張嘉,江浩

(第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025)

維修訓(xùn)練系統(tǒng)故障設(shè)置原理研究

張嘉,江浩

(第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025)

維修訓(xùn)練系統(tǒng)中故障設(shè)置是提高維修人員應(yīng)對各類突發(fā)故障的重要方法,針對其他訓(xùn)練系統(tǒng)不能真實模擬再現(xiàn)故障的現(xiàn)狀,提出了利用綜合故障模型對故障率進(jìn)行估算的方法,保證了維修訓(xùn)練系統(tǒng)與實際電氣設(shè)備系統(tǒng)故障發(fā)生概率以及故障模型的一致性,依據(jù)隨機理論和模糊理論,提出了故障設(shè)置方法,并通過實例驗證了此方法的可行性。

維修訓(xùn)練系統(tǒng)；故障設(shè)置；元件故障率；綜合故障模型

當(dāng)前科技迅猛發(fā)展,各類電氣設(shè)備也不斷向著智能化、高科技、復(fù)雜化方向發(fā)展,使其呈現(xiàn)出更新速度快,技術(shù)含量高,測試維修過程復(fù)雜等特點,電氣設(shè)備這些特點反過來對維修人員提出了更高的要求,為有效提高維修人員的能力素質(zhì),各類維修訓(xùn)練系統(tǒng)得到廣泛的研發(fā)使用,這些系統(tǒng)通過不同的方法進(jìn)行故障設(shè)置:文獻(xiàn)［1］設(shè)計出由AT89S52單片機、按鍵單元模塊以及繼電器模塊組成的數(shù)控實訓(xùn)臺故障設(shè)置裝置,通過按鍵隨機產(chǎn)生故障,并由繼電器組來完成故障設(shè)置,這種方法雖能設(shè)置故障,但不能真實模擬各類元件故障,故障隨機性大；文獻(xiàn)［2］中所設(shè)計的電路故障設(shè)置與診斷管理系統(tǒng)通過MODBUS協(xié)議將上位機設(shè)置的故障信息傳輸至以AT89C52單片機為核心的下位機,下位機通過故障點選擇電路驅(qū)動對應(yīng)的故障點繼電器組中的某些繼電器的線圈帶電與否,達(dá)到遠(yuǎn)程故障設(shè)置的目的。此方法雖實現(xiàn)了遠(yuǎn)程設(shè)置故障,但所設(shè)計的故障不能夠根據(jù)元件自身可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行設(shè)計,故障設(shè)置存在一定的局限性。本文以故障率的估算為切入點,對維修訓(xùn)練系統(tǒng)故障設(shè)置的原理進(jìn)行了簡要分析,并通過實例驗證了故障設(shè)置原理的有效性和實用性。

1 故障設(shè)置分析

1.1 操作過程中故障情況分析

維修人員在進(jìn)行訓(xùn)練過程中,因操作不當(dāng)、設(shè)備元件安裝問題、自然環(huán)境變化等,導(dǎo)致測試故障,如果維修人員沒有處理過相類似的故障,就會無從下手排除故障,影響維修進(jìn)程,降低訓(xùn)練效率。維修人員可以在維修訓(xùn)練系統(tǒng)上帶故障操作,通過實際測量操作來解決故障,進(jìn)而提高其處置故障的能力水平。

1.2 故障相關(guān)信息

在故障設(shè)置過程中,首先要對故障信息有一個清楚的認(rèn)知。故障信息是指設(shè)備存在故障時所表現(xiàn)出來的所有信息的集合,主要包括故障現(xiàn)象、故障原因、故障出現(xiàn)的機理以及故障排除的方式方法等［4］。訓(xùn)練時,不僅僅要讓維修人員能夠發(fā)現(xiàn)操作過程中的故障現(xiàn)象,還要學(xué)會分析、排除的方法。因此我們通過專家經(jīng)驗盡可能收集實際系統(tǒng)的故障信息,確保維修訓(xùn)練系統(tǒng)擁有一個故障信息完備的故障數(shù)據(jù)庫,以此故障數(shù)據(jù)庫為依據(jù)進(jìn)行故障設(shè)置。

2 故障設(shè)置原理

2.1 故障率估算流程

根據(jù)故障理論我們可以得知,任何一個電子設(shè)備或電子元件都有其故障率λ,元件故障率是指從某一時刻開始單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率［4-5］。由于每個元件在制造、設(shè)計以及安裝時的不同,元件的載荷水平、使用過程中自然因素或人為原因造成的元件磨損老化也不盡相同,這都會導(dǎo)致故障率的變化。有些元件的故障率可以通過工業(yè)生產(chǎn)部門查詢得到,而有些元器件（比如:繼電器,導(dǎo)致其故障的因素很多,故障類型也復(fù)雜多樣）工業(yè)生產(chǎn)部門沒有給出準(zhǔn)確的故障率,為此只有通過其他相關(guān)信息對故障率進(jìn)行估算,得出較為準(zhǔn)確的元件故障率。

通過分析上述影響故障率變化的因素,我們可以分為前期因素造成故障和偶然因素造成故障,即前期故障和偶然故障。各類故障之間是不相關(guān)的,所以我們可以采用指數(shù)分布對前期故障和偶然故障進(jìn)行描述。具體故障率估算的流程如下:

1）故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計,即收集匯總可能造成故障的因素,包括元件安裝時間,因磨損老化、安裝或自然因素造成故障的時間等。

2）根據(jù)故障產(chǎn)生的原因,將故障分為前期故障和偶然故障,并確定偶然故障所占的比例p。

黃島區(qū)還率先試點了《藥品生產(chǎn)不良行為計分辦法》，全面加強藥品生產(chǎn)事中監(jiān)管，被列為全省試點。創(chuàng)新實施“無煙燒烤”示范建設(shè)，帶動社會資金1500余萬元解決了食品安全、油煙擾民的頑疾。開展實施了食品藥品“雙隨機”監(jiān)管模式，制定了監(jiān)管人員和企業(yè)數(shù)據(jù)庫，自動隨機抽取企業(yè)和監(jiān)管人員開展檢查。

3）建立前期故障和偶然故障的綜合分布模型,推導(dǎo)出綜合故障率函數(shù)h（t）。

第四、通過對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的統(tǒng)計,采用極大似然估計法（MLF）［6］對參變量進(jìn)行估算,從而確定綜合故障率函數(shù)。

圖1 元件綜合故障率估算流程圖Fig.1 Integrated failure rate estimate flowchart

2.2 元件故障綜合分布模型的建立

在某個統(tǒng)計時間段內(nèi),對于同一個元件,其前期故障和偶然故障會同時存在,設(shè)前期故障的分布函數(shù)為指數(shù)分布E（t |η2）,偶然故障的分布函數(shù)為指數(shù)分布E（t|η2）,偶然故障的比例為p（0＜p＜1）。

兩類故障指數(shù)分布E的概率密度函數(shù)分別為:

可靠度函數(shù)分別為:

由于偶然概率的比例為p,因此可求得綜合后可靠度函數(shù)為:

則綜合故障率系數(shù)為:

故障率函數(shù)分別為:

則由（6）（7）（8）式可得到綜合后的故障率函數(shù)為:

由公式（9）可以看出,綜合故障率函數(shù)λ（t）中含有兩個參變量η1和η2,下面采用極大似然估計（MLF）方法對變量進(jìn)行估算。

2.3 元件故障綜合分布模型的建立

對某一元件進(jìn)行故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計時,由于故障之間不相關(guān)聯(lián),所以可以完全分開前期故障和偶然故障,偶然故障的比例為p可以直接求得,因此只對前期故障和偶然故障所對應(yīng)的分布函數(shù)中的變量進(jìn)行η1和η2估算。采用極大似然估計方法對變量進(jìn)行估算,得出其估算值和。

2.4 實例分析

繼電器是電氣設(shè)備中最常用的一種元件,對于某一個繼電器,根據(jù)工業(yè)制造部門提供的性能指標(biāo)可知,該元件在運行300個小時內(nèi)出現(xiàn)故障的次數(shù)為3次,其中前期故障1次,偶然故障次數(shù)為2次,廠家提供的元件故障率為0.005。運用綜合故障模型分析故障率的數(shù)值如下。

根據(jù)上述參數(shù),可得p=2/3,由公式（11）、（12）可得

則將公式（13）帶入公式（10）可得故障率

通過綜合故障模型計算得出的故障率=0.007；如不對故障進(jìn)行分類,直接通過指數(shù)分布對元件進(jìn)行描述得出故障率為0.01,通過與工業(yè)制造部門所提供的標(biāo)準(zhǔn)故障率0.005比較可知,綜合故障模型估算得出的故障率更加接近。因此在維修訓(xùn)練系統(tǒng)中我們采用綜合故障模型對故障率進(jìn)行估算。

3 故障設(shè)置方法

對維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行故障設(shè)置時,我們可以采用故障理論對元件故障率進(jìn)行估算,假定各部件的故障隨機出現(xiàn),則故障出現(xiàn)的概率符合正態(tài)分布,運用隨機理論構(gòu)造正態(tài)分布隨機數(shù)發(fā)生函數(shù)［7］,當(dāng)隨機數(shù)超過某一特定值時,認(rèn)為該元件出現(xiàn)故障,進(jìn)行故障設(shè)置,維修人員進(jìn)行正確的操作發(fā)現(xiàn)故障,輸入正確的排除方法,并進(jìn)行故障排除操作,系統(tǒng)采用模糊匹配的方法從故障數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行故障方法匹配,用于判別維修人員的排除方法是否正確。下面以一個實例對故障設(shè)置方法進(jìn)行說明。

圖2為某設(shè)備工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制圖。當(dāng)主控機發(fā)出由保險狀態(tài)裝換為工作狀態(tài)指令信號時,繼電器K1的第一個觸點K1:1為自保開關(guān),第二個觸點K1:2工作指示燈相連,發(fā)出工作指示信號。但當(dāng)進(jìn)行工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作時,繼電器K1線圈可能會擊穿,從而出現(xiàn)故障,影響正常測試,這時要求維修人員暫停測試流程,對故障點進(jìn)行從新測試,若故障復(fù)現(xiàn),則立即停止操作,切斷電源,并檢查故障。此故障只有在K1供電情況下才會出現(xiàn),因此故障設(shè)置應(yīng)從K1供電后對故障數(shù)據(jù)庫中的故障進(jìn)行匹配,然后由故障數(shù)據(jù)庫引入故障現(xiàn)象、故障原因以及排除方法等信息,反映給維修人員,從而判斷維修人員能否正確排除故障［8］。

圖2 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制圖Fig.2 Operating state transition diagram

根據(jù)廠家提供的指標(biāo)顯示,繼電器K1在運行300個小時內(nèi)出現(xiàn)故障的次數(shù)為3次,其中前期故障1次,偶然故障次數(shù)為3次,采用綜合故障模型估算出的故障率=0.008 4。由于平均一次測試該器件工作時間為1 h,則測試120次就發(fā)生一次故障,查正態(tài)分布函數(shù)表,落入1.2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的概率是99.2﹪,因此在實際故障設(shè)置中為了保證此系統(tǒng)與實際系統(tǒng)具有相同的故障率,則可以構(gòu)造均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為120/1.2=100的正態(tài)隨機數(shù)Z。當(dāng)Z的絕對值大于120時,出現(xiàn)故障,即對應(yīng)0.84﹪的故障率。每次進(jìn)行工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作時,系統(tǒng)產(chǎn)生隨機數(shù)Z,當(dāng)Z的絕對值大于120時,系統(tǒng)對繼電器K1進(jìn)行故障設(shè)置。維修人員按照流程進(jìn)行操作,當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障后,進(jìn)行排除。系統(tǒng)根據(jù)故障數(shù)據(jù)庫通過模糊匹配的方法進(jìn)行判別該排除方法是否正確,如果正確,則排除故障,可以繼續(xù)訓(xùn)練；反之無法繼續(xù),并且此次操作結(jié)果為不合格。

4 結(jié)束語

文中提出一種維修訓(xùn)練系統(tǒng)故障設(shè)置的新方法及用綜合故障模型對故障率進(jìn)行估算的方法,克服了傳統(tǒng)方法的不足,保證了維修訓(xùn)練系統(tǒng)與實際電氣設(shè)備系統(tǒng)在故障發(fā)生概率以及故障模型的一致性,能真實全面的實現(xiàn)故障設(shè)置,鍛煉維修人員處置故障的能力,提高維修技能,達(dá)到了訓(xùn)練目的。

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Research of failure setting principle on maintenance training system

ZHANG Jia，JIANG Hao
（The Second Artillery Engineering University,Xi’an 710025，China）

In Maintenance Training System，failure Setting is an important method to improve the operators’ability to deal with all types of failure.According to the fact that other training systems can’t reappear the failure，this paper proposes a new approach that using integrated failure model to evaluate the failure rate，which have ensured that this system has the same probability of failure and failure model with the real Electrical Equipment System.Basing on stochastic theory and fuzzy theory，this paper proposes failure Setting method，and then use an example to verify the method’s feasibility.

maintenance training system；failure setting；component failure rate；integrated failure model

TP306

：A

：1674-6236（2015）18-0110-03

2015-03-26稿件編號：201503369

張 嘉（1990—）,男,河北保定人,碩士研究生。研究方向:機電控制與故障診斷等。