电动执行器根据调节器输出的给定信号与位移反馈量之间的偏差控制电机运行，通过变速及传动机构输出角位移或直线位移，实现对调节阀开度的自动控制。

    目前，电动执行器正向智能化、网络化方向发展，执行器的故障诊断与保护越来越受到重视。根据自动化生产的要求，研制了一种以微处理器为核心，具有现场总线通信功能的新一代网络化智能电动执行器（net worked electrical actuator，NEA）。

    网络化电动执行器功能丰富，结构较复杂，本文在分析网络化电动执行器原理及故障特征的基础上，探讨了网络化电动执行器的故障特征信息提取方法和模糊信息融合技术，提出了基于规则的网络化电动执行器故障自诊断与自保护方法，通过断信号故障、通信故障、过载故障等典型故障的判别与保护，验证了本文提出方法的有效性。

    2 网络化电动执行器及故障特征

    2.1 网络化电动执行器系统结构

    如图1所示，网络化电动执行器系统包括网络化电动执行器、现场总线转换器、便携式控制器和上位机系统等4个部分。现场总线转换器是实现不同现场总线接口转换的器件，使网络化电动执行器可以匹配各类型过程控制系统。便携式控制器是实现网络化电动执行器各项参数快速简便设定的设备，可以通过红外通信实时监控网络化电动执行器的运行状态。基于虚拟仪器技术的上位机系统是网络化电动执行器远程管理平台，实现对网络化电动执行器的实时远程操作和管理。

图1 网络化电动执行器系统结构

    网络化电动执行器在调试或运行时，可以由便携式控制器与网络化电动执行器实现点对点红外通信，也可以通过RS485总线网络实现上位机系统与多个网络化电动执行器的连接。通过便携式控制器或上位机系统可以设定电动执行器的运行参数，并对电动执行器的运行状态进行监测。与传统电动执行器相比，网络化电动执行器具有网络化管理功能、故障自诊断与自保护功能，上位机可以通过现场总线网络对多台电动执行器进行远程控制与管理。

    2.2 网络化电动执行器故障分析

    网络化电动执行器是典型的机械、电子、计算机综合系统，其故障主要包括机械、电子两方面的硬件故障（含复合故障）和软件故障。在网络化电动执行器的实际检修过程中，一般根据故障发生部位的不同，将故障划分为外部故障和内部故障两种类型。

    如表1所示，网络化电动执行器的外部故障包括断信号故障、通信故障和过载故障。断信号故障、通信故障可能导致执行器与调节器、上位机之间信号传送错误，引起执行器误动作，损坏设备；过载故障可能会导致执行器电机堵转而烧坏。

表1 网络化电动执行器外部故障分析

    如表2所示，网络化电动执行器的内部故障包括控制单元故障、制动故障、电机及驱动单元故障、机械传动故障。电动执行器的内部故障可能导致电动执行器运行异常，不能正确执行动作，严重时还将损坏过程控制系统中的其他设备，导致过程控制系统瘫痪。

表2 网络化电动执行器内部故障分析

    结合实际检修经验，网络化电动执行器故障具有以下特点：1）网络化电动执行器构成复杂，其故障很难用某种数学模型进行描述；2）同一故障现象可能有多种故障原因，而同一故障原因也可能有不同的故障现象；3）网络化电动执行器的故障原因与故障现象之间的关系具有一定规律，在研发、生产和使用人员大量的实践基础上可总结出行之有效的诊断经验与保护方法。

    3 网络化电动执行器故障自诊断

    网络化电动执行器的故障自诊断流程如图2所示，网络化电动执行器采用模糊信息融合方法实现故障自诊断，执行器根据故障自诊断的输出选择预设的故障自保护措施。

图2 自诊断与自保护流程

    网络化电动执行器故障自诊断是在大量先验知识的基础上，根据故障特征信息和执行器预设运行参数，采用模糊信息融合技术，实时对网络化电动执行器工作过程中出现的异常现象作出准确判断，为网络化电动执行器
实时故障自保护提供决策依据。

    3.1 故障特征模糊信息融合

    电动执行器工作环境大多十分恶劣，一般是密封安装，因此不便于增加新的故障特征信息采集单元。网络化电动执行器故障特征信息主要来自电动执行器运行过程中自身各类信号量包含的设备信息和状态信息，如电机温度、电机工作电流、电机转速、位置传感器输出值、给定信号量、运行时间、通信数据包等，获取方式如表3所示。

表3 故障特征信息及获取

    信息融合可分为3个层次：像素级融合、特征级融合和决策层融合。网络化电动执行器每种故障特征信息反映的故障原因都不同，且相互间关联程度不同。根据各故障特征信息的关联程度及实践经验，本文将故障特征信息划分为2组，一组为电机温度、电机转速、电机电流、时间；另一组为位置量、给定量、通信数据包、时间，采用特征级模糊信息融合方法，分别对两组故障特征信息进行融合，模型如图3所示。

图3 故障特征信息融合模型

    根据模糊信息融合原理，首先需要对故障特征信息进行模糊化处理。确定隶属函数的方法有多种，根据网络化电动执行器故障特征的统计数据，本文将故障特征信息划分为小、很小、正常、大、很大5个档级，选取正态分布函数作为隶属函数。

    小、很小档级，服从降半正态分布函数：

                 （1）

    正常档级，服从正态分布函数：

            （2）

    大、很大档级，服从升半正态分布函数：

    式中：μ（x，g）为隶属度函数；x为论域中的元素；g为档级；c，k分别为修正值和特征值，与故障特征信号有关。

    根据网络化电动执行器故障统计信息，选取故障特征信号的系列特征值作为隶属函数分段划分点依据，表4列出了5级模糊算子特征值。表5是典型故障的故障特征参数。

表4 故障特征信号典型特征值

表5 典型故障特征参数

    对故障特征信息运用模糊数学理论和可信度方法进行推理，输出一个定性的模糊结论。其模糊信息推理规则可表示为：

         （4）

    式中：规则的触发条件中的P_kj（P_k1，P_k2，.，P_km）表示故障特征信息的语言值；t_kj为第k条规则第j个语言值的隶属度值；Q_k表示规则所得结论，CF_k表示第k条规则的信任程度。

    如电机温度T、电机转速S、电机工作电流I、电机转速变化率SC，这4个故障特征信息进行模糊融合得到模糊判定结论U的某条规则可采用如下语句：

    式中：μ_Ti、μ_I、μ_Si、μ_SCi分别表示温度、电流、转速、转速变化率的隶属度；T_i、I_i、S_i、SC_i分别表示温度、电流、转速、转速变化率的语言值；CF为该规则的可信度。

    以一个实例进行说明：

    If μ_T1：0.8，T₁：温度高，∧μ_I：0.6，I₁：电流大，∧μ_S1：0.9，S₁：转速低，∧μ_SCi：0.7，SC₁：无转速变化，

    Then 电机发生堵转性过载导致电机停转（0.9）

    根据模糊推理与实践经验得到系列规则表（见表6），特定工况下故障特征信息量经过模糊推理后与规则匹配，得到融合结果。通过对故障特征信息进行模糊信息融合，得到对执行器各部分运行状态的初步描述，为后续的故障自诊断提供依据。

表6 某故障特征模糊融合

    3.2 基于规则的故障自诊断

    由于网络化电动执行器可能出现故障较多，知识规模庞大，但另一方面网络化电动执行器的故障特征经过信息融合处理后具有直接可推理性，在本文中考虑到网络化电动执行器故障诊断与保护的实时性，采用基于规则的专家系统进行故障自诊断。基于规则的专家系统中推理机把事实（故障特征信息的融合结果）与知识库中规则的先决条件（预设状态）进行比较，激活相应规则，得到专家系统评判结果。

    本文中的网络化电动执行器故障诊断专家系统中的知识库是由生产实践中的经验总结而来，是一系列的故障判断规则的集合。如有下面的诊断规则：

    If 电机正常 ａnd 执行器不动作 ａnd 运行时间异常

    Then 传动机构故障

    为提高网络化电动执行器故障自诊断的实时性，需要对专家系统中的知识库进行梳理、简化，形成简明规则，便于网络化电动执行器的微处理单元编程实现。参见表7，根据前文所述的故障特征模糊信息融合方法与规则推理方法，针对网络化电动执行器总结出故障自诊断规则。

    网络化电动执行器故障特征信息融合与基于规则的专家系统相结合，大大简化了专家系统中知识库的规则数量，为实现实时故障诊断提供了保障。

表7 网络化电动执行器故障自诊断与保护规则

    4 网络化电动执行器的故障自保护

    网络化电动执行器故障自保护是根据故障自诊断结论，按照预设的规则采取故障自保护措施。网络化电动执行器的自保护方法包括硬件保护与软件保护。硬件保护是指故障的发生引起硬件保护设备动作，是一种不可自行恢复的保护方法，即故障排除后需人干预才能恢复正常工作。软件保护是对故障特征信息进行模糊信息融合、专家诊断与知识推理后采取软件保护措施，由微处理器完成相应工作，是一种可自行恢复的保护方法，即故障排除后执行器可自行恢复正常工作。根据实践经验总结的网络化电动执行器软件故障自保护规则见表7。

    网络化电动执行器软件自保护流程是根据故障的特点及执行器结构进行设计的。网络化电动执行器的微处理器单元根据预设的状态参数和自诊断故障类型，按照一定的自保护流程控制相应的单元进行动作。参见图4，程序进入自保护子程序后，首先对自诊断输出结果进行判别，识别故障类型。程序将根据故障类型自动调用对应的故障保护动作子函数，并声、光报警提示。

图4 故障自保护软件流程

    网络化电动执行器硬件自保护所针对的故障主要是控制单元故障、制动故障。硬件自保护装置主要是行程开关和继电器。根据具体工况条件，在网络化电动执行器安装调试时将行程开关安装在允许行程的上下限位置处。执行器运行越限时，行程开关被触发，通过继电器强行切断执行器电源，保证执行器运行不越限。故障排除后，将行程开关手动复位后网络化电动执行器可恢复正常运行。此外网络化电动执行器的通信端口需要采取光电隔离和过压、过流保护措施，以防止意外损坏。

    软硬件故障自保护方法中，软件故障保护实质上是一种提前预保护，硬件故障保护是保证网络化电动执行器与过程控制系统安全的*后防线，两者的有机结合能够充分发挥彼此的长处，有效预防事故的发生。

    5 结论

    随着嵌入式系统、智能控制技术的发展，网络化、智能化的电动执行器必将成为电动执行器的发展方向。在已有电动执行器的基础上，本文给出了一种网络化电动执行器的基本结构，并综合运用信息融合技术、专家系统、故障保护技术，提出了一种网络化电动执行器故障自诊断与自保护实现方法，提高了电动执行器的可靠性。该网络化电动执行器自2005年在湖南维特科技发展公司投入使用以来，运行状况良好，能实时自诊断出网络化电动执行器运行中出现的各种故障并进行自保护，提高了电动执行器的可靠性，受到用户的好评。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司