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

張樂平

(江西理工大學(xué)軟件學(xué)院，江西南昌 330013)

0 前言

通用機(jī)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(fù)雜，控制性能各異。而電器控制系統(tǒng)的復(fù)雜化導(dǎo)致出現(xiàn)故障的可能性增加，也導(dǎo)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)尋找潛在故障或進(jìn)行故障診斷，而且可以進(jìn)一步預(yù)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(jī)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(fù)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(gè)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(gè)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(shí)可選擇依據(jù)數(shù)字化的相關(guān)技術(shù)圖紙進(jìn)行確認(rèn)和完善，將維修檔案記錄在相應(yīng)數(shù)據(jù)單元中，實(shí)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(shí)意義。

2 基于故障樹的通用機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)、人機(jī)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(gè)專家系統(tǒng)的核心。

圖1 基于故障樹的通用機(jī)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(jìn)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(jī)床型號類別進(jìn)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(gè)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(gè)或幾個(gè)知識鏈表中進(jìn)行，從而減少推理時(shí)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(dú)立，這有利于知識庫的修改和擴(kuò)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(jī)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(xì)表

該專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除上述Z3040×16型搖臂鉆床外，通過調(diào)研通用機(jī)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(kuò)展

綜合數(shù)據(jù)庫采用SQL實(shí)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(kuò)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(diǎn)的相關(guān)信息，連同節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，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(gè)節(jié)點(diǎn)信息對應(yīng)數(shù)據(jù)表中一條記錄，而每一個(gè)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(jī)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(kuò)展包括兩個(gè)方面:一方面是通過人機(jī)交互界面對設(shè)備類型和故障事件等進(jìn)行擴(kuò)展、修改和完善，最終形成一個(gè)對應(yīng)于本單位通用機(jī)床具體型號、類別和具體使用環(huán)境的完整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)的系統(tǒng)化，該功能主要通過故障樹的編輯實(shí)現(xiàn);二是對故障診斷功能的擴(kuò)展:主要包括電氣圖和維修檔案的擴(kuò)展。

2．3．1 電氣圖的擴(kuò)展

本研究強(qiáng)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(rèn)，為此擴(kuò)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(jī)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(biāo)出);

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

2．3．2 強(qiáng)化維修知識及維修檔案的擴(kuò)展

為實(shí)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(yàn)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(jī)床名稱型號、故障、診斷維修結(jié)果及時(shí)間等信息。

3 基于最小割集重要度的推理機(jī)實(shí)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(jìn)入故障診斷系統(tǒng)，根據(jù)故障事件進(jìn)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(yàn)證;

(6)(可選):打開接線圖進(jìn)行位置確認(rèn);

(7)按照路徑所示檢測流程、維修方法進(jìn)行測試;

(8)如果此時(shí)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(shí)現(xiàn)［8］

基于故障樹的通用機(jī)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(gè)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?、運(yùn)行于．NET Framework之上的高級程序設(shè)計(jì)語言，在集成了C和C++強(qiáng)大功能的同時(shí)去掉了一些它們的復(fù)雜性，使其更易用，更少出錯(cuò)。

為了實(shí)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)與Word對象模型進(jìn)行交互。

6 結(jié)束語

綜上所述，所設(shè)計(jì)的基于故障樹的通用機(jī)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(yàn)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能故障診斷技術(shù)進(jìn)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(hù)工作人員快速、準(zhǔn)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(jī)床設(shè)備現(xiàn)場搶修具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。后續(xù)將考慮將其改進(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)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(xué)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(xué)院，2011．

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

［6］趙明，許翏．工廠電氣控制設(shè)備［M］．2版．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［7］宗群，李光宇．基于故障樹的電梯故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．控制工程，2012，3(2):305-308．

［8］丁小磊．基于故障樹的建模與診斷平臺應(yīng)用研究［D］．北京:北京航空航天大學(xué)，2013．

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