盾构设备故障诊断与状态监测系统设计.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化49摘要：为了实现对盾构设备的状态故障诊断与检测，文章设计了一种盾构设备故障诊断与状态监测系统，介绍了盾构设备故障诊断与状态监测系统的设计方案、硬件和软件设计内容，并通过实验验证了该系统的有效性。关键词：盾构设备；故障诊断；监测系统分类号：U455.3+9随着城市地下交通建设的快速发展，盾构设备在地铁、隧道等工程中发挥着重要作用1。然而，由于盾构设备长时间运行和复杂的工作环境，其状态故障经常发生，给工程施工和运营带来不利影响。因此，设计盾构设备故障诊断与状态监测系统具有重要意义。1 设计方案为了实现对盾构设备振动和键相信号的获取，需要设计一种分布式多通道智能数据采集器。这种采集器能够同时连接多个传感器，并能够根据不同部件的工况进行合理的布置，以确保数据采集的准确性和全面性。在设计采集器时，需要考虑盾构设备的特殊工作条件。盾构设备通常在地下进行作业，工作环境狭窄、复杂，且存在较高的振动和噪声水平。因此，需要选择合适的传感器来适应这些条件，并保证信号的稳定性和可靠性。为了满足动态分析的要求，要将采集器安装在盾构机旁边，以便实时监测和记录振动和键相信号。同时，由于采集器是分布式设计，可以将多个采集器分布在盾构设备的不同位置，以获取更全面的数据，并更好地了解设备的工作状态。通过设计分布式多通道智能数据采集器，并合理布置传感器以适应盾构设备的特殊工作条件，能够准确获取盾构设备的振动和键相信号。这为后续的数据分析和故障诊断提供了可靠的基础，有助于提高盾构设备的可靠性和安全性。盾构设备故障诊断与状态监测系统的总体技术路线如图 1 所示，利用网络通信技术和数据采集技术实现数据的采集和传输，将各个传感器收集的参数信息数据传输至系统数据库。图 1 盾构设备故障诊断与状态监测系统的总体技术路线对采集到的数据进行处理是一个重要的步骤，包括剔除异常数据和减少采集过程中的噪声干扰，可以确保采集到的数据具有高质量和可靠性。同时，还需要整合多通道传感器的信息，提取故障敏感的特征。通过监测分析技术，可以对机组在平稳运行、启动和停车过程中的运行信号进行全面分析。采用基于多通道信息整合的全矢谱分析系统，可以深入了解转子的空间形态。预警管理功能能够初步预测故障，并确定故障的大致范围。通过健康评估对监测对象的机组进行综合评价，通过趋势分析和预测评估运行情况。专家诊断将振动信号特征和工艺信息特征结合起来，利用基于开放式规则推理的专家推理技术实现旋转机械故障识别。通过易于理解和调整的专家知识库管理方式，充分融合专家经验，并逐步完善故障诊断知识库，提高旋转机械故障诊断的准确率。维修决策是根据预先设定的维修思路处理故障，并进行通知和跟踪，通过短信、电子邮件、工单等形式进行传达。通过应用采集数据的处理、全面分析、预警管理、健康评估、专家诊断和维修决策等关键技术，可以实现及时监测和诊断机械故障。这有助于提高设备的可靠性和安全性，减少故障带来的损失，并提高维修效率和决策准确性。盾构设备故障诊断与状态监测系统设计刘宏亨中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南 长沙 410004文章编号：2096-3092（2024）02-0049-03作者简介：刘宏亨，男，本科，助理工程师，研究方向为工程建筑。装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料502 硬件设计2.1 测点设置现场测点设置内容如表 1 所示。表 1 现场测点设置内容序号部件测点数/个 传感器类型 安装方式安装位置1电机11加速度磁力座轴承座或机壳2减速箱11加速度磁力座输入输出轴3主轴承2高灵敏度加速度磁力座现场可测敏感位置通过设置测点，可以实时监测电机、减速箱和主轴承的振动情况，以及它们之间的关联。这有助于及早发现潜在的故障或异常，并采取相应的维修和保养措施，从而提高设备的可靠性和工作效率。2.2 采集器硬件设计在非稳态、变工况、时变和低频条件下，盾构设备的工作状态会发生变化，导致信号中的噪声与有用信号混合在一起。为准确分析信号，需要对个别通道进行特殊滤波处理，以提高信噪比。这可以通过选择合适的滤波器类型和参数来实现，以滤除噪声并保留有用信号。此外，为满足盾构设备动态分析的要求，采样控制方法也需要进行优化。采样控制方法决定采集数据的频率和精度，对于分析结果的准确性有着重要影响。通过优化采样控制方法，可以确保数据的准确性和完整性，以满足对盾构设备动态行为的分析需求。为实现上述需求，还需要设计相应的滤波电路和基于现场可编程门阵列（FPGA）的采样控制逻辑。滤波电路可以根据具体的滤波要求选择适当的滤波器结构和参数，以实现对信号的滤波处理。基于 FPGA 的采样控制逻辑可以通过编程实现对采样频率和精度的控制，以满足盾构设备动态分析的要求。采集板是一种关键设备，其主要功能是通过 FPGA控制采样过程完成数据采集任务。除了采样控制功能，采集板还设计了逻辑控制程序和多个电路模块，以实现各种功能。采集板的自适应滤波程序根据采集到的信号特点自动调整滤波参数，以提高信号的质量和准确性。通过消除噪声和干扰，自适应滤波程序能够提供更清晰和可靠的信号数据，为后续的分析和处理提供更好的基础。采集板的程控放大模块能够根据需要调节信号的放大倍数，以确保采集到的信号具有足够的幅度范围，能够覆盖设备可能出现的各种振动和键相信号。振动积分模块是采集板上的另一个关键电路模块。该模块能够对采集到的振动信号进行积分处理，以获得位移或速度等与振动相关的参数。通过振动积分模块可以更全面地了解盾构设备的振动特性，从而更准确地分析设备的工作状态和故障情况。采集板的模数转换模块可以将模拟信号转换为数字信号，而且该模块能够将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，以便于后续的数字信号处理和分析2。通过设计逻辑控制程序和多个电路模块，包括自适应滤波程序、程控放大、振动积分和模数转换等，采集板能够实现对盾构设备的数据采集任务。这些功能的实现为后续的数据分析和故障诊断提供了可靠的基础，有助于提高盾构设备的可靠性和安全性。3 软件设计3.1 系统软件的功能采集器系统软件的功能包括托管硬件、驱动设备、提供应用开发所需的 API 接口以及搭建 Web Server 运行环境。托管硬件是系统软件的重要功能，它提供接口驱动、应用开发和运行环境，使系统软件能够有效地协调各个硬件模块的工作。驱动设备是系统软件的另一个重要功能，它满足设计要求，使整个采集器能够顺利地进行数据采集和处理。为提供应用开发所需的API 接口，系统软件采用控制接口，使开发人员能够方便地编写应用程序，并能够有效地利用已有的软件资源。同时，为方便 Web Server 的开发与实现，采集器系统软件搭建 Web Server 运行环境，类似于无线路由器的配置程序，在 PC 机上联网配置。为满足不同的用户需求，采集器系统软件采用 Windows CE 或 Linux操作系统，使用户能够根据自己的需求选择适合自己的操作系统。这样可以提高系统的灵活性和可定制性，使用户能够更方便地使用采集器系统软件。3.2 采集器程序首先，采集器程序通过调用驱动提供的接口，实现采样逻辑。它能够准确地采集各个传感器的数据，并进行标度转换和校准，确保采集的数据准确无误。其次，采集器程序负责现场数据管理。它能够对采集的数据进行实时管理和存储，保证数据的安全性和完整性。同时，它还能够对数据进行处理和分析，造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化51提取出有用的信息，为后续的应用开发和数据分析提供支持。此外，采集器程序还负责数据传输。它能够将采集的数据通过网络或其他方式进行传输，以满足数据的实时传输和共享需求。采集器程序能够确保数据的可靠传输，并提供相应的数据传输协议和接口。最后，采集器程序提供 Web Server 服务。它能够搭建和管理 Web Server 运行环境，使用户能够通过 Web界面进行数据的查看、配置和管理。通过 Web Server服务，用户可以方便地访问和操作采集器系统，提高系统的易用性和可操作性3。3.3 Web Server 程序设计在驱动层设计中，需要进行通信协议的移植和适配，以确保 Web Server 能够与客户端进行通信，包括将通信协议的源代码移植到 Web Server 的平台上，并进行相应的适配和调试工作。同时，还需要进行运行环境的源文件编译和搭建，以确保 Web Server 能够正常运行。这一部分通常使用 C/C+语言来实现。在应用层设计中，主要负责在网页上展现应用界面，包括设计和编写网页，以实现用户界面的展示和交互。这一部分通常采用动态服务器页面（Active Server Pag-es,ASP）技术来实现，它能够将服务器端的逻辑和网页内容进行结合，实现动态网页的生成和展示。3.4 通信设计采集器通过读写 Socket 的方式来实现数据传输，同时遵循特定的通信规约和数据传输格式。整个通信过程设计如下：先进行采集器的配置和数据采集服务器的部署工作。采集器上电后，根据实际需要配置通道信息和传输间隔，例如设置为每 2 s 或 3 s 传输 1 次。如果存在 Web Monitor 数据接收服务，采集器将数据传输到该服务；如果没有该服务，则将数据存储在本地。Web Monitor 提供数据接收缓冲区，根据业务关系将接收到的数据分发并存储到数据库服务器中。Web Monitor 可以进行分布式部署，以提高系统的性能和可靠性4。4 盾构设备状态故障与监测系统的效果验证在完成盾构设备在线振动监测系统的搭建工作后，对其进行盾构实验室内的系统测试。在盾构试验台上，为了进行全矢信息融合，采取了一系列技术手段。首先，在切削主电机轴承座上互为 90方向布置了 2 枚压电加速度传感器。这些传感器通过采集器和交换机连接到电脑主机，实现了振动数据的传输。在主机端，使用 Web Monitor 接收振动数据，并将其传递给监测系统进行分析和诊断。在监测系统的系统管理模块下，设置了对应 2 枚传感器的通道信息，包括采集器 IP 值、通道值等。这些信息可以在系统分析评价模块中观察实时数据的时基图和各类分析谱图，从而对盾构试验台的振动情况进行全面的监测和分析。这一技术手段的应用有助于及时掌握盾构试验台的工作状态，为相关工程提供可靠的数据支持。通过实验验证，结果显示该振动监测系统顺利搭建完成，并且在运行过程中展现出出色的性能和稳定性。如今，盾构机的维修策略倾向于实行状态维护。状态维护需对盾构机工作状态和周围环境进行感知，获得设备当前的健康状况，并通过人工智能方法预测设备的故障和使用寿命。5 结束语振动监测是一种有效的盾构设备状态检测方法，可以实时监测设备的振动情况并判断是否存在故障。在振动监测中，传感器的选择和信号处理是关键技术，其精确性和稳定性对检测结果的准确性有重要影响。此外，故障诊断算法的设计和优化对于准确判断盾构设备故障类型和位置也非常重要。未来的研究方向包括进一步优化监测系统的性能、探索新的故障诊断算法和开发更智能化的状态监测系统等。通过持续的研究和创新，有望提高盾构设备的可靠性和安全性，为城市地下交通建设作出更大的贡献。参考文献1 周嫄.刀具状态监控技术在数控铣削加工中的应用:以ARTIS刀具监控系统为例J.造纸装备及材料,2023,52(11):64-66.2 樊翔翔,项载毓,孙瑞雪,等.基于小波时频分析和Inception-BiGRU模型的盾构滚刀偏磨故障诊断J.振动与冲击,2023,42(15):232-240.3 周胜利.基于ARX-FCM的盾构机液压推进系统故障诊断方法J.液压与气动,2023,47(4):165-174.4 车文龙.盾构机电气故障智能诊断及掘进参数优化研究D.西安:西安理工大学,2019.