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        基于擴展故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統(tǒng)研究

        2015-04-26 08:22:50張樂平
        機床與液壓 2015年15期
        關(guān)鍵詞:接線圖電控機床

        張樂平

        (江西理工大學軟件學院,江西南昌 330013)

        0 前言

        通用機床包括車床、銑床、刨床、磨床、鏜床等,種類繁多,電氣控制設(shè)備各異,目前廣泛應(yīng)用繼電接觸器控制系統(tǒng)。在電控設(shè)備中,由各種電器元件構(gòu)成的電器控制系統(tǒng)是重要的組成部分,它們結(jié)構(gòu)復雜,控制性能各異。而電器控制系統(tǒng)的復雜化導致出現(xiàn)故障的可能性增加,也導致診斷定位決策的難度增加。因此,如何對電器控制系統(tǒng)實現(xiàn)故障快速定位顯得尤其重要[1]。

        故障樹是由美國貝爾電話實驗室的H A Walson首先提出,它是一種系統(tǒng)可靠性分析方法。利用故障樹來構(gòu)建診斷系統(tǒng)知識庫,不僅可以方便推理機構(gòu)尋找潛在故障或進行故障診斷,而且可以進一步預測未來系統(tǒng)故障發(fā)生的概率[2]。

        1 目前存在的問題

        通用機床適應(yīng)于單件小批生產(chǎn),應(yīng)用非常廣泛。其電控故障的診斷與維修現(xiàn)狀比較復雜,目前存在的主要問題表現(xiàn)在:

        (1)高效、精確地完成故障排查的秘訣在于:確定含有故障的部分電路,并且找出故障元件[3]。電氣圖是工程技術(shù)人員交流的語言,也是判別故障源的一個根本依據(jù)。如果只是基于故障樹的故障診斷,其搜索結(jié)果僅表示可能的故障原因。故障樹和電氣圖等技術(shù)資料間較少聯(lián)系,最終確診往往不方便。

        (2)維修資料、維修檔案與記錄大多仍采用紙介存儲。文件的完好程度受企業(yè)技術(shù)管理水平影響,調(diào)閱和歸納整理不便,利用效率不高。

        (3)從業(yè)人員較多,專業(yè)知識和技術(shù)水平差異較大,目前大多仍采用人為的傳統(tǒng)方法。因而其維修方法、維修效率受技術(shù)人員人為因素影響較大。

        綜上所述,研究一個融合傳統(tǒng)的故障診斷、維修技術(shù)與故障樹于一體的專家系統(tǒng),通過故障樹快速地查找故障發(fā)生的原因,同時可選擇依據(jù)數(shù)字化的相關(guān)技術(shù)圖紙進行確認和完善,將維修檔案記錄在相應(yīng)數(shù)據(jù)單元中,實現(xiàn)傳統(tǒng)維修的智能化和數(shù)字化、節(jié)約維修和高效維修,具有廣泛的現(xiàn)實意義。

        2 基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統(tǒng)

        2.1 專家系統(tǒng)總體框架

        基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取管理機構(gòu)、人機交互界面、解釋模塊、診斷推理模塊和維修日志管理模塊等。其中,綜合數(shù)據(jù)庫中的故障樹和診斷推理模塊為整個專家系統(tǒng)的核心。

        圖1 基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2.2 專家系統(tǒng)知識庫核心——故障樹

        2.2.1 電氣故障診斷知識表示方法

        知識庫的建立是專家系統(tǒng)建立的中心任務(wù),其目的在于通過知識的有效表示使專家系統(tǒng)利用這些知識進行正確的推理和做出正確的決策,較快解決用戶提出的問題。

        該系統(tǒng)將故障按照機床型號類別進行分類,然后再按照部件系統(tǒng)劃分為主電路系統(tǒng)、控制電路系統(tǒng)和輔助與信號電路系統(tǒng),每個分系統(tǒng)建立其對應(yīng)的故障樹,這樣可以保證故障診斷僅在一個或幾個知識鏈表中進行,從而減少推理時的搜索范圍,加快系統(tǒng)推理速度。而且在產(chǎn)生式規(guī)則庫中,由于各規(guī)則之間相互獨立,這有利于知識庫的修改和擴充[4]。系統(tǒng)知識表示基本框架如圖2所示,圖中以上海第五機床廠生產(chǎn)的Z3040×16型搖臂鉆床控制電路系統(tǒng)故障為例[5]。

        圖2 系統(tǒng)知識表示基本框架

        2.2.2 建立電控故障診斷故障樹

        以上述搖臂鉆床控制電路系統(tǒng)故障為頂部事件建立故障樹,如圖3所示。因篇幅限制,該處僅列出其“搖臂升降與夾緊故障”所對應(yīng)的分支。

        圖3 Z3040×16型搖臂鉆床控制電路故障樹故障樹中,各故障序號對應(yīng)的故障事件如表1所示。

        表1 故障樹明細表

        該專家系統(tǒng)設(shè)計時,除上述Z3040×16型搖臂鉆床外,通過調(diào)研通用機床使用型號和類別的廣泛性和典型性,分別選用C650-2臥式車床、M7475B立軸圓臺平面磨床、XA6132型萬能升降臺銑床、T68臥式鏜床建立分系統(tǒng)(主電路、控制電路、輔助與信號電路)故障樹[6],作為專家系統(tǒng)的基本知識。

        2.3 綜合數(shù)據(jù)庫——故障樹的擴展

        綜合數(shù)據(jù)庫采用SQL實現(xiàn),主要包括故障樹知識庫、電氣圖和維修記錄三部分,其基本數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖4所示,圖中虛線框表示擴展的功能、虛線連接表示可選。首先分解每一棵故障樹,抽象出每一節(jié)點的相關(guān)信息,連同節(jié)點的父節(jié)點和子節(jié)點,組成一系列故障記錄,然后將分解結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中每一個節(jié)點信息對應(yīng)數(shù)據(jù)表中一條記錄,而每一個故障樹流程圖對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的一張表,如此就可完成基于故障樹的知識表示[7]。其故障樹知識由機床電控系統(tǒng)表、故障事件表、故障樹信息表、特征參數(shù)表和維修信息表組成。

        圖4 專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

        綜合數(shù)據(jù)庫的擴展包括兩個方面:一方面是通過人機交互界面對設(shè)備類型和故障事件等進行擴展、修改和完善,最終形成一個對應(yīng)于本單位通用機床具體型號、類別和具體使用環(huán)境的完整系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備維護的系統(tǒng)化,該功能主要通過故障樹的編輯實現(xiàn);二是對故障診斷功能的擴展:主要包括電氣圖和維修檔案的擴展。

        2.3.1 電氣圖的擴展

        本研究強調(diào)故障診斷專家系統(tǒng)的故障樹知識與經(jīng)典的電路分析方法相互印證,故障源的具體安裝位置快速確認,為此擴展了電氣圖表。該表通過ID與設(shè)備單元、故障事件鏈接。其內(nèi)容包括:

        (1)通用機床設(shè)備型號單元,對應(yīng)該型號設(shè)備電控系統(tǒng)的電路圖、接線圖和互聯(lián)圖等技術(shù)信息;

        (2)各電控分系統(tǒng)對應(yīng)該系統(tǒng)的電路圖、接線圖及相關(guān)互聯(lián)圖;

        (3)中間事件對應(yīng)單元電路(局部電路)、接線圖(對應(yīng)部分用虛線標出);

        (4)部分底事件對應(yīng)接線圖(對應(yīng)部分用虛線標出)或互聯(lián)圖。

        2.3.2 強化維修知識及維修檔案的擴展

        為實現(xiàn)傳統(tǒng)維修技術(shù)的高效融合,在故障樹知識中分別設(shè)置了特征參數(shù)表和維修信息表。特征參數(shù)表給出了某些檢驗單元所對應(yīng)的參數(shù)類型、正常參數(shù)范圍等信息;維修信息表則給出了相應(yīng)的維修建議和維修方法。

        維修日志表則用于故障維修記錄的數(shù)字化與檔案化。包括機床名稱型號、故障、診斷維修結(jié)果及時間等信息。

        3 基于最小割集重要度的推理機實現(xiàn)

        系統(tǒng)根據(jù)輸入的故障征兆自動尋找匹配的頂事件且生成頂事件故障樹并按Fussell算法求出最小割集;按照重要度大的最小割集優(yōu)先檢測的原則生成測試流程[7]。因其推理過程與常用故障樹無異,在此不再贅述。

        4 電控故障診斷專家系統(tǒng)的診斷方法

        電控故障維修人員(操作員)直接進入故障診斷系統(tǒng),根據(jù)故障事件進行診斷,其主要步驟如下:

        (1)用戶在診斷界面上選擇設(shè)備類別、型號,在分系統(tǒng)中勾選列出的故障事件(現(xiàn)象);

        (2)系統(tǒng)將收到的故障信息傳給診斷推理模塊;

        (3)根據(jù)最小割集及重要度排序,推理出故障原因;

        (4)將推理結(jié)果與故障路徑顯示在推理界面上;

        (5)(可選):打開電路圖驗證;

        (6)(可選):打開接線圖進行位置確認;

        (7)按照路徑所示檢測流程、維修方法進行測試;

        (8)如果此時仍未診斷出故障根源,則轉(zhuǎn)到(3);

        (9)記錄診斷結(jié)果,診斷成功。

        5 故障診斷專家系統(tǒng)軟件實現(xiàn)[8]

        基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統(tǒng)采用Visual Studio 2005和Microsoft SQL Server 2005作為開發(fā)工具,C#作為開發(fā)語言。

        Visual Studio 2005是一個非常龐大的軟件,是基于.NET2.0框架的。C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言,在集成了C和C++強大功能的同時去掉了一些它們的復雜性,使其更易用,更少出錯。

        為了實現(xiàn)可視化建樹以及系統(tǒng)的其他功能,需要一種圖形系統(tǒng)來高效的完成故障事件與連接線的繪制和編輯等操作。本平臺使用的是.NET下System.Drawing命名空間中的GDI+圖形系統(tǒng)。

        Microsoft SQL Server2005是一個全面的數(shù)據(jù)庫平臺,使用集成的商業(yè)智能工具提供了企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)采用ADO.NET完成數(shù)據(jù)集對象的建立后,便可以通過SQL結(jié)構(gòu)化查詢語言對知識庫實現(xiàn)操作訪問。

        為了維修檔案向用戶使用的規(guī)范文檔的轉(zhuǎn)換,需要增加系統(tǒng)對于Word文檔的操作。在建模與診斷平臺中,通過引用Microsoft Office.Interop.Word實現(xiàn)與Word對象模型進行交互。

        6 結(jié)束語

        綜上所述,所設(shè)計的基于故障樹的通用機床電控故障診斷專家系統(tǒng)智能、簡便、直觀、工作穩(wěn)定可靠。將維修專家、工程師的經(jīng)驗、計算機技術(shù)和智能故障診斷技術(shù)進行整合,研究開發(fā)的該基于故障診斷專家系統(tǒng)的維修工具,從而幫助設(shè)備維修維護工作人員快速、準確地找出故障原因,并提供維修建議和參考取值等,對于通用機床設(shè)備現(xiàn)場搶修具有重要的現(xiàn)實意義。后續(xù)將考慮將其改進為用于Pocket PC平臺、基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的故障診斷專家系統(tǒng),實現(xiàn)傳統(tǒng)維修的便捷化、智能化和規(guī)范化[9]。

        [1]PAN J,TEKLU Y,RANMAN S,et al.An Interval-based MADM Approach to the Identification of Candidate Alternatives in Strategic Resource Planning[J].IEEE Trans on Power Systems,2000,15(4):1441~1446.

        [2]楊盛泉,劉萍萍.基于故障樹的梭式窯故障診斷專家系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用研究,2008,11(11):3401-3403.

        [3][?。軸.K.Bhattacharya Brijinder Singh.電氣控制技術(shù)及應(yīng)用[M].陶國彬,張秀艷,譯.北京:科學出版社,2012.

        [4]劉江.基于故障樹的通用航空器故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].廣漢:民航飛行學院,2011.

        [5]周希章.電修手冊(下冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

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        [9]彭智勇.基于PocketPC的便攜式故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計[J].裝甲兵工程學院學報,2008,2(1):62-67.

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