1 引言
回顧過(guò)去,作為電子地磅稱(chēng)重系統的核心部件,應變式稱(chēng)重傳感器的發(fā)展主要經(jīng)歷了從模擬式到數字式的轉變
2研究分析過(guò)程
作為國內應變式稱(chēng)重傳感器的主要企業(yè),我們希望通過(guò)產(chǎn)品生命周期管理(product lifecycle management,PLM)的研究縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量與服務(wù)價(jià)值。但本質(zhì)上,產(chǎn)品生命周期是一個(gè)關(guān)于產(chǎn)品管理的體系,是產(chǎn)品從原材料入廠(chǎng)、制造過(guò)程、出廠(chǎng)運輸、實(shí)際使用、最終退市等全過(guò)程的信息傳遞的渠道,需要企業(yè)有良好的信息化基礎,才能支持產(chǎn)品生命周期信息的創(chuàng )建、管理、分發(fā)和應用,它也體現了現代企業(yè)通過(guò)信息技術(shù)管理自身業(yè)務(wù)的理念。在非物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的條件下,傳感器和儀表發(fā)給用戶(hù),使用的各種狀態(tài)很難全面獲取,一般都是衡器出故障或失準了,終端用戶(hù)通過(guò)電話(huà)聯(lián)系衡器廠(chǎng)家解決問(wèn)題。但到底是哪個(gè)部件的問(wèn)題?問(wèn)題到底是如何產(chǎn)生的?各制造環(huán)節有沒(méi)有工藝、質(zhì)量問(wèn)題?這些問(wèn)題有沒(méi)有經(jīng)濟有效的解決途徑?等等諸如此多的問(wèn)題都很難徹底解決,導致國內衡器及其配件質(zhì)量和技術(shù)水平都在同質(zhì)化惡性競爭中難以提升。為此,我們率先從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)入手,通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統圍繞秤臺實(shí)際的各種工況條件展開(kāi)研究,在多物理量傳感器、限位距離監測、角度監測、秤臺撓度監測、基礎強度和水平度監測等非稱(chēng)重物理量上大量展開(kāi)研究,以便能更好的發(fā)現秤臺工作中的各種變化和影響準確性的因素,通過(guò)傳感器智能化與物聯(lián)網(wǎng)化創(chuàng )新、其它物理量輔助采集,以邊緣計算及多物理量融合技術(shù)來(lái)發(fā)現上述這些應用問(wèn)題的根源。首先,通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺及大數據分析技術(shù),一方面分析回收傳感器的故障分析統計數據,追溯至研發(fā)、使用和制造等環(huán)節進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化;另一方面,分析稱(chēng)重現場(chǎng)的傳感器使用數據,通過(guò)模型訓練來(lái)預測傳感器健康狀態(tài)(包括功能壽命和物理壽命)的衰退趨勢。最終,結合使用和回收環(huán)節分析得到的信息開(kāi)發(fā)產(chǎn)品故障預警系統,并根據不同的使用場(chǎng)景及可能的故障類(lèi)型實(shí)現個(gè)性化產(chǎn)品定制,分析研究流程具體如圖1所示;其次,通過(guò)大數據分析給用戶(hù)提供衡器秤體、限位和基礎等的改善建議報告,最終為計量更加準確和產(chǎn)品更可靠而增值,為實(shí)現國內衡器由數量轉向高質(zhì)量發(fā)展服務(wù),這種需求的實(shí)現技術(shù)就得依靠物聯(lián)網(wǎng),我們衡器行業(yè)人士應該毋容置疑,我們每年在國際國內舉辦上百場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品巡回服務(wù),正在為衡器物聯(lián)網(wǎng)系統的普及和推廣不懈努力中。
關(guān)于電子汽車(chē)衡的變化研究,在傳統衡器的經(jīng)驗依據下,其最為直觀(guān)的可見(jiàn)變化就是零位的變化,即當一臺汽車(chē)衡配置完整安裝在現場(chǎng)時(shí),其空秤臺的總重是一定的,起始每只傳感器的零點(diǎn)和靈敏度也是被確定了的,所以,理論上這臺衡器的空秤臺零點(diǎn)應該在一段時(shí)間內不會(huì )發(fā)生較為明顯的變化,以前由于汽車(chē)衡不聯(lián)網(wǎng),這些數據的變化與否以及變化大小,都基本無(wú)人關(guān)注,當汽車(chē)衡出現故障或失去準確性時(shí),也是盲目的對傳感器和儀表經(jīng)過(guò)設備廠(chǎng)家的維修人員檢修后,只要發(fā)現有異常的就予以更換,無(wú)人知道和分析這些故障產(chǎn)生的原因,這對衡器設備廠(chǎng)商和傳感器、儀表廠(chǎng)家都是技術(shù)提升的不利因素。目前推廣物聯(lián)網(wǎng)系統以后,我們通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器正常使用時(shí)產(chǎn)生的歷史數據,提取辨識傳感器的運行工況特征,結合秤臺定期檢定及校準時(shí)記錄的傳感器數據及退回故障傳感器的歷史使用數據,訓練建立傳感器健康狀態(tài)的評價(jià)模型。針對不同故障類(lèi)型,在傳感器全生命周期中追溯“致命”原因,提供改進(jìn)措施。對于實(shí)時(shí)在線(xiàn)的稱(chēng)重及狀態(tài)數據,可以通過(guò)建立的健康評價(jià)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)評價(jià)及健康衰退趨勢的分析預測,給終端用戶(hù)提供故障預警服務(wù)建議。在物聯(lián)網(wǎng)衡器系統中,我們在以物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器為技術(shù)基礎的優(yōu)勢上,重點(diǎn)將對每只傳感器內碼(即數字傳感器零點(diǎn))變化做實(shí)時(shí)采集和變化規律分析研究,從而推斷汽車(chē)衡使用中的偏載誤差、超載情況及次數、稱(chēng)重過(guò)程對傳感器內碼的影響等,來(lái)分析傳感器內碼變化作相關(guān)討論。其中,數據準備工作包括數據清洗以及基于一定規則將傳感器內碼序列按秤臺的不同狀態(tài)———空秤穩定狀態(tài)、非穩定狀態(tài)以及負載穩定狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。
對傳感器內碼進(jìn)行分析之前,需要了解多節秤臺衡器上不同位置傳感器的受力關(guān)系,理想的受力關(guān)系需滿(mǎn)足,即多個(gè)傳感器的內碼之間存在一定關(guān)系(y理論=f(x)),通過(guò)研究不同狀態(tài)的X與實(shí)際輸出y實(shí)際,發(fā)現傳感器使用的經(jīng)驗規律f,不斷優(yōu)化傳感器的生命周期管理。
對于物聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)衡設備,我們以表1的格式為例,列出基本信息,其中設備代號A30120右上角的數字30代表使用的傳感器滿(mǎn)量程值(30t),右下角的數字120代表儀表設置的秤臺標定滿(mǎn)量程值(120t),文字“砂石”代表使用場(chǎng)景(砂石廠(chǎng))。另外用于參考的信息還包括:安裝城市,用于關(guān)聯(lián)汽車(chē)衡使用的環(huán)境天氣數據(可從氣象網(wǎng)站爬取數據);基坑類(lèi)型:分無(wú)基坑/淺基坑/未知;傳感器名稱(chēng),如QS-D30t(E),提供了傳感器的結構、材料、滿(mǎn)量程、數字模塊類(lèi)型等具體信息。理論上,傳感器安裝于秤臺下方正常受力時(shí),初始空秤總內碼與秤臺自重正相關(guān),隨著(zhù)傳感器自身零位以及受力位置的變化,實(shí)際的空秤總內碼會(huì )發(fā)生變化,所以表1中同時(shí)給出了“初始空秤總內碼”與“最新空秤總內碼”,作為快速判斷系統受力變化的參考。
以某臺10只傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)衡過(guò)磅過(guò)程為例,收集到的內碼數據變化所繪制的物聯(lián)網(wǎng)傳感器內碼隨時(shí)間變化的圖形,可以看到其能很明顯的展示該汽車(chē)衡在一次完整稱(chēng)重過(guò)程中傳感器內碼的變化,包括上下秤的非穩定狀態(tài)以及車(chē)輛停止在秤臺上的穩定狀態(tài),其中穩定狀態(tài)持續時(shí)間約為160s,而車(chē)輛上下秤過(guò)程都不超過(guò)20s,同時(shí)可以根據不同傳感器內碼的變化順序判斷安裝位置(依舊是(1)(2)、(3)(4)、(5)(6)、(7)(8)、(9)(10)為同軸傳感器),從曲線(xiàn)圖觀(guān)察到該臺秤的(5)(6)號傳感器受力有偏差(即(6)號傳感器內碼大于(5)號)。另外,在車(chē)輛下秤過(guò)程中,(2)號傳感器受沖擊較嚴重(傳感器內碼瞬時(shí)增大),直接影響就是上文中提到的傳感器零位(空秤/空載內碼)變化。如果本次過(guò)磅過(guò)程中有人為作弊行為,則圖4中的曲線(xiàn)也會(huì )發(fā)生明顯的異常變化,會(huì )背離正常過(guò)磅的曲線(xiàn)變化趨勢,便可做出必要的作弊預警提示,并以過(guò)磅日志形式存儲在服務(wù)器,便于數據可靠性、真實(shí)性的追溯??梢?jiàn),通過(guò)分析秤臺非穩定狀態(tài)下傳感器內碼的變化,可以提取傳感器安裝位置與車(chē)輛上下秤行為的信息,量化傳感器在使用中受到的外界和載荷作用的影響,結合傳感器使用、更換維修等日志,為傳感器可靠性、數據真實(shí)性分析提供了研究的基礎。
3結束語(yǔ)
關(guān)于衡器物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)重傳感器生命周期及故障預警研究,本質(zhì)意義上是要解決痛點(diǎn)問(wèn)題,如稱(chēng)重準確性、數據真實(shí)性(亦即防作弊問(wèn)題)、數據按需流動(dòng)性(亦即信息化需求問(wèn)題)、故障預測性,遠程可維護性,無(wú)人值守自動(dòng)稱(chēng)重等。目前衡器行業(yè)中還沒(méi)有有效可行的研究理論和結論,本文在研究主題內容的同時(shí),對基于稱(chēng)重傳感器內碼分析的結果也做了大量分析,初步結果表明,汽車(chē)上秤剎車(chē)導致的橫向沖擊力以及秤臺面與路面存在間隙或秤臺面與路面存在高低落差導致車(chē)輪垂直沖擊力是引起內碼變化的一個(gè)原因。另外結合多物理量傳感器采集的數據分析發(fā)現,秤體剛度、基礎牢固度、限位距離大小等因素的影響也非常大,早已將C3精度的傳感器的置信度都淹沒(méi)了,所以行業(yè)有些宣傳C5、C6級傳感器,本分析認為上述工況條件及問(wèn)題若沒(méi)有很好解決,即使用了如此高精度的傳感器,應該也沒(méi)有任何實(shí)際意義,理性引導市場(chǎng)良性技術(shù)發(fā)展也是根本。相應的,通過(guò)分析秤臺非穩定狀態(tài)下的傳感器內碼,可以提取更多信息(如傳感器安裝位置、車(chē)輛上下秤行為等)作為傳感器使用日志,便于及時(shí)提醒用戶(hù)對秤臺變形、基礎沉降、路面塌陷、限位失效、傳力件磨損等常見(jiàn)問(wèn)題做出提前維護,此類(lèi)日志數據的積累,可為后續產(chǎn)品的服務(wù)提供依據以及為傳感器可靠壽命研究建立基礎模型。
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