(yè)級(jí)芯片AT91SAM9G45和開源的嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中數(shù)據(jù)的采集、傳輸與顯示，還擁有短信報(bào)警、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和電力線遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?基于PC實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)主要功能是對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、智能化處理與圖形化顯示，同時(shí)可對(duì)下位機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理方面，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了制氫設(shè)備故障的多融和智能診斷，使系統(tǒng)不僅能夠在單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警，而且能夠根據(jù)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融和處理，實(shí)現(xiàn)制氫設(shè)備故障智能診斷預(yù)警。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的理念是：先進(jìn)性；可靠性；可擴(kuò)展性；性能價(jià)格比高。

制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中制氫壓力傳感器檢測(cè)制氫設(shè)備在制氫過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)壓力，以防止設(shè)備過壓發(fā)生爆炸；充氣壓力傳感器檢測(cè)給用戶器具充氣時(shí)的壓力，以便制氫設(shè)備在需要時(shí)開始工作，維持儲(chǔ)氫罐的壓力在正常范圍內(nèi)；槽體溫度傳感器檢測(cè)制氫電解槽中的實(shí)時(shí)溫度，以保證制氫電解槽的溫度在正常值；泄氫濃度傳感器檢測(cè)制氫、存儲(chǔ)氫設(shè)備車間中空氣所含氫氣的濃度，以反映制氫設(shè)備是否有泄氫現(xiàn)象；直流電壓傳感器檢測(cè)制氫設(shè)備的動(dòng)力電源是否在允許范圍內(nèi)，以保障制氫設(shè)備能正常工作。

圖1 制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)根據(jù)制氫設(shè)備的特殊生產(chǎn)環(huán)境，在常規(guī)工業(yè)控制基礎(chǔ)上有以下幾個(gè)增改部分。

(1) 電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。在工業(yè)制氫現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)楹斜怏w,通常下位機(jī)與上位機(jī)之間是通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的，而不采用無線網(wǎng)絡(luò)[6-7]。這樣，在現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控室之間需鋪設(shè)專用的網(wǎng)線。在一些特殊建筑車間不易后期增鋪電纜，而采用電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，便可利用現(xiàn)有的電網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)調(diào)制成電力信號(hào)進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)200 Mb/s或500 Mb/s的傳輸速率，大大減少了鋪設(shè)網(wǎng)線的成本，而且靈活性更高，便于本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

(2) GSM/GPRS遠(yuǎn)程短消息報(bào)警技術(shù)。本系統(tǒng)選擇具有防靜電功能的工業(yè)級(jí)短信貓，要求提供串口RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，支持PDU和TXT短信格式，具有中文短信收發(fā)、英文短信收發(fā)以及無線上網(wǎng)功能。

(3) 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)。視頻監(jiān)控是制氫設(shè)備監(jiān)測(cè)終端的新擴(kuò)展內(nèi)容，系統(tǒng)通過高清攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，用戶通過手機(jī)或者具有瀏覽器的移動(dòng)設(shè)備連接下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)程序，就可實(shí)時(shí)監(jiān)控制氫工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀況[8]。該設(shè)備充分利用攝像機(jī)的硬件壓縮功能，盡量減少CPU運(yùn)算時(shí)間，保證了圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，是嵌入式設(shè)備視頻監(jiān)控的一種可行解決方案。

2 智能診斷監(jiān)控方法

多數(shù)據(jù)融和制氫設(shè)備故障智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)采用VB作為軟件開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Office Access 2007，以圖形化的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和智能分析處理，并為下位機(jī)設(shè)置參數(shù)[9-11]。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的理念是智能化；人性化；標(biāo)準(zhǔn)化。

本系統(tǒng)圖形界面主要包括登錄界面、主界面及功能界面三類。登錄界面主要是為了設(shè)置使用者的權(quán)限，目的是讓注冊(cè)用戶使用軟件。主界面提供了軟件的基本功能和重要數(shù)據(jù)的顯示，界面提供各種按鈕，按下對(duì)應(yīng)按鈕則轉(zhuǎn)向相應(yīng)的功能界面進(jìn)行操作。功能界面則實(shí)現(xiàn)具體的各種控制功能。

制氫設(shè)備故障智能診斷系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)模型如表1所示。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)按照這些數(shù)據(jù)處理的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和行為設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)根據(jù)制氫設(shè)備的特殊生產(chǎn)環(huán)境，在對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理方面，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了制氫設(shè)備故障的多融和智能診斷，使系統(tǒng)不僅能夠在單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時(shí)實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，而且能夠根據(jù)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融和處理，對(duì)可能出現(xiàn)的超閾值趨勢(shì)或故障進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)制氫設(shè)備故障智能診斷并預(yù)警。

表1 工業(yè)制氫監(jiān)控系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)模型

通過對(duì)制氫設(shè)備實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，我們發(fā)現(xiàn)制氫壓力pz、充氣壓力pc、槽體溫度tc、泄氫濃度LH和直流電壓UW超限報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)并非完全獨(dú)立的，而是相互影響。比如pz和tc發(fā)生明顯同步上升時(shí)，這意味著制氫電解槽有可能存在某種潛在的故障，這就可以在報(bào)警發(fā)生前，提示技術(shù)人員在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)χ茪潆娊獠圻M(jìn)行一次檢修。比如pc和LH具有明顯的相關(guān)性，LH達(dá)到上限值時(shí)就會(huì)報(bào)警，通常pc會(huì)有降低現(xiàn)象。如果pc無故明顯下降，而LH無任何變化，則需要對(duì)泄氫濃度傳感器進(jìn)行一次檢查。

如何對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行有效的分析和處理？顯然，一次總的診斷結(jié)果應(yīng)該是對(duì)單個(gè)診斷信息的融合而做出的決策，對(duì)于制氫設(shè)備實(shí)際獲得的是至少2個(gè)或2個(gè)傳感器以上的數(shù)據(jù)診斷結(jié)果，但并不能說它們各自完整、準(zhǔn)確地代表了總體的診斷結(jié)論，因而還需要對(duì)它們進(jìn)行決策層融合，獲得更準(zhǔn)確的診斷并預(yù)警。從貝葉斯統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)看，各傳感器數(shù)據(jù)的獨(dú)立診斷信息都可以看作隨機(jī)變量，這些隨機(jī)變量并非一定是總體診斷的真值，而只是總體真值的一個(gè)隨機(jī)表現(xiàn)，但都隱含著總體真值的一些信息，是總體真值的局部表現(xiàn)形式[12-15]。因此需要對(duì)這些局部診斷信息進(jìn)行再融合,最終推斷出總體診斷信息,給出最佳的制氫設(shè)備故障診斷結(jié)果。

本系統(tǒng)采用多數(shù)據(jù)融和方法實(shí)現(xiàn)對(duì)制氫設(shè)備故障智能診斷并預(yù)警。

設(shè)hi(1≤i≤5)為本系統(tǒng)5個(gè)傳感器獨(dú)立診斷所導(dǎo)出的故障基本概率分配函數(shù)，此5個(gè)傳感器獨(dú)立診斷共同作用下的概率分配函數(shù)：

h=h1+h2+…+hm=

(1)

其中：h(K)為K的基本可信度；D表示不同故障之間的測(cè)度，D越小，各故障之間的沖突越小，有：

(2)

設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)表征的現(xiàn)象有m種不同的診斷結(jié)論，故障樣本庫中共有J種故障樣本，現(xiàn)象與樣本有相似距離為d，m次診斷的率屬度矩陣為：

(3)

則基本可信度函數(shù)的值可由下式確定：

(4)

基本可信度函數(shù)hm(ki)表示“所診斷出的故障是標(biāo)準(zhǔn)故障庫中第i個(gè)故障”的可信程度。其中:δi為權(quán)值，主要由2個(gè)的因素確定：① 性能權(quán)值因素。對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)所表征的現(xiàn)象與故障結(jié)論相對(duì)穩(wěn)定的故障診斷應(yīng)給以較大的權(quán)值。本文經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)實(shí)際制氫環(huán)境中的故障現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用故障的平均正確診斷率作為性能權(quán)值。② 相關(guān)性權(quán)值因素。實(shí)際制氫環(huán)境中各故障特征描述提供的信息是存在相關(guān)性的，所以相對(duì)獨(dú)立的故障案例則應(yīng)給以較大的相關(guān)性權(quán)值，反之給以較小的權(quán)值。比如，5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時(shí)δi=1，讓它們能各自獨(dú)立報(bào)警。

這樣，當(dāng)對(duì)多數(shù)據(jù)融合，有k1,k2?Θ，Θ為故障診斷框架，取J個(gè)故障庫的樣本。有：

h(k1)=max{h(ki)},ki?Θ,i=1,2，…，J

h(k2)=max{h(ki)},ki?Θ,且ki≠k1,

i=1,2，…，J

且：

(5)

其中：h(Θ)表示不確定性；α1、α2為設(shè)定的門限，多數(shù)據(jù)融合制氫設(shè)備故障診斷的結(jié)果為h(k1)，并在當(dāng)天數(shù)據(jù)分析結(jié)論中提出基于h(k1)的預(yù)警報(bào)告。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要通過下位機(jī)對(duì)制氫過程中制氫壓力、充氫壓力、槽體溫度、制氫電壓、泄氫濃度5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智力處理，一旦發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，不僅現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，并且向相關(guān)人員發(fā)出手機(jī)短信，進(jìn)行手機(jī)視頻監(jiān)看，同時(shí)啟動(dòng)保護(hù)控制系統(tǒng)，停止制氫。本系統(tǒng)還根據(jù)制氫設(shè)備的特殊生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了制氫設(shè)備故障的多數(shù)據(jù)融和診斷，使系統(tǒng)不僅能夠在單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)超過上限數(shù)值時(shí)實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，而且能夠根據(jù)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融和處理，對(duì)可能出現(xiàn)的超閾值趨勢(shì)或故障進(jìn)行分析和診斷，并及時(shí)提出預(yù)警，防范故障于起勢(shì)，進(jìn)一步提升了制氫設(shè)備安全保障的可靠性。

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