仪器仪表加速失效激发系统的设计

国机传感科技有限公司 何 方 张 娜 袁 峰 王松亭 常 伟 韩 策 张 凯 金东义

本文针对在仪器仪表智能运维平台运维策略的制定过程中，需要大量仪表性能下降或故障后的测量数据作为基础，而目前市场上还没有成熟的仪器仪表失效激发系统的难题，研发了一款具有仪器仪表性能测试、加速失效激发、智能分析、数据存储等功能于一体的仪器仪表失效激发系统。

通过本系统，可以通过高温、湿热、振动、过量程、过电压等方式，加速激发仪器仪表失效，使之产生性能下降或故障，并将此状态下的数据，提供给运维平台作为数据分析的基础，对提高仪器仪表智能运维平台的准确性、可靠性具有十分重要的意义。

1 系统概述

随着自动化仪表技术水平的进步和流程工业对现场仪器仪表可靠性要求的提高，特别是在航空航天、武器、舰船领域广泛应用的故障预测与健康管理系统PHM（Prognostic and Health Management）技术在仪器仪表领域的拓展，国外的主要品牌的仪表供应商相继开发出包括特征识别、故障表征、预测性维护技术的实时在线运维平台系统。

目前国外主流仪表厂商正在把流程工业主要运行参数（温度、压力、流量、液位、电流、电压、功率、物位、位置、密度）等在线仪表全方位从故障维护、定期维护向预测性维护系统提升，这对流程工业保证长期安全稳定运行意义重大。同时，研究异构数据数快速接入技术，将状态监测、故障诊断、状态预测和维修决策多位合成一体，降低故障漏报率和误报率，提高仪表性能衰减预测精度是十分必要的。

仪器仪表运行特征智能识别、故障表征、预测性维护建模的基础是数据，只有积累了足够多的数据，并以这些数据为基础，对其进行数据挖掘、机器学习，才能提出切实可行的运维策略，才能制定出科学的预测性维护方案。

基础数据又包含两方面的内容，即现场运行的正常准确数据和仪表性能下降或故障后的测量数据，而仪表性能下降或故障后的测量数据难以获得，但仪表性能下降或故障后的测量数据对整个运维平台数据挖掘、机器学习、算法建模，以至于预测性维护方案的制定都是十分重要的，是必须创造的条件。

目前，市场上还没有成熟的仪器仪表失效激发系统，来满足运维平台对仪表性能下降或故障后的测量数据积累的需要。因此，研发一款具有仪器仪表性能测试、加速失效激发、智能分析、数据存储等功能于一体的仪器仪表失效激发系统具有十分重要的意义。

2 组成与功能

本文设计的仪器仪表加速失效激发系统主要包括：测控主机、数据采集及控制装置、高低温试验箱、振动台、压力控制器、水箱、水泵、继电器、气管、电磁阀、各种变送器、变送器工装卡具等部分。

仪器仪表失效激发系统，共有3种失效激发环境，即：常温失效激发环境、湿热失效激发环境、振动失效激发环境，如图1所示为湿热环境下仪器仪表失效激发系统组成框图。

图1 湿热环境下仪器仪表失效激发系统组成框图

常温失效激发是指将仪器仪表装配在相应的变送器卡具上，并置于常温常湿的环境中，对压力、温度、流量、液位、料位等仪表实施的加速失效激发试验；湿热失效激发是指将仪器仪表装配在相应的变送器卡具上，并置于高低温试验箱内，通过改变仪器仪表所处环境的温度及湿度，对压力、温度、流量、液位、料位等仪表实施的加速失效激发试验；振动失效激发是指将仪器仪表装配在相应的变送器卡具上，并置于振动台上，通过改变仪器仪表振动的方向及振动频率，对压力、温度、流量、液位、料位等仪表实施的加速失效激发试验。

3 设计方案

本文设计的仪器仪表加速失效激发系统，共包括压力失效激发分系统、温度失效激发分系统、流量失效激发分系统、液位失效激发分系统、料位失效激发分系统五个部分。

为了取得多台变送器同时进行失效激发的数据，同时也为了更好地对不同仪表的数据进行对比，本设计对同一种类的仪器仪表同时激发5台。对于常温失效激发试验和湿热失效激发试验采用相同的工装卡具，对于振动失效激发试验采用单独的工装卡具。

测试人员可以随时操作测控主机，生成任意时间段的测试情况的统计报表，为仪器仪表预测性维护提供数据支撑。测控主机连接打印机，通过对测控主机的操作可随时打印任意时间段的测试数据或测试结果的统计数据。为解决不同型号仪器仪表测试参数、测试流程等不完全相同的问题，测控主机可以对测试参数、测试流程进行设置，提高系统的通用性和灵活性。测试人员通过操作测控主机，可以按照不同的时间段、仪表种类等多种方式，生成相应的测试数据报表和统计数据报表，并将测试数据存盘，通过U盘或网络的方式，将测试数据导出供数据分析系统分析。为确保只有经授权的测试人员才能操作测试系统，测控主机设置启动登录界面，需输入正确的使用者姓名和密码后方可进入系统工作。

数据采集及控制装置通过以太网通讯接口与测控主机相连，实时接受测控主机下达的测控指令，通过以太网通讯接口将测试得到的数据上传至测控主机；RS485通讯接口与压力控制器相连，通过RS485通讯的方式控制压力控制器输出的气体压力；通过控制继电器，进而控制电磁阀的开启与关闭，实现对5个气路的控制。

压力、温度、流量、液位、料位等变送器接入数据采集及控制装置，数据采集及控制装置通过模拟量输入接口将压力、温度、流量、液位、料位等变送器的测量信号传送至数据采集及控制装置中。

针对流量变送器的失效激发，数据采集及控制装置控制继电器，进而控制水泵的启动与停止，并通过电磁阀将水注入流量变送器入口端，流量变送器出口端与水箱连接，水循环流回水箱。

通过控制压力控制器输出的压力，以及可调节电源输出的电压，可以对变送器施加过量程、过电压的实验，从而实现加速失效的激发。

测控主机可以与本地路由器相连接，通过有线的方式将测控主机接入以太网，也可以与无线通讯模组相连接，通过无线的方式将测控主机接入以太网；测控主机采集的数据通过以太网，以TCP/IP协议的方式传送至远端的网络服务器；网络服务器对测试数据进行分析、处理，测试人员通过浏览器或动态显示屏即可实现对测试数据的实时查询。网络通讯及数据传输如图2所示。

图2 网络通讯及数据传输框图

通过对本系统的实际应用，实现了对压力、温度、流量、液位、料位等仪表加速失效激发的目的，获得了性能下降状态下的数据，为运维平台准确、可靠的分析的创造了有力的条件，对平台算法建模具有十分重要的指导意义。