水电站机电一体化设备故障诊断技术探讨

中域网空（成都）信息科技有限公司 李铁成

1 引言

机电一体化技术是现阶段我国整体建设和发展过程中的一项重要技术，该技术融合了设备制造、计算机、微电子等技术类型，所形成的设备能够充分地满足现代的生产需求。而随着当前机电一体化技术在水电领域的广泛应用，其各类故障现象也受到人们越来越多的关注，要保证水电设备的正常使用，在工作之中就必须强化对其的诊断工作。

2 机电一体化设备在水电站中的应用

机电一体化系统的整体形式较为多样，且不同形式的系统功能存在着较大的差异，但通常而言一个完整的机电一体化系统通常包括的子系统为：机械本体、动力部分、检测部分、执行机构以及控制器等。

机械本体包括了相应的机械传动装置以及机械结构装置，机械子系统在设备运行过程中的主要功能是让各类子系统和零部件按照一定的空间和时间关系，处在正确的位置上[1]。水电站机电一体化设备的应用主要集中测控系统和调速系统，测控系统主要是针对机组运行状态进行监测的系统，例如轴承温度、冷却油温度和机组的转速等，如果对应的系统发现相关部分的温度超过预定值，则会发出预警或是直接停机，以保护水电机组运行的正常性。而在调速系统之中，一般是采取PLC 微机调速系统，通过这种方式对发电机频率和电网功率进行把握，并在此基础上对发电机组的转速和有功功率进行调整，其中发电机频率与转速的关系可以描述为：

式中，n 为发电机的转速；f 为频率；p 为转子磁极对数。

相关的机电一体化系统通过电网调整有功功率指令的方式，对水轮机导水机构开度进行调整，据此达到调整效果，如图1所示。

图1 水电站PLC 微机调速系统

3 水电站机电一体化设备的故障诊断

3.1 硬件逻辑故障

无论对应的机电一体化设备在整体的控制系统方面如何复杂，其整体结构仍然是相对较为简单的，通常可以划分为基本的逻辑单元，而逻辑单元又可以归纳为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类，设备在运行过程中输出信号可以使用组合逻辑电路输入信号的逻辑函数表示的逻辑电路，而时序逻辑电路则是指对应设备的逻辑电路中，特定时刻的输出值，不仅依赖于本次加入逻辑电路的输入端信号，而且依赖于先前加在该输入段的信号。逻辑电路的故障如下。

一是永久性故障。这一故障指的是无法有效恢复的故障现象，通常而言永久性故障的主要特征是对于给定输入，相关的电路会产生错误的响应，错误特征具有典型的重复性。导致永久性故障的原因，通常为硬件的故障现象，如集成电路的输入或输出端，或者电路板上某一连线，其逻辑固定值不变而导致的错误现象，其产生原因通常是因为芯片内部出现短路现象或开路现象，由于故障本身处于硬件的内部，因而一般难以进行有效的修复，排除该故障，只有通过更换元件的方式来实现[2]。桥接故障也是一种比较常见的永久性故障，这种现象产生的原因一般是因为相应的印刷电路板上，彼此相邻的线间存在穿通或者是短路的现象，这种现象即为桥接故障。而这种故障导致的硬件逻辑故障，与具体的逻辑功能、电路的整体结构等因素相关，在不同的元件上出现该故障现象，最终所产生的故障现象也是存在一定差异的。

二是间发性故障。这种硬件逻辑故障现象产生的原因通常是外界因素的干扰、计时偏差等因素导致，其本身具有较强的随机性和偶发性特征，在故障产生之后往往难以进行准确的诊断和排除，而在发生故障之后对设备进行再次运行，其再次发生同类故障的可能性较小。分析间发性故障产生的原因，其通常是因为元件或电路在特定方面的容限不足，如时间要求过于苛刻、抗干扰容限较小等，而造成相关的系统整体稳定性不强的问题导致的故障情况[3]。例如在部分机电一体化设备之中，相关的逻辑电路因为传输的延迟而导致的多个信号无法在同一精确时刻发生的现象。对于愈发精密的集成电路芯片，这些问题更为常见，间发性故障发生率也更高。

3.2 软件故障

软件故障也是现阶段机电一体化系统之中常见的故障类型，这一故障类型可以根据软件的性质不同，分为系统软件故障和应用软件故障两种类型。其中系统软件故障所指的是，相关软件在本身在进行设计的时候，没有对机电一体化系统的功能形成充分的了解和认识，因而在算法、定义和各个模块之间的衔接上，存在对应的错误现象，这些错误会导致机电一体化设备无法正常有效地运行。有鉴于此，相关单位在进行设计的时候，应当对系统进行全面的了解和掌握，从而充分提高系统软件的可靠性。其次，应用软件故障也是机电一体化系统之中常见的故障类型，这种故障产生的原因，是由于对应的操作过程中，数据的书写格式、程序的语法和结构上存在着错误的现象，并由此导致机电一体化设备无法正常运行。这种错误产生的主要影响因素是人员因素，在防范此类故障的过程中，相关单位和人员通过对数据输入的过程进行严格的把关，将能够有效地避免此类故障的发生[4]。

3.3 干扰故障

干扰故障所指的是电气干扰，一般是由于一些与信号无关的，在信号输入、传输和输出过程中出现的不良电气变化所导致，这类现象如电气瞬变脉冲在发生之后不仅可能导致整体的信号质量出现严重降低，甚至有可能对电路本身的正常功能形成危害，导致设备的损坏等。干扰产生的来源较为多样，常见的干扰故障如下。

一是静电干扰。对应的设备和周围物体表面聚集了大量的电荷之后，对电路进行泄放而产生的干扰现象。

二是磁场耦合干扰。这种干扰现象本质是一种感应干扰，如设备的电动机、继电器、风扇等在运行过程中产生相应的磁场，以工频形式通过电源耦合到控制系统的闭合回路之中，就会对系统带来干扰。

三是电磁辐射干扰。这种干扰情况主要是因为设备的工作范围内，存在的一些电磁辐射源，其产生的电磁波带来的干扰现象。

从这些内容之中，可以基本了解到机电一体化设备在运行过程中常见的一些故障，通过准确地把握这些故障特征，将能够为设备的诊断创造比较良好的条件。水电站机电一体化设备常见故障类型详见表1。

表1 水电站机电一体化设备常见故障类型

4 水电站机电一体化设备的故障诊断

4.1 机电一体化技术的人工智能故障诊断

人工智能故障诊断技术在当前机电一体化设备之中应用比较广，该技术的具体诊断方法包括专家系统故障诊断、神经网络诊断以及故障树诊断等。

首先专家系统故障诊断方法在应用过程中，是在对应的知识库之中存储被控制对象的故障征兆、故障模式、故障原因和故障处理建议内容，在进行诊断过程中通过筛选符合特征的故障类型，最终可以实现对机电一体设备是否出现故障、故障类型进行明确。在早期的诊断过程中，相关系统主要是基于经验知识来进行诊断，随着当前技术的快速发展，相关诊断系统也越来越注重对深层次故障知识的应用，从而极大地提高专家系统诊断的准确率和可靠性。

其次，神经网络诊断的方式相较于专家诊断系统而言，具有较高的复杂性，系统能够进行多模式故障的诊断和联想，对于专家系统应用过程中存在的一些不足可以形成幅克服[5]。神经网络诊断过程中，首先需要从控制系统中对各类故障信息和故障现象等资料进行准确获取，其次需要依托所获取的故障信息，进行相关的处理与学习，寻求解决措施。该过程中需要对神经网络分进行不断的训练，来增强其诊断的有效性和可靠性，系统自身也可以在不断的学习过程中，通过进行权值和阈值的调整，达到提高诊断有效率的效果。

故障树诊断模型也是现阶段用于机电一体化设备故障诊断过程中重要技术，相关技术在应用过程中，以诊断对象最不希望发生的事件为顶事件，按照对象的结构和功能关逐层展开，寻找直接导致这一故障生的中间事件，直到不可分的底事件为止，再用适当的逻辑门把顶事件、中间事件和底事件进行连接，最终形成故障树模型，这种方法也可以帮助相关单位和人员对故障发生的原因进行详细分析，有助于彻底进行故障的排除。

4.2 基于多传感器信息融合的故障诊断方法

信息融合是多信息源综合处理的一项新技术，在应用过程中对于机电一体化设备的故障诊具有较强的作用和价值。多传感器信息融合过程中就是利用信息融合技术，对大量传感器数据进行多级别、多方位和多层次的处理，从关联的参数之中获得对应结论。该过程所具有的故障诊断优势如下。

一是多传感器信息融合处理能够得到比单一传感器更为全面、准确和可靠的信息，相关信息能够帮助人们从多个角度对设备可能存在的故障进行分析。

二是在多个相似传感器的信息采集过程中，所获取的信息具有较强的冗余性，而冗余信息的存在，将能够从整体上弥补设备诊断过程中，相关信息可能存在的不确定性问题。

三是不同类型的设备传感器在工作和信息采集的过程中，具有较强的互补性，这一特征的存在可以有效地避免传统单一传感器信息采集的范围局限性问题。

四是多个传感器共同进行信息采集，将能够极大地增加系统的可靠性，如果在工作之中部分传感器出现故障，并不会影响信息采集系统的正常工作，从而有助于对机电一体化设备的故障诊断工作开展。整个过程中，相关传感器信息获取的冗余、交叉和互补特征可以帮助人们从大量信息之中进行相关的故障特征提取，然后根据故障表征和系统知识，展开更为详细的诊断，判断对应系统是否存在故障，以及其故障源的特点。立足于这种方法，工作人员可以厘清故障源与故障表征的映射关系，不仅有助于现阶段对故障的有效处置，同时也有助于未来对故障的防范和排除。

5 结语

水电站机电一体化设备的整体结构复杂程度相对较高，其发生故障之后对于生产的影响也比较大，因此针对其采取合理的故障检修措施，快速地实现对故障的排除，将有助于实际的生产。为了实现这一目标，相关单位和人员一方面需要对机电一体化设备故障的类型形成系统性的认识，另一方面则需要对现阶段的具体诊断技术、诊断方法进行掌握，加以应用，确保机电一体化设备的正常使用。