【摘要】该文介绍一种新型的智能设备－AS系列电动阀门执行器的原理、组成和功能。并在总结该领域专家经验和知识的基础上，利用专家系统理论建立故障诊断系统．通过GSM技术实现时该设备的远程故障诊断。同时对该设备的典型故障进行故障建模和仿真，从而确定故障特征，实现故障诊断和检测。
0.引言.
阀门执行器作为一种控制设备，在石油、化工、天然气、水污染处理等众多工业领域，得到广泛应用。当前国内现代化的大型企业多采用英国Rotork公司或美国Limitorque公司生产的阀门执行机构，国内产品尚不能完全满足用户的要求。同时，国内设备的故障诊断和维护仍沿用传统的人员现场诊断和维护方式，一旦设备出现破障，就需要专门人员进行现场诊断和维修，这对于用户特别是异地用户将大大增加维护时间和成本。本文所要介绍的是国内自主开发的、基于现场总线、功能较为完善的AS系列全智能电动阀门执行器及利用远程通信技术对该设备的远程故障诊断技术的研究。通过远程故障诊断技术的应用，实现“移动的是数据而不是人”，从而改变一旦设备发生故障，诊断维护人员就疲于奔命的被动局面。

1.设备原理
作为阀门的执行器，*基本的要求是对阀位和扭矩进行精确的检测和控制。AS系列执行器利用霍尔效应脉冲计数器实现对阀门行程的准确测量。其实现过程如下：通过机械传动装置将计数轴与执行器的传动轴相连，传动比为4:1。在计数轴上安装一个三对极的圆形磁铁，形成磁场。霍尔开关垂直于磁铁安装。当传动轴带动计数轴旋转时，形成旋转可变垂直磁场，通过霍尔开关内部的电压发生器产生脉冲信号。相对于传动轴转一圈，霍尔效应脉冲计数器输出24个脉冲信号。由于传动轴角位移θ与其轴向位移d之间为线性夫系：d＝Kxθ（其中：K为一常数），因此通过时霍尔开关产生脉冲信号计数就可实现对阀位的测量。其原理图如图1、图2所示。




图1 阀门行程测量原理示意图
图2 霍尔开关功能方框图
同时，在传动轴上加装有压力传感器测量该轴的切向力，利用已测得的阀位就可计算出当前扭矩值，实现扭矩的测量。

2.组成
AS系列执行器由电机、端子室、控制部件、机械传动装置四个部分绢成。
其中，电机是专为阀门执行器设计的低惯性、大力矩三相电动机，并内置有压力传感器和热保护探头，可**地保证电机在高温或过力矩条件下安全运行。
端子室是用于摆放接线端子的舱室，在外端盖与内部的接线端子块均采用O型圆端面密封，形成独特的双密封结构。现场接线时，即使是在下雨的环境中打开端子室外端盖，也能保证内部的电器元件不受影响。
机械传动部分，在很多关键部位采用了非穿透式设计，保证了外壳的完整性。
控制部分，其总体结构如图3所示。


图中①～⑤为执行器控制部分的基本组成单元，⑥～⑧为可选配单元，根据任务的不同，任选其中之一。

3.功能
1）阀门阀位和力矩的精确测量与控制；
2）总结控制和通信功能；
3）自诊断和报警，电池电压过低、三相电丢夫和缺相、行程中力矩超限、指度超限、电机空转等故障自动发出报警信号；
4）相让自检：接线时无需考虑三相电的相序问题，内置的相同步器会自动监视三相电源的相序，一旦出错，自动纠正；
5）安全保护功能：包括电源掉电、电机过热、过流和瞬时逆转、阀门堵塞等功能。
6）中断定时开关阀门：利用内部时钟实现定时控制；
7）ESD功能（Emergency Shutdown Device)：在突发情况下，按下ESD开关，AS执行器将执行ESD预设动作，保障设备及人员安全；
8）联锁功能：实现信号的互锁，即只有在两个控制信号都**时，才会执行相应的动作；
9）模拟控制功能：利用模拟信号进行控制；
10）多种远程通信方式实现控制和破障诊断。可通过总线网（通过外部的Internet）、便携式电脑、或GSM手机均可实现远程通信和诊断。

4.远程故障诊断
随着信息技术、通信技术的迅猛发展所出现的远程故障诊断技术己是当今诊断技术领域发展的一个重要方向。设备的远程监测和诊断是计算机科学、通信技术和故障诊断技术相结合的一种设备诊断方式，要建立一个远程故障诊断专家系统，首先必须建立起一个本地的破障诊断专家系统。
4.1 本地故障诊断
1）故障诊断专家系统绢成结构
该系统由知识库、推理机、知识获取子系统、解释子系统、实时数据库、历史数据库等六部分组成，其基本结构如图4所示。


2）诊断系统各组成部分的功能
①知识库 存储知识。在知识库中，经验知识都是以规则形式进行描述的。根据不同的配置情况建有不同的知识库。在本系统中就有Base+RCB、Base+RCB+CCU、Base+RCB+APC、Base+RCB+APT/ATT、Base+APC等五种不同功能组合的知识库。（Base是指AS执行器的基础必备模块）。
②推理机 实现故障诊断的逻辑推理。本系统采用正向推理。
③知识获取子系统 实现对知识的修改、添加、删除等功能。为保证系统的正常工作，对知识库的变动加以权限限制，只有获得修改权限的人员才能对知识库进行修改。
④解释子系统 对诊断过程和结果进行解释。通过该系统既为用户给出清晰的推理思路，又可为知识工程师检查诊断系统的错误（Bug）提供很好的接口。现采用预置文本法和追踪路径解释法。
⑤实时数据库 存储诊断所需的参数、执行器的故障现象、来自执行器的报警类型、推理的中间结果和诊断结果等，同时还需对推理路径加以标记，为诊断的解释做好准备。
⑥历史数据库 它包括与执行器相关的许多参数，如执行器型号、电机类型、电机功率、功能配置、出厂日期、使用者等。通过该数据库可获得诊断所需的一些必要参数。
3）诊断流程
开始诊断时，需知道执行器的功能配置，才能选择正确的知识库进行诊断推理。为此，系统需要读取历史数据库或由用户通过人-机交互界面输入。在在线诊断的情况下，可通过硬件检测的方法获得配置情况，当得到必要的参数信息后系统才可以正常工作。假设某一规则有J个前提，知识库共育K条规则，其诊断流程如图5所示。


4）诊断规则（以Base+RCB为例）
根据经验总结以下15条规则：
规则1 如果有力矩超限报警，且阀门处流体流动不畅，则阀门堵塞；
规则2 如果有电池电压低的报警，且更换电池时间未超过一年，则电源板有破障；
规则3 如果液晶无显示，且无电池电压低报警，且电机正常工作，则液晶模块故障；
规则4 如果电机不能正常工作，且无掉电报警，且无温度超限报警，则电机故障；
规则5 如果外接手动开关失效，且无法用面板旋纽代替控制，则RCB单元故障；．
规则6 如果外接手动开关失效，且可以用面板旋纽代替控制，则外部接线错误；
规则7 如果继电器R1～R4无输出，且执行器仍能正常运行，则外部接钱错误；
规则8 如果状态指示灯指示错误，且阀位显示错误，则计数器故障；
规则9 如果状态指示灯不亮，则指示灯故障；
规则10 如果红外设定器失效，且设定器的电池使用时间较长，则设定器的电池电量不足；
规则11 如果红外设定器失效，且设定器的电池电量充足，且液晶显示正常，则红外设定器电路故障；
规则12 如果液晶画面混乱，且手动控制正常，则内部屏蔽线损坏；
规则13 如果中断计时器失效，则MCU故障；
规则14 如果面板旋纽失效，且红外控制**，则于簧管或磁条损坏；
规则15 如果电机运行而阀位显示无变化，且无力矩超限报警，且无电机空转报警，则计数器故障。
以上规则已包含了AS执行器的大部分常见故障，同时用户还可通过人-机交互界面，在总结自身经验的基础上形成新的规则，加入知识库，不断完善该诊断系统的诊断功能。
4.2 远程故障诊断
在实现本地故障诊断的基础上，我们进一步开发、设计了基于GSM的远程故障诊断系统。当前的远程故障诊断系统多采用基于Internet的远程通信方式，如首都国际机场油库储油罐使用的荷兰Enraf公司的液位计就可通过底层工业网将数据传送到系统的上位机，然后利用外部的Internet将相关数据送至设备生产厂商，由厂商进行故障诊断后，将诊断结果和故障解决策略回传至用户，完成故障诊断。但是对于阀门执行器这类常用于野外的设备而言，基于Internet的远程诊断方式则存在看一些不足之处：
1）故障设备必须能够直接或间接接入Internet，诊断中心才能获取诊断所必需的数据，进行故障诊断；
2）网络繁忙时，不利于故障的实时诊断
3）系统实现较为夏杂
而使用GSM通讯方式的远程故障诊断系统则可克服以上不足之处。
基于GSM的远程故障诊断系统总体结构如图6所示。


由图6可知，基于GSM的远程故障诊断系统包括设备状态信息采集及处理模块、监测诊断模块、通信模块和诊断中心服务器。其中，设备状态信息采集及处理模块完成数据采集、必要的数据处理和模块间的数据通信功能；监测诊断模块完成设备状态监测，简单的故障诊断和报警、历史数据存储以及必须的数据通信功能；通信模块主要完成远程通信任务；诊断中心服务器主要用于实现诊断服务，并提供友好的人-机交互界面，实现专家会诊。其远程诊断流程如图7所示


5.典型故障仿真
电机堵转是执行器的常见典型越障。如果阀门由于某种原因被卡死，此时控制执行器打开阀门，很可能因为负载过大使得电机堵转，造成电机中出现电流过载，时间过长会烧毁电机，因此必须检测电机电流，在阀门卡死时，及时保护电机，并发出报警信号。
为了对这一关键参数的故障机理进行更好的研究，把握故障实质，有必要对此故障进行故障建模。实际上由于过载条件下造成的电流过载导致电机破障，所以对其进行建模就是建立电机输出转矩T与电机电枢电流i的对应关系。对于三相异步电动机，根据T形等值电路的概念可知，转子的电磁功率Pem和电磁转矩Tem可表示为：


式中：m1：相数；I’2:转子折合电流**值；r’2：转子折合电阻；s：转差率；P：电机极对数；f1：电源频率。
利用戴维南定理简化电机电路，忽略一些次要条件进行简化计算，由（1）、（2）两式可得：




计算极值并将电机参数带入可得：Temmax＝8.6N.m，I’2＝6.17A利用Ansoft软件进行仿真，t＝0时预加一个初始力矩TL＝90N.m作为负载，仿真结果如图8所示。


利用力矩转台加载转矩，取TL＝239.0N.m（机械部分有40:1的减速比）模拟阀门卡死条件，通过霍尔电流传感器实测电机过载电流图如图9所示。


对于电机堵转这类越障，关心的是电机电枢电流的幅值，即电流大小。通过对故障模型的仿真，可以看出在过载条件下，电机电枢电流的峰值大致为18A，相对于电机在额定转矩下正常运行的的6～8A电流，这是一个可检测的故障特征量，同时由于过载条件维持的间较长（一般是几秒），从而可利用此条件区别电机过载电流和电机启动电流（一般为毫秒级），从而避免误诊断。实测曲线说明了故障模型的仿真结果与真实情况基本符合，我们所建立的故障模型是合理的，仿真方法是可行的。正是在此基础上我们利用传感器对电机输入电流的检测，设计相应电路实现对电机过流故障的报警，完成对此故障的诊断和监测。

6.小结
根据测试阶段的测试验证，上述诊断系统能够对目前所知的常见故障进行迅速、准确地诊断，这说明知识库建造、知识表示与获取、控制策略和推理机设计是完全可行的。远程通信的调试工作已完成，很快可进行系统联调。但该系统也存在有一些不足之处，主要表现在：系统诊断过程中，浅知识使用较多，深知识利用不足，从而造成诊断系统的解释能力不足；系统知识库未能包含诊断对象——AS系列执行器的全部故障信息，因此需要在今后的使用中不断对该诊断系统加以修正和完善。同时，对于GSM通信技术，在GSM网络的盲点处将无偿使用该方法对设备进行故障诊断。

文章链接：http://www.klevalve.com/jsxw/1235.htm


资讯来源：无锡科莱恩流体控制设备有限公司