【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及控制工程与自动化，具体为基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法及系统。
技术介绍
1、目前水电站桥大中型(门)式起重机中多数的控制都是采用一套分布式io系统，它以主机架cpu与扩展机架从站模块进行总线组网，并挂入驱动装置进行数据通讯。当系统任何一处发生故障，整个系统将被迫停机，影响作业。市面中为了解决plc系统故障，推出的plc软冗余控制，即cpu或者plc设置两套，通过专用技术，一套系统故障后，内部软件快速切换到另一套控制系统，使设备快速切换，快速恢复，但是其价格昂贵，主要用于水电站机组等控制切换时长要求特别快的系统中，并不太适用在水电站桥(门)式起重机中。
技术实现思路
1、鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
2、因此，本专利技术解决的技术问题是：在检测到起重机可能出现故障或达到预定的健康指数阈值时，如何平稳、迅速地切换控制系统，从主控制系统切换到备用控制系统，以确保起重机的安全和连续运行。
3、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其包括如下步骤，
4、通过传感器和控制系统实时监控起重机的运行状态；根据运行状态切换控制系统；根据机器学习算法对起重机的运行数据进行分析，预测故障并提前采取措施；根据系统故障定期对冗余系统进行测试。
5、作为本专利技术所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的一种优选方案，其中：所述实时监控起重机的运行状态包括，
6、使用数据采集模块收集传感器的数据，并进行数据预处理。
7、所述预处理包括对输入数据进行去噪。
8、所述去噪表示为，
9、
10、其中，y(t)是去噪后的起重机数据，n表示起重机数据点数，x(t)表示输入的起重机数据，t表示时间序列的时刻，i表示索引。
11、作为本专利技术所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的一种优选方案，其中：所述根据运行状态切换控制系统包括，对传感器数据定义权重，根据权重和传感器数据计算健康指数。
12、所述健康指数表示为，
13、
14、其中，a表示起重机的角度，amax是角度的最大安全值，v表示起重机的移动速度，vmax表示速度的最大安全值，w表示吊起物品的重量，wmax表示重量的最大安全值，t表示起重机的温度，tmax表示温度的最大安全值，i表示起重机的电流，imax表示电流的最大安全值，e表示起重机的电压，emax表示电压的最大安全值，w1、w2、w3、w4、w5、w6表示权重。
15、作为本专利技术所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的一种优选方案，其中：所述根据运行状态切换控制系统还包括，当健康指数达到0.5×hmax时，控制面板上的警告灯开始闪烁，系统发出轻微的警告音，系统自动记录事件的时间、日期和传感器数据。
16、当健康指数达到0.7×hmax时，控制面板上的警告灯持续亮起，系统发出持续的警告音，系统自动将起重机的操作速度降低到预设的安全速度，控制面板上显示建议操作员立即并干预并检查起重机。
17、当健康指数达到0.9×hmax时，控制面板上的警告灯持续快速闪烁，系统发出紧急警告音，起重机自动暂停起重机所有操作，控制面板显示建议立即停机并进行维修，同时主控制系统将当前的状态和操作数据传输给备用控制系统，备用控制系统接管并继续执行操作以及在主控制系统以及备用控制系统之间设置隔离。
18、当系统切换到备用部分后，记录故障信息并进行分析，主控制系统在切换后进入诊断模式，自动检测故障原因。
19、作为本专利技术所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的一种优选方案，其中：所述记录故障信息并进行分析包括，系统自动创建故障日志，记录故障发生的时间和日期、故障时的健康指数值、所有传感器的数据读数、主控制系统的最后状态和操作数据。
20、对故障日志中的数据进行深入分析，确定故障的原因。
21、备用系统持续监控自身的运行状态，并与主控制系统共享信息，若备用系统检测到任何异常，则立即通知主控制系统，以便进行进一步的分析和响应。
22、一旦故障原因被确定并修复，系统则提供恢复策略，指导如何安全地将控制权从备用系统切换回主控制系统。
23、所述在主控制系统以及备用控制系统之间设置隔离包括，两套控制系统使用独立的电源线路和电源保护设备，当两套控制系统需要网络连接，应使用独立的网络接口。
24、两套控制系统应使用独立的数据库和数据存储。
25、在切换到备用系统之前，确保备用系统已准备好接管，并传感器和控制器都处于正常的工作状态。
26、当切换过程中检测到异常，则立即停止起重机的所有操作。
27、作为本专利技术所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的一种优选方案，其中：所述根据机器学习算法对起重机的运行数据进行分析包括，根据历史数据和最近的故障模式动态更新权重，对动态调整后的权重进行归一化处理。
28、当权重发生变化时，系统提供反馈，提示操作员关注起重机的变化。
29、系统自动记录权重调整的历史，包括调整的时间、原因以及新的权重值。
30、所述归一化处理表示为，
31、
32、w′i＝wi+α×δfi
33、
34、其中，wi表示第i个传感器的权重，sij表示第i个传感器在第j个故障模式中的敏感性得分，fi表示第j个故障模式的发生概率，n表示考虑的故障模式的总数，m表示传感器的总数，w′i表示更新后的第i个传感器的权重，α是一个小于1的学习率参数，δfi是第i个传感器的频率变化，w″i表示归一化后的第i个传感器的权重，m是传感器的总数，k表示1到m的索引。
35、更新权重后进行权重调整以及验证。
36、作为本专利技术所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的一种优选方案，其中：所述权重调整以及验证包括，更新权重后，系统自动进行模拟测试，同时自动通知操作员和维护团队权重的变化。
37、更新权重后，系统会持续监控预测的准确性，同时记录权重调整的原因，根据权重的变化，对操作员进行再培训，以及根据新的权重和系统性能数据提出优化策略。
38、本专利技术的另外一个目的是提供一种基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换系统，其能通过实时监控起重机的各项关键参数、结合机器学习算法预测潜在故障、并在关键时刻自动或手动切换到备用控制系统，解决了现有技术中对于起重机突发故障响应不及时、系统切换延迟长、无法有效预测和避免故障的问题。
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1.基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述实时监控起重机的运行状态包括，根据位置传感器收集起重机的位置和角度，根据速度和加速度的传感器监测起重机的移动速度和加速度，根据重量传感器监测吊起物品的重量，根据温度传感器监测起重机的温度，根据电流和电压传感器监测起重机的工作状态；
3.如权利要求2所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述根据运行状态切换控制系统包括，对传感器数据定义权重，根据权重和传感器数据计算健康指数；
4.如权利要求3所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述根据运行状态切换控制系统还包括，当健康指数达到0.5×Hmax时，控制面板上的警告灯开始闪烁，系统发出轻微的警告音，系统自动记录事件的时间、日期和传感器数据；
5.如权利要求4所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述记录故障信息并进行分析包括，系统自动创建故障日志，记录故障发
6.如权利要求5所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述根据机器学习算法对起重机的运行数据进行分析包括，根据历史数据和最近的故障模式动态更新权重，对动态调整后的权重进行归一化处理；
7.如权利要求6所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述权重调整以及验证包括，更新权重后，系统自动进行模拟测试，同时自动通知操作员和维护团队权重的变化；
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据预处理模块、健康指数计算模块、机器学习与预测模块、控制系统切换模块以及系统隔离模块；
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述实时监控起重机的运行状态包括，根据位置传感器收集起重机的位置和角度，根据速度和加速度的传感器监测起重机的移动速度和加速度，根据重量传感器监测吊起物品的重量，根据温度传感器监测起重机的温度，根据电流和电压传感器监测起重机的工作状态；
3.如权利要求2所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述根据运行状态切换控制系统包括，对传感器数据定义权重，根据权重和传感器数据计算健康指数；
4.如权利要求3所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述根据运行状态切换控制系统还包括，当健康指数达到0.5×hmax时，控制面板上的警告灯开始闪烁，系统发出轻微的警告音，系统自动记录事件的时间、日期和传感器数据；
5.如权利要求4所述的基于起重机为控制对象的一种冗余设计与切换方法，其特征在于：所述记录故障信息并进行分析包括，系统自动创建故障日志，记录故障发生的时间和日期、故障时的健康指数值、所有传感器的数据读数、主控制系...
【专利技术属性】
技术研发人员：王萌，蒋从军，张建，朱珩，文勇波，李远，罗红，裘伟，徐建洪，
申请(专利权)人：三峡金沙江云川水电开发有限公司，
类型：发明
国别省市：
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