CN112051756A - 一种气动执行机构故障诊断记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种气动执行机构故障诊断记录仪。本发明的气动执行机构故障诊断记录仪可检测检测上级***发送给智能***的指令以计算气动执行机构各参数的理论数据，并获取气动执行机构各参数的实际状态数据，在故障诊断时将理论数据与实际状态数据进行对比，从而诊断出气动执行机构是否处于故障状态，并可判断出故障点进行报警，此气动执行机构故障诊断记录仪对故障判断的依据为气动执行机构各参数的实时数据，诊断结果更加准确，可有效地帮助维修人员判断故障点的位置及原因，提高维护效率。

Description

一种气动执行机构故障诊断记录仪

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种气动执行机构故障诊断记录仪。

背景技术

气动执行机构及其自动控制***是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递和信号传递，实现工业过程自动控制的***。气动执行机构及其自动控制***是实现自动化的重要手段之一，其具有工作效率高、成本低廉、无污染等一系列优点，因此在电力、造纸、机械、化工、冶金、食品、医药等工业领域得到越来越广泛的应用。

由于气动执行机构及其自动控制***中介质的可压缩性、密封引起的摩擦力以及固有频率低、阻尼比小、刚性差、控制的及时性差和严重的非线性等缺点，给气动执行机构控制的精确性、稳定性、安全性和维护性等都造成了很大的困难。当前过程工业中最广泛使用的用于直行程和角行程气动执行机构的智能***，具有定位控制功能，可实现对气动执行机构任意位置的控制。随着智能化水平的提高、大数据分析技术的不断发展，对气动执行机构运行过程的参数记录和故障诊断功能提出了需求。

然而，由于目前智能***的诊断功能单一且不可控，且通常以硬件寿命与使用次数作为故障判断的依据，判断故障点的位置及原因的准确性有限，降低了气动执行机构的维护效率。因此，有必要开发一种气动执行机构故障诊断记录仪，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气动执行机构故障诊断记录仪，能够有效地帮助维修人员判断故障点的位置及原因，提高维护效率。

本发明提供一种气动执行机构故障诊断记录仪，包括：数据采集装置、数据处理装置以及触控显示装置，所述数据采集装置与所述数据处理装置通信连接，所述数据处理装置与所述触控显示装置通信连接；

所述数据采集装置，用于采集气动执行机构各参数的实际状态数据；

所述数据处理装置，用于检测上级***发送给智能***的指令，根据所述指令和数据库模型，计算气动执行机构各参数的理论数据，获取气动执行机构各参数的实际状态数据，比对所述理论数据与所述实际状态数据是否一致，如果所述理论数据与所述实际状态数据不一致，计算所述理论数据与所述实际状态数据之间的误差值，判断所述误差值是否在误差允许范围内，如果所述误差值不在误差允许范围内，判定气动执行机构处于故障状态，并分析得出故障分析数据，将所述故障分析数据发送至所述触控显示装置；

所述触控显示装置，用于显示所述故障分析数据并发出故障警报。

可选的，所述数据采集装置包括设置于气动执行机构各测量点的传感器，所述传感器至少包括：位移传感器、压力传感器以及温度传感器。

可选的，所述实际状态数据至少包括：气缸实际位移值、气缸各测量点压力值、气缸与负载间实际的压力值或者拉力值，以及气缸各测量点的温度值。

可选的，所述数据处理装置检测的指令为智能***实际执行的最后一条指令，并作为故障诊断的前提指令。

可选的，所述数据处理装置采用以下方式检测上级***发送给智能***的指令：

数据处理装置获取检测电阻上的电压值，结合欧姆定律I＝U/R，计算得出上级***发送给智能***的指令。

可选的，所述数据处理装置获取的实际状态数据为智能***执行完前提指令后，气动执行机构处于稳定状态下的实际数据。

可选的，所述数据处理装置为STM32嵌入式***，所述触控显示装置为电容型7寸串口屏，所述数据处理装置与所述触控显示装置通过RS232串口总线进行通信。

可选的，所述故障警报包括屏幕闪烁报警、指示灯报警以及蜂鸣器报警。

可选的，所述故障分析数据至少包括：故障类型、故障原因以及故障点位置。

可选的，所述数据处理装置，还用于在判定气动执行机构处于故障状态，并分析得出故障分析数据之后，识别所述故障类型是否是预设的严重故障类型，如果所述故障类型是预设的严重故障类型，输出继电器信号。

本发明的气动执行机构故障诊断记录仪，可检测上级***发送给智能***的指令以计算气动执行机构各参数的理论数据，并获取气动执行机构各参数的实际状态数据，在故障诊断时将理论数据与实际状态数据进行对比，从而诊断出气动执行机构是否处于故障状态，并可判断出故障点进行报警，此气动执行机构故障诊断记录仪对故障判断的依据为气动执行机构各参数的实时数据，诊断结果更加准确，可有效地帮助维修人员判断故障点的位置及原因，提高维护效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气动执行机构故障诊断记录仪的示意图。

图2为本发明实施例提供的数据处理装置诊断故障的流程图。

图3为本发明一可选实施例提供的数据处理装置诊断故障的流程图。

图4为STM32嵌入式***的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种气动执行机构故障诊断记录仪的示意图。该气动执行机构故障诊断记录仪用于对气动执行机构103进行故障的诊断和记录，对气动执行机构103在智能***102的控制下，按照上级***101的指令执行相应的动作。

其中，该气动执行机构故障诊断记录仪包括：数据采集装置104、数据处理装置105以及触控显示装置106。所述数据采集装置104与所述数据处理装置105通信连接，所述数据处理装置105与所述触控显示装置106通信连接。

数据采集装置104可以是各种类型的传感器，这些传感器设置在气动执行机构103上相应的测量点处，用于采集气动执行机构103各参数的实际状态数据。所述数据处理装置105可以根据气动执行机构103各参数的实际状态数据，以及实验台107提供的数据库模型进行故障的诊断，并将故障的结果发送给触控显示装置106进行显示以及报警。

请参阅图2，为本发明实施例提供的数据处理装置诊断故障的流程图，具体可包括如下步骤：

步骤S201，数据处理装置检测上级***发送给智能***的指令。

在本实施例中，所述数据处理装置检测的指令为智能***实际执行的最后一条指令，并作为故障诊断的前提指令。具体地，所述数据处理装置可以采用以下方式检测上级***发送给智能***的指令：

数据处理装置获取检测电阻上的电压值，结合欧姆定律I＝U/R，计算得出上级***发送给智能***的指令。

步骤S202，数据处理装置根据所述指令和数据库模型，计算气动执行机构各参数的理论数据。

步骤S203，数据处理装置获取气动执行机构各参数的实际状态数据。

在本实施例中，所述数据采集装置104具体可以包括设置于气动执行机构各测量点的传感器，所述传感器至少包括：位移传感器、压力传感器以及温度传感器。所述实际状态数据至少包括：气缸实际位移值、气缸各测量点压力值、气缸与负载间实际的压力值或者拉力值，以及气缸各测量点的温度值。并且，所述数据处理装置获取的实际状态数据为智能***执行完前提指令后，气动执行机构处于稳定状态下的实际数据。

步骤S204，数据处理装置比对所述理论数据与所述实际状态数据是否一致。

步骤S205，如果所述理论数据与所述实际状态数据不一致，数据处理装置计算所述理论数据与所述实际状态数据之间的误差值。

步骤S206，数据处理装置判断所述误差值是否在误差允许范围内。

步骤S207，如果所述误差值不在误差允许范围内，数据处理装置判定气动执行机构处于故障状态，并分析得出故障分析数据。

例如，一定时间范围内，如果气动执行机构103中气缸活塞位置的改变范围与变化频率超出设定范围，则判断为活塞震荡故障，再根据具体参数结合逻辑判断具体的故障点与原因。再例如，如果气动执行机构103执行了非零点与非终点的指令后，气缸位置始终处于零点或终点位置，则判断为气动执行机构103某点有漏气现象，再根据具体参数结合逻辑判断具体的故障点与原因。再例如，如果无论指令如何变化，气动执行机构103气缸活塞位置始终不变，则判断为气源故障等等。

步骤S208，数据处理装置将所述故障分析数据发送至所述触控显示装置。

触控显示装置106接收到故障分析数据后，将其进行显示，并发出故障警报提醒相关人员前来维修。所述故障分析数据至少包括：故障类型、故障原因以及故障点位置，所述故障警报可以包括屏幕闪烁报警、指示灯报警以及蜂鸣器报警等。

如图3所示，在一可选实施方式中，所述数据处理装置105还用于在判定气动执行机构处于故障状态，并分析得出故障分析数据之后，执行步骤 S301，识别所述故障类型是否是预设的严重故障类型。具体可以对严重故障类型进行预先设定。如果所述故障类型是预设的严重故障类型，执行步骤 S302，输出继电器信号，控制继电器断开，以对***进行保护。

由以上技术方案可知，本发明的气动执行机构故障诊断记录仪，可检测上级***发送给智能***的指令以计算气动执行机构各参数的理论数据，并获取气动执行机构各参数的实际状态数据，在故障诊断时将理论数据与实际状态数据进行对比，从而诊断出气动执行机构是否处于故障状态，并可判断出故障点进行报警，此气动执行机构故障诊断记录仪对故障判断的依据为气动执行机构各参数的实时数据，诊断结果更加准确，可有效地帮助维修人员判断故障点的位置及原因，提高维护效率。

需要说明的是，本发明的气动执行机构故障诊断记录仪进行故障判断的前提在于认定***各类传感器无故障，并且，认定传感器与转换电路的相应误差不足以影响判断结果，即传感器与转换电路的误差在允许范围内。

本发明的气动执行机构故障诊断记录仪可适用于以下种类的气动执行机构的故障诊断：无放大器和气锁阀的单作用气缸、加放大器和气锁阀的单作用气缸、无放大器和气锁阀的双作用气缸、加放大器和气锁阀的双作用气缸、无放大器和气锁阀的单作用薄膜式调节阀、加放大器和气锁阀的单作用薄膜式调节阀。

本发明的气动执行机构故障诊断记录仪可诊断的故障包括：阀门阻力增加(含卡塞)、***漏气、管路连接部漏气、气缸内漏、放大器漏气、换向阀换向故障以及阀门关闭不严等。

本发明的气动执行机构故障诊断记录仪除了通过传感器采集的数据进行分析、检测故障隐患、判断故障位置、统计故障相关数据，并进行报警之外，还可以具有统计分析阀门长期工作区间、阀门动作频率、累计使用次数、使用时间记录功能，以历史曲线及数值方式显示的功能。此外，本发明的气动执行机构故障诊断记录仪还可以设置***故障保护功能。在智能*** 102故障时，能够对气动执行机构103进行状态保持，维持故障前状态，防止智能***102故障对气动执行机构103造成影响，直至故障排除，恢复***正常状态后可手动或自动恢复。

如图4所示，在本实施例中，所述数据处理装置105具体可以是STM32 嵌入式***，所述触控显示装置106可以是电容型7寸串口屏，所述数据处理装置105与所述触控显示装置106通过RS232串口总线进行通信。STM32 嵌入式***采用模块化设计技术，主要包括嵌入式核心板、通信模块、电源模块、AD采集模块、数字量输入和输出模块、SD卡记录模块等。

STM32嵌入式***的主要功能包括：采集气源压力等计划数据采集点的实时数据，并将数据按照通信协议发送给触控显示装置106。通过对传感器采集的数据进行分析，根据故障诊断逻辑判断是否有阀门阻力增加(含卡塞)、***漏气、气缸内漏等故障。若检测到故障，则将要显示的故障信息发送给触控显示装置106。此外，STM32嵌入式***还可以用于统计故障信息、***状态等相关数据，并保存到SD卡中。

下面将对STM32嵌入式***的各个模块做出详细介绍。

嵌入式核心板即核心处理器，采用以STM32F103ZE为主控芯片，配合电源电路，晶振电路，复位电路以及程序烧录电路的嵌入式ARM***核心板。核心处理器自带电源稳压芯片，在滤波、稳压中起重要作用，保证了电源的可靠性。核心处理器引出了常用必要的I/O引脚，方便与外设进行连接；引出了SWD仿真调试下载接口，可用调试仿真下载器下载，方便简单。程序可用Keil编程软件进行开发，编译好的程序可以通过SWD方式或者ISP 方式下载。

核心处理器内部的串行口具有通信的功能,该串行口可以作为通信接口实现与触摸屏的串行通信。触摸屏的输入输出为RS-232电平，而核心处理器串行口的输入输出均为TTL电平。由于TTL电平和RS-232电平互不兼容，所以两者通信时必须进行电平转换。可以通过MAX232芯片进行RS232/TTL 电平转换。

本***采用的触摸屏需要5-40V电压供电，MAX232接口芯片需要5V 电压供电，STM32嵌入式处理器需要3.3V电压供电。经综合考虑，决定采用24V电源为本***进行供电，通过DC24V转DC5V降压稳压电路为 MAX232接口芯片供电，再通过DC5V转DC3.3V降压稳压电路为STM32 嵌入式核心处理器供电。

传感器输出的电流信号需通过精密的测量电阻变为电压信号,然后通过核心处理器内置的A/D转换器进行模数转换。数字量输入是通过读外部设备触点的通断状态实现的，为了防止外部设备的高电压损坏核心处理器***，也为了避免干扰信号进入核心处理器***。在数字量输入电路中使用了光电隔离器件将核心处理器和外部设备隔离开。为了存储***运行过程中的相关数据以达到断电数据保护功能，所以增加了SD卡存储模块。

触控显示装置106可以拥有按钮、文本、下拉菜单、进度条、滑块、仪表、动画、二维码、数据记录、曲线、圆形进度条等各种组态控件。STM32 嵌入式***只需发送相应串口指令就可以实现相应功能。通过VisualTFT软件实现串口触摸屏的开发与调试，内置的“虚拟串口屏”可进行气动执行机构故障诊断记录仪显示界面的仿真调试。具有良好的人机接口。显示器实时显示数据，并可通过键盘进行各类操作，例如数据显示、菜单操作。

实验台107可以由组态王设计可视化操作界面，并连接数据库读取气缸故障数据，最后通过模拟量输出模块输出模拟量信号。为了验证***设计和理论研究的有效性，需要模拟各种故障出现的过程和发生时的状态进行测试。实验台通过模拟气缸有无故障运行时的情况，将各个参数的变化由数字量转化为模拟量，从而产生4-20mA电流信号，供气动执行机构故障诊断记录仪采集，以验证***设计和理论研究的有效性。

整个实验台通过组态王设计可视化操作界面，可在界面实时修改气缸的各个参数，也可以读取数据库预存的气缸故障参数，并通过RS485协议将数据传输至模拟量输出模块，气动执行机构故障诊断记录仪通过采集气缸运行参数来判断是否有故障。

上位机显示平台主要是通过组态王读取数据库保存的气缸故障实测值，在组态界面显示气缸动态效果并将气压、活塞位置等数据通过485协议传输至模拟量输出模块。实验台的模拟测试***组态界面采用可视化编程软件设计，可直接在界面上选择并读取数据库故障数据，将故障诊断需要的参数显示并发送至模拟量输出模块，且活塞位置可在界面进行动态演示。DAM模块是全新一代基于嵌入式***的模块式数据采集器，采用标准DIN35导轨安装方式，现场安装简单，使用灵活；可应对各种现场应用。模块配置有隔离RS485接口，可单独与PC或PLC通信，也可以与多个485模块组网使用。本***采用的DAM-DA08模拟量输出模块，可以独立输出8路模拟量信号；模块采用高性能12位DA芯片，输出精度可达±0.2％。适用于各种工业控制现场。除此之外，DAM-DA采用光电隔离技术，可以有效保证***可靠及安全。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，包括：数据采集装置、数据处理装置以及触控显示装置，所述数据采集装置与所述数据处理装置通信连接，所述数据处理装置与所述触控显示装置通信连接；

所述数据采集装置，用于采集气动执行机构各参数的实际状态数据；

所述数据处理装置，用于检测上级***发送给智能***的指令，根据所述指令和数据库模型，计算气动执行机构各参数的理论数据，获取气动执行机构各参数的实际状态数据，比对所述理论数据与所述实际状态数据是否一致，如果所述理论数据与所述实际状态数据不一致，计算所述理论数据与所述实际状态数据之间的误差值，判断所述误差值是否在误差允许范围内，如果所述误差值不在误差允许范围内，判定气动执行机构处于故障状态，并分析得出故障分析数据，将所述故障分析数据发送至所述触控显示装置；

所述触控显示装置，用于显示所述故障分析数据并发出故障警报。

2.如权利要求1所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述数据采集装置包括设置于气动执行机构各测量点的传感器，所述传感器至少包括：位移传感器、压力传感器以及温度传感器。

3.如权利要求2所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述实际状态数据至少包括：气缸实际位移值、气缸各测量点压力值、气缸与负载间实际的压力值或者拉力值，以及气缸各测量点的温度值。

4.如权利要求1所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述数据处理装置检测的指令为智能***实际执行的最后一条指令，并作为故障诊断的前提指令。

5.如权利要求1所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述数据处理装置采用以下方式检测上级***发送给智能***的指令：

数据处理装置获取检测电阻上的电压值，结合欧姆定律I＝U/R，计算得出上级***发送给智能***的指令。

6.如权利要求5所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述数据处理装置获取的实际状态数据为智能***执行完前提指令后，气动执行机构处于稳定状态下的实际数据。

7.如权利要求1所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述数据处理装置为STM32嵌入式***，所述触控显示装置为电容型7寸串口屏，所述数据处理装置与所述触控显示装置通过RS232串口总线进行通信。

8.如权利要求1所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述故障警报包括屏幕闪烁报警、指示灯报警以及蜂鸣器报警。

9.如权利要求1所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述故障分析数据至少包括：故障类型、故障原因以及故障点位置。

10.如权利要求9所述的气动执行机构故障诊断记录仪，其特征在于，所述数据处理装置，还用于在判定气动执行机构处于故障状态，并分析得出故障分析数据之后，识别所述故障类型是否是预设的严重故障类型，如果所述故障类型是预设的严重故障类型，输出继电器信号。

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