基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法.pdf

第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:山西省重点研发计划()作者简介:李嘉敏()男硕士研究生主要研究方向嵌入式系统开发通信作者:董增寿教授:基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法李嘉敏董增寿常春波高文华陈 炜(太原科技大学 电子与信息学院太原 山西中谷科技股份有限公司太原)摘 要:脉冲清灰装置是袋式除尘器的重要组成部分如果脉冲清灰装置存在故障将严重影响除尘器的除尘效率进而影响工业生产 为了保障除尘器的除尘效率通过对脉冲清灰装置进行系统的研究详细的介绍了一种基于小波分析提取除尘机清灰系统故障特征的方法该方法将采集的气包压力信号进行小波变换并提取得到清灰系统不同故障的相关特征量通过与无故障的特征量进行对比可实现对脉冲清灰系统中脉冲电磁阀不喷吹故障和漏气故障的精确诊断和定位关键词:故障诊断模极大值法小波分析奇异点检测中图分类号:文献标识码:./.袋式除尘机是一种高效的除尘设备其除尘率可高达 处理后的烟尘浓度可低于 /这种除尘效率远高于其他除尘设备 袋式除尘机在运行过程中主要包括两个状态一个是过滤状态另一个是清灰状态这两种状态组成了完整的除尘机除尘过程 其中在清灰过程中为确保除尘机内部运行阻力保持在一定的范围内防止滤袋内积尘过多需通过控制仪依次打开脉冲电磁阀使气包内的压缩空气喷吹到各除尘袋滤内通过脉冲气流的瞬间冲击效应将滤袋内表面的粉尘颗粒清除掉完成一次脉冲清灰过程脉冲清灰系统中常见故障可分为两类一类是脉冲电磁阀不喷吹故障另一类是漏气故障漏气故障又可分为脉冲阀漏气和气包漏气 造成脉冲电磁阀不喷吹的原因包括脉冲电磁阀开路控制器接触不良、脉冲阀泄气孔堵塞等目前对于清灰装置的故障检测包括脉冲阀是否开路以及清灰装置是否漏气 其中脉冲阀是否开路常采用的是电路反馈法来判断而漏气检测常采用压差法、流量法等来判断 检测脉冲阀是否漏气最有效的方法是流量法通过在每个脉冲阀的出气口和喷吹管之间安装一个流量传感器并监测其流量参数来判断脉冲阀是否存在漏气故障 虽然这种方法简单直观但是其仍存在一些缺陷:首先流量传感器需要串接在系统气路中改造成本较高其次除尘机的喷吹管数量较多需要安装的传感器数量过大其成本太高不适合大规模应用 根据帕斯卡定律可知当气包或脉冲阀存在漏气故障时其气包内部的压力也会发生变化当漏气程度逐渐增大时压力变化的程度会更加剧烈同时较流量传感器而言压力传感器更具有价格优势不仅便于安装而且不会导致气包内的压力发生变化常用的故障诊断方法一般分为三大类:基于模型的方法、基于信号处理的方法和基于人工智能的方法其中基于模型和基于人工智能的故障诊断方法适用于结构复杂或大型装备系统的诊断而本文的除尘机清灰系统故障属于小型单属性故障适合采用基于信号处理的故障诊断方法 而小波分析向来有着“数学显微镜”的美称也是当前对非平稳信号进行分析处理的最理想工具 因此本研究提出一种基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法该方法通过实时检测气包内部压力信号分析并提取信号中与这两种故障相关的特征量通过对比无故障时的特征量来判断清灰装置是否存在故障 实验平台搭建及数据采集本文为了真实的模拟除尘机清灰系统的故障状态搭建了如图 所示的实验平台 图 为除尘机清灰系统结构图其工作原理为:首先通过空气压缩机为气包提供气源其次在清灰过程中脉冲控制仪发出脉冲信号依次打开脉冲电磁阀进行喷吹并通过压力传感器采集此过程的压力信号图 实验系统图 图 除尘机清灰系统结构图 在本实验中采用数字压力传感器采集气包内部的压力信号采集频率为 设定脉冲控制仪的控制路数为 路脉冲宽度为 脉冲间隔为 周期间隔为 其中脉冲宽度是指脉冲信号持续时长脉冲间隔是指产生相邻两次脉冲信号所需时间周期间隔是指相邻两个除尘周期所需时间除尘周期是指控制仪完成对所有脉冲电磁阀的驱动时间 图 所示为清灰系统完成一轮脉冲喷吹时气包内部压力信号的波形图 N C B S4fF%图 原始信号波形图 小波分析 小波变换模极大值原理选用基小波函数()对函数()()作小波变换:()()()()()()()式()中()称为小波变换系数 为尺度因子 为平移因子 式()中()是高斯函数当 时式()可写为:()()()()式()中的积分()()可以视为函数()用高斯函数()按尺度 进行光滑后的结果当 很小时用()对()光滑的结果及对()的突变位置及形状影响不大由式()可知小波变换()与尺度 下光滑后函数()的一阶导成正比 因此()的极大值点对应的是()()的突变点当尺度 较小时()()的突变点就是()本身的突变点这表明小波变换模极大值的位置与信号突变点之间存在一一对应的关系由图 可知脉冲阀在每次喷吹后气包内会产生一个压降信号该信号属于突变信号因此根据小波变换第 卷第 期 李嘉敏等:基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法极大值原理对原始信号 进行小波变换可快速检测出信号中的突变信号 小波基的选取在小波变换中小波基的选取尤为关键不同的小波基对信号的分解效果也不同 在对数字信号进行小波变换时常采用 小波和 小波作为小波基函数因此在本实验中分别采用 和 小波基对原始信号 进行小波分解并提取细节信号进行对比分析如图()、图()所示分别为采用 小波和 小波对原始信号 分解后的细节信号 通过对比发现随着分解层数的增加采用 小波和 小波都能识别出原始信号 中突变信号的位置及个数图()、图()所示为原始信号 分别采用 小波和 小波变换后的 层模极大值波形图其中采用 小波分解的第 层模大极值波形图中已经可以准确的定位奇异点 因此为了简化计算量本文选用 小波基进行小波变换E E E E ffffE E E E fffffECIBBSF%UBUF%UCUF%4 N C B S图 层小波分解细节信号 E E E E ffffE E E E ffffECIBBSF%UBUF%UCU图 小波变换模极大值波形图 太原科技大学学报 年 基于小波分析的清灰系统故障诊断算法本研究以除尘机清灰系统故障作为主要的研究问题通过对数字压力传感器采集的气包压力信号进行小波变换分析除尘机清灰装置在工作时的压力信号曲线的时频特性可实现对除尘机清灰系统常见故障的检测和定位如图 所示为诊断系统的流程图本实验中存在两种故障类型其故障 为脉冲电磁阀不喷吹故障故障 为漏气故障 具体步骤如下:()将清灰系统完成一轮脉冲喷吹后的压力信号进行小波变换()通过模极大值法计算出奇异点的位置和模值()确定奇异信号的数量以及计算各奇异点模值的均值()分别进行故障 和故障 的诊断图 除尘机清灰系统故障诊断流程图 故障 诊断故障 的诊断相对简单其实质就是对奇异信号的检测当脉冲阀正常喷吹时会产生一个奇异信号 奇异信号的数量代表脉冲阀喷吹的次数因此故障 诊断流程图如图 所示当检测到原始信号 中的奇异信号数量奇异与实际脉冲阀数量阀不相同时则表明存在故障 此时根据奇异信号空缺的位置确定故障阀并进行报警提醒 故障 诊断故障 的诊断相对繁琐当存在故障 时气包内的高压气体发生泄漏造成内部压力持续下降此时脉冲喷吹产生的压降幅值也会降低 因此可以计算各阀喷吹时产生压降值的均值去判断/:图 故障 诊断流程图 是否存在故障 而喷吹时产生的压降值可通过小波变换模极大值法中奇异点的模值表征所以可以将无故障时压力信号奇异点模值的均值作为基准阈值当测量的压力信号奇异点模值的均值明显小于基准阈值时可判定存在故障 基准阈值 阈值由式()计算得到其中 至表示奇异点的模值 表示奇异点个数阈值 ()造成故障 的原因分为脉冲阀漏气和气包漏气气包漏气时有明显的物理现象很容易发现故障点而脉冲阀漏气时属于内泄漏排查相对困难因此需要对脉冲喷吹时产生的压降信号进行分析找出脉冲阀存在漏气故障时的特征量 如图 所示为故障 的诊断流程图当确定系统存在故障 时还需对漏气故障点进行定位 具体步骤如下:/:图 故障 诊断流程图 第 卷第 期 李嘉敏等:基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法()截取压降信号 由图 可知压降信号波形持续时间在 个采样点左右因此为确保信号的完整性压降信号 通过截取原始信号 中奇 N C B S图 压降信号 异点位置前后各 个采样点得到()归一化处理 为了降低因初始喷吹压力不同带来的干扰将截取的压降信号进行归一化处理 归一化公式如下:()()式()中为归一化后的数据 为原始数据和为原始数据中的最大值和最小值归一化后可将数据转换到 区间()小波能量分析 分别选用 和 小波对归一化后的压降信号 进行小波分解如图 所示BEEEBEEEIBBSECBCf图 压降信号 层小波分解 由图 可知压降信号经 小波分解后其细节信号能量主要集中在压降信号持续期间因此本文选取 小波对压降信号进行分解并对其细节信号进行能量分析 式表示不同尺度下的小波能量值 的计算公式:()式()中()表示重构的第 层细节信号()表示细节信号的离散点幅值()阈值判定 将无故障时压降信号小波分解后的细节信号能量值阈作为基准阈值当细节信号能量值 大于基准阈值时则可认为该脉冲阀存在漏气故障 基准阈值阈为各层小波能量值之和如式()所示:阈()实验验证为真实模拟不同类型的故障本实验通过压力传感器记录除尘机清灰系统无故障时、存在脉冲阀不喷吹故障时以及存在脉冲阀不同泄漏程度时气包内压力随时间的变化情况并输出压力信号 其中通过断开脉冲阀电源来模拟脉冲阀不喷吹故障通过在脉冲阀膜片上分别钻取直径为、的小孔来模拟脉冲阀不同的泄漏程度 太原科技大学学报 年实验:当 号阀和 号阀存在脉冲阀不喷吹故障时对信号 进行小波变换后其第 层细节信号 如图 所示可明显发现 号阀和 号阀处未产生奇异信号因此可以通过检测奇异信号的方式对脉冲阀不喷吹故障进行检测ffF%4 N C B SE 图 信号 小波分解第 层细节信号图 实验:采用 小波对不同漏气程度下压力信号 进行 尺度的小波分解并计算细节信号的能量计为 其中和 如表 所示表 细节信号小波能量 序号膜片孔径规格/和(无故障)从表 的数据分析可知随着膜片孔径 的增大脉冲阀漏气程度也不断增大通过其压降信号分解后的各层细节信号计算所得的小波能量值均呈现逐渐增大的趋势 因此在无故障情况下的各层细节信号均可以作为基准阈值 本文为了最大程度的区分故障信号能量且降低程序运算复杂度最终选择将三层细节信号的能量和作为脉冲阀漏气故障的基准阈值实验验证表明采用基于小波分析方法将分解后的细节信号计算能量值作为故障特征量通过对比分析进而判断脉冲阀是否漏气的检测方法是可行的且该检测方法可应用于实际工程中 结束语针对目前除尘机清灰系统故障检测方法的局限性本文提出一种基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法通过实验对采集的数据进行论证分析得出以下结论:()采用小波模极大值和奇异点检测法可以精确定位脉冲阀不喷吹故障点该检测方法不仅易于实现而且可在除尘机工作过程中对其进行实时的检测()选用 小波对压降信号 进行离散小波变换并将分解候的细节信号的能量值作为故障特征量通过对比设定的基准阈值来判断脉冲阀是否存在漏气故障进而实现对脉冲阀漏气故障的精准定位()实验结果表明该方法在诊断除尘机清灰系统故障中是可行的且该方法具有一定的实际应用价值参考文献:戎毅仁.简述布袋除尘器的原理及运用.内蒙古科技与经济():马鑫.袋式除尘器脉冲喷吹清灰机理研究.沈阳:东北大学.相卫国.布袋除尘器脉冲清灰智能控制系统设计与实现.济南:济南大学.周俊中.液压缸内泄漏检测方法的改进.润滑与密封():.第 卷第 期 李嘉敏等:基于小波分析的除尘机清灰系统故障检测方法 张兆东张均利张鸿鹄等.基于小波分析的液压缸内泄漏检测方法.液压与气动():.齐翠丽.基于小波阈值法和模极大值法的语音去噪算法研究.河北秦皇岛:燕山大学.姜万录周京干朱勇.液压缸内泄漏故障的敏感特征参数选择的实验研究.液压与气动():.杨秀奎.脉冲袋式除尘器工作原理及使用和维护.应用能源技术():.张守中刘苗辉.小波分析在非平稳速变信号处理中的应用.中国新技术新产品():.孙昊李凌燕杜海莲等.故障信号小波检测方法的研究.河北电力技术():.印欣运何永勇彭志科等.小波熵及其在状态趋势分析中的应用.振动工程学报():.():(上接第 页):()().:太原科技大学学报 年