林 敏，崔 遠(yuǎn) 慧，梅 彥 平，潘 宏 昆

(1.大連理工大學(xué) 城市學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；3.大連科信起重電氣有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

石蠟生產(chǎn)是石油深加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。將液態(tài)蠟通過液氨冷卻后加工成固態(tài)石蠟是石蠟深加工的主要方法之一，完成這項(xiàng)工作的機(jī)器稱為石蠟連續(xù)成型機(jī)。

石蠟連續(xù)成型機(jī)依靠平移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)身兩側(cè)的鏈條移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)特定重量的蠟盤移動(dòng)，完成液態(tài)到固態(tài)石蠟的轉(zhuǎn)換過程。鏈條的平行度是保證成型機(jī)順利運(yùn)行的關(guān)鍵部分。但由于石蠟加工的特殊性，鏈條的平行度很容易發(fā)生變化。由于石蠟具有一定的黏度，經(jīng)常粘在鏈條周圍，使得鏈條的運(yùn)行不穩(wěn)定，平行度也很容易發(fā)生變化。如果不平行度超過設(shè)定值，容易出現(xiàn)堆鏈現(xiàn)象，蠟盤也易卡盤，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)將蠟盤卡壞，將鏈條拉斷，更有甚者可能將成型機(jī)整機(jī)框架拖動(dòng)變形等，損失巨大[1－2]。

目前國內(nèi)外采用的處理方法有兩種：一是采用接近開關(guān)檢測(cè)平行度。在每側(cè)的每層鏈條的末端安裝一個(gè)接近開關(guān)。當(dāng)兩側(cè)的鏈條平行度發(fā)生變化，同一層兩側(cè)的接近開關(guān)接收到的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差。如果兩側(cè)的時(shí)間差超過設(shè)定的時(shí)間，會(huì)發(fā)出報(bào)警信息[3]。另外一種是采用應(yīng)力閾值比較法，在每層鏈條的每側(cè)都安裝一個(gè)應(yīng)力傳感器，通過對(duì)應(yīng)力傳感器當(dāng)前采集到的應(yīng)力值與鏈條事先設(shè)定的應(yīng)力報(bào)警值進(jìn)行比較，高于該報(bào)警值，則給出報(bào)警信號(hào)[4－8]。上述的監(jiān)控方法簡(jiǎn)單，但這些報(bào)警裝置都是在故障發(fā)生后報(bào)警、停機(jī)，由于石蠟成型機(jī)運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)噪聲干擾等情況，因而很容易出現(xiàn)誤報(bào)警。

本文提出一種新的方法，該方法除了考慮到每根鏈條的每層應(yīng)力值的變化外，還將整個(gè)石蠟連續(xù)成型機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)納入到系統(tǒng)中，將主電機(jī)的力矩、運(yùn)行速度、功率等參數(shù)與應(yīng)力值加以綜合考慮。不僅避免了單一參數(shù)檢測(cè)一旦出現(xiàn)故障整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)將無法運(yùn)行的弊端，而且與傳統(tǒng)的應(yīng)力值監(jiān)測(cè)相比，大大提高了故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 石蠟成型機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示。主系統(tǒng)由西門子S7－300的PLC組成，控制石蠟連續(xù)成型機(jī)的運(yùn)行。預(yù)警診斷系統(tǒng)由嵌入式平板電腦和數(shù)據(jù)采集卡組成，用來采集包括來自現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力傳感器和轉(zhuǎn)換裝置在內(nèi)的原始數(shù)據(jù)信號(hào)。預(yù)警系統(tǒng)選擇嵌入式平板電腦和數(shù)據(jù)采集卡而不直接使用PLC的原因是為了確保預(yù)警診斷系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

嵌入式平板電腦采用研祥IPC815，數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出的位數(shù)選擇。轉(zhuǎn)換模塊和500kg的應(yīng)力傳感器選用托利多的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)采集卡除了采集應(yīng)力傳感器信號(hào)外，還需要采集來自主系統(tǒng)PLC傳遞的主電機(jī)頻率、功率和扭矩信號(hào)。系統(tǒng)則經(jīng)過相應(yīng)的算法處理后給出報(bào)警和停車兩種數(shù)字量信號(hào)。

2 石蠟連續(xù)成型機(jī)信號(hào)相關(guān)性分析

2.1 特征信號(hào)提取

石蠟連續(xù)成型機(jī)的運(yùn)行過程如圖2所示。主電機(jī)拖動(dòng)主動(dòng)輪，主動(dòng)輪通過平移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)不同層的齒輪運(yùn)行，齒輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)運(yùn)行過程中，電機(jī)的速度、扭矩和功率等參數(shù)將直接決定了鏈條的運(yùn)行速度，從而決定了鏈條上應(yīng)力的變化。因此，石蠟連續(xù)成型機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程中，主電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和鏈條應(yīng)力之間的變化同時(shí)反映了機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 石蠟連續(xù)成型機(jī)單側(cè)鏈條電氣運(yùn)行示意圖Fig.2 The electrical diagram of the chain in one side

以遼寧某石化廠年產(chǎn)量50 000t石蠟連續(xù)成型機(jī)為例，對(duì)運(yùn)行過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行特征分析。該石蠟連續(xù)成型機(jī)每側(cè)鏈條長(zhǎng)度為251m，分7層傳輸。文中截取了2011－09－06T13：50—2011－09－07T13：50共計(jì)5 158組(5 158×17＝87 686個(gè))數(shù)據(jù)作為樣本。從所得到的樣本數(shù)據(jù)中得到如下結(jié)論：(1)鏈條應(yīng)力值在靜止?fàn)顟B(tài)下基本保持不變。此時(shí)的應(yīng)力值為預(yù)緊應(yīng)力，該值與鏈條的本身參數(shù)有關(guān)，而與機(jī)器的運(yùn)行無關(guān)。(2)當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)力值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，速度越快，應(yīng)力變化值越大。(3)當(dāng)速度一定時(shí)，應(yīng)力變化值基本不變。

2.2 信號(hào)相關(guān)性分析

2.2.1 皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)(Pearson product－moment correlation coefficient)，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為PMCC，通常用r表示，用來度量?jī)蓚€(gè)變量X和Y之間的相互關(guān)系(線性相關(guān))，取值范圍在[－1，＋1]。當(dāng)｜r｜＝1時(shí)，表示兩個(gè)信號(hào)之間絕對(duì)正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)，數(shù)值的絕對(duì)值越接近1，兩者之間的線性相關(guān)性越強(qiáng)。利用皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析已經(jīng)在不同的領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，效果顯著[9]。

2.2.2 分析結(jié)果

將正常運(yùn)行過程中的5 158組數(shù)據(jù)，利用SPSS13.0分析兩兩信號(hào)之間的線性相關(guān)性，皮爾遜積矩線性相關(guān)分析結(jié)果如表1所示。

表1 正常狀態(tài)下的皮爾遜分析結(jié)果(N＝5 158)Tab.1 The Pearson correlation in a normal status(N＝5 158)

從表1中的分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論：(1)運(yùn)行頻率與第1～4層的兩側(cè)應(yīng)力都線性強(qiáng)相關(guān)，但對(duì)第5～7層線性弱相關(guān)。(2)運(yùn)行頻率、電機(jī)扭矩和功率輸出線性相關(guān)顯著。(3)每1層兩側(cè)的應(yīng)力值線性相關(guān)顯著。(4)第1層的應(yīng)力與第2、3層線性相關(guān)顯著。(5)每1層的應(yīng)力與相應(yīng)的上一層和下一層的線性相關(guān)顯著。

3 故障模擬分析

3.1 單層數(shù)據(jù)異常

模擬第1層左側(cè)數(shù)據(jù)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常的情況。故障模擬過程中，除了在1s之內(nèi)應(yīng)力值持續(xù)增加然后緩慢減少的狀態(tài)外，考慮到石蠟運(yùn)行過程中時(shí)常有噪聲干擾，還增加了瞬間應(yīng)力值增大而后恢復(fù)到正常值的狀態(tài)。利用相同的分析方法，得到的分析結(jié)果如表2所示(刪除了與表1數(shù)據(jù)相同的部分)。從表2中可以看出，和第1層左側(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)的相應(yīng)參數(shù)均發(fā)生了顯著的變化，而其他各信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)不變。因此，可以通過相關(guān)系數(shù)的變化來判斷運(yùn)行過程中發(fā)生了異常。使用本文中的方法對(duì)模擬過程中的情況都進(jìn)行了準(zhǔn)確的判斷。

表2 故障時(shí)皮爾遜分析結(jié)果(N＝5 158)Tab.2 The Pearson correlation results in a fault status(N＝5 158)

3.2 與應(yīng)力閾值法比較分析

該方法屬于硬判決，判決時(shí)只考慮了當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集值。應(yīng)力閾值法的定義式為

其中，E為閾值，A為當(dāng)前數(shù)值，S為設(shè)定值。當(dāng)E大于預(yù)先設(shè)定的具體數(shù)值時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信息。

利用表1中的模擬數(shù)據(jù)，采用應(yīng)力閾值法，令E＝1，S取正常狀態(tài)時(shí)每個(gè)參數(shù)的平均值。即

由上述定義可知，在出現(xiàn)噪聲干擾造成應(yīng)力值瞬間增大時(shí)，如果計(jì)算結(jié)果E大于設(shè)定值，則將出現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)，此時(shí)的報(bào)警很明顯是虛警，本不應(yīng)該報(bào)警而給出了報(bào)警信息。在石蠟成型機(jī)工作過程中由于干擾經(jīng)常出現(xiàn)，虛警的出現(xiàn)將明顯降低判斷的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的石蠟連續(xù)成型機(jī)預(yù)警系統(tǒng)由于采用嵌入式技術(shù)，在實(shí)時(shí)性和可靠性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。利用信號(hào)相關(guān)性來檢測(cè)成型機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，和傳統(tǒng)的閾值判斷法相比，在對(duì)于噪聲引起的瞬間應(yīng)力值變化時(shí)，報(bào)警準(zhǔn)確率為100%。該方法可以準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)警，將可能的危險(xiǎn)及時(shí)告知，從而進(jìn)行及時(shí)有效的處理，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。該方法已經(jīng)在遼寧某石油廠實(shí)際應(yīng)用，得到用戶的認(rèn)可。該方法對(duì)其他石蠟連續(xù)成型機(jī)的運(yùn)行也有一定的指導(dǎo)意義。

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