基于LabView的裝備故障設(shè)置與排除訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

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(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072； 2.陸軍裝甲兵學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

0 引言

過去，我軍開展維修保障訓(xùn)練往往依托實裝進行，尤其是一代裝備，因其結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)含量低，對保障資源和保障人員的要求不高，“修訓(xùn)結(jié)合”的模式比較適用。目前，受以下三方面的制約，沿用“修訓(xùn)結(jié)合”的訓(xùn)練模式已經(jīng)難以為繼：1)新裝備的技術(shù)含量增加，結(jié)構(gòu)和分系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，故障的表現(xiàn)樣式增多，使部隊開展故障分析與排除工作變得很困難；2)新裝備沒有大樣本故障數(shù)據(jù)支撐，其使用階段的故障規(guī)律不明，缺乏用于故障分析和排除訓(xùn)練的典型故障模式數(shù)據(jù)；3)新裝備的數(shù)量有限，大規(guī)模的實裝故障分析與排除訓(xùn)練在現(xiàn)階段難以實施。因此借助虛擬軟件平臺，探索新的故障分析與排除訓(xùn)練模式，盡快形成新裝備的維修保障能力是非常緊迫的問題。

本文運用故障樹分析(fault tree analysis)方法，構(gòu)建出某型裝備重要分系統(tǒng)的故障樹模型；通過對系統(tǒng)的功能分析，規(guī)劃了故障分析與排除系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；利用LabView開發(fā)了裝備故障設(shè)置與排除訓(xùn)練系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)設(shè)計的思路和實現(xiàn)方法。

1 基于FTA的典型故障樹建模

故障樹就是將系統(tǒng)中的故障事件按層次分級，分級的原則是將導(dǎo)致上級事件發(fā)生的直接原因作為下級，并用一定的邏輯關(guān)系把它們聯(lián)系起來，得到的一張有序邏輯圖[1]。利用故障樹分析系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑和可靠性特征量的方法稱為故障樹分析法。

本文在分析裝備典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，約定底事件是對現(xiàn)場可更換單元或可修部組件的故障或失效描述，頂事件是分系統(tǒng)功能喪失或達(dá)到劣化極限的事件或狀態(tài)[2-5]。下面以“某型裝備水上液壓傳動系統(tǒng)無動力或動力不足”的故障為例，通過分析故障現(xiàn)象，探尋可能的故障原因，構(gòu)建故障樹。

圖1 水上液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過對水上液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部件連接關(guān)系(圖1所示)的分析，導(dǎo)致“無動力及動力不足”的原因，即中間事件有：定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低或不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)外部泄漏，液壓油溫度異常(最高110℃)，液壓油油壓異常。結(jié)合各個部件的功能，繼續(xù)分析可以得出如圖2所示的故障樹，表1是事件的代號、名稱及故障判據(jù)、檢測方法等。

圖2 “無動力及動力不足”故障樹

代號名稱故障判據(jù)檢測方法處理措施M水上液壓傳動系統(tǒng)無動力或動力不足T1定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低或不轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速T2系統(tǒng)外部泄漏目測T3液壓油溫度異常(最高110℃)溫度報警溫度測量T4液壓油油壓異常F1油路斷開或堵塞無壓力壓力檢測修復(fù)F2定量馬達(dá)損壞功能檢測更換F3各液壓管路破損有滴漏目測或壓力檢測修復(fù)或更換F4各液壓管接頭滲漏有滴漏目測或壓力檢測緊固或更換F5液壓油品質(zhì)變差變質(zhì)目測換油F6油箱油量少低于工作面量油尺測量按規(guī)定加油F7溢流閥失靈無壓力壓力檢測更換或修理F8油濾堵塞壓差超標(biāo)壓力檢測清洗或更換F9變量泵故障壓力、流量壓力檢測更換F10各閥工作異常壓力、流量壓力、流量檢測更換或修理

按照以上方法，可以將該裝備其他系統(tǒng)分系統(tǒng)的常見故障模式進行全面分析，獲得裝備故障樹的完備集，用以指導(dǎo)維修與故障排除工作，為系統(tǒng)的研制開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 設(shè)計方案

本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是按照故障樹分析方法,自上而下的分析故障原因、查找故障部位，給受訓(xùn)人員提供一種學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的工具。為此,需要規(guī)劃設(shè)計以下三方面的內(nèi)容：1)要受訓(xùn)者了解和掌握裝備運行狀況，使其身臨其境地觀察和感知裝備上的各種監(jiān)控數(shù)據(jù)，為辨別故障報警奠定基礎(chǔ)；2)對典型故障的再現(xiàn)，并建立起監(jiān)控數(shù)據(jù)與故障報警之間的聯(lián)系；3)依據(jù)故障樹提供的排查路徑，分析判斷故障原因、實現(xiàn)故障的隔離和定位，給出排除故障的方法步驟。故障再現(xiàn)是承上啟下的關(guān)鍵一環(huán)，其實現(xiàn)途徑：1)用實車故障數(shù)據(jù)設(shè)置裝備故障報警;2)用軟件模擬產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)設(shè)置裝備故障報警。

依據(jù)以上三部分內(nèi)容,故障設(shè)置與排除系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計思路

需要說明的是，設(shè)置故障的兩個數(shù)據(jù)來源途徑是相互獨立的，不能同時觸發(fā)。

2.1 裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理

主要通過設(shè)計監(jiān)控界面來集中接受和呈現(xiàn)實車監(jiān)控數(shù)據(jù)或模擬監(jiān)控數(shù)據(jù)。

實車監(jiān)控數(shù)據(jù)用于表征裝備各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如動力傳動裝置、操縱裝置、液壓系統(tǒng)等的運行狀態(tài)參數(shù)需要通過各種傳感器采集，其中溫度傳感器感知潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，壓力傳感器感知液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、高壓空氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)，振動傳感器感知傳動、動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速傳感器用于感知動力傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)。通過傳感器獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過集線器處理，變?yōu)閿?shù)字信號，存儲到服務(wù)器中；以服務(wù)器和查詢機為主要設(shè)備構(gòu)建起局域網(wǎng)，開發(fā)基于CS架構(gòu)的軟件平臺，服務(wù)器用于故障課目的設(shè)計、添加、編輯、發(fā)布、控制等，客戶端用于學(xué)員開展故障分析、診斷流程培訓(xùn)、排除方法學(xué)習(xí)及訓(xùn)練；以SQL Server為平臺開發(fā)數(shù)據(jù)庫，對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，并用于故障設(shè)置、故障分析、排除訓(xùn)練。

根據(jù)故障設(shè)置與排除訓(xùn)練系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計了該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 故障設(shè)置與排除訓(xùn)練系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)流程設(shè)計

系統(tǒng)運行的流程是以客戶端登錄為開始，以訓(xùn)練課目的完成為結(jié)束,流程如圖5所示。

圖5 故障設(shè)置與排除訓(xùn)練系統(tǒng)的運行流程圖

客戶登錄成功后，先選擇實車數(shù)據(jù)監(jiān)控或故障課目訓(xùn)練，其中實車數(shù)據(jù)監(jiān)控是對裝備各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控，使培訓(xùn)對象熟悉監(jiān)控項目的內(nèi)容、故障報警的顯示等；故障排除課目訓(xùn)練，通過選擇故障列表，再現(xiàn)故障，使受訓(xùn)者熟悉分系統(tǒng)的故障現(xiàn)象，掌握故障分析及排除的方法。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 界面設(shè)計

系統(tǒng)界面是人與計算機之間傳遞和交換信息的媒介。本系統(tǒng)的界面主要包括：登錄界面、監(jiān)控界面、故障分析與排除界面等。

本系統(tǒng)的界面采用LabView[6]進行開發(fā)，LabView是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，其特點是采用基于圖形化編程語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，其龐大的函數(shù)庫包括，數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。

從設(shè)計方案可知,“監(jiān)控界面”承上啟下,是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán),它的基本功能是提供一個身臨其境的監(jiān)控環(huán)境，實現(xiàn)故障報警，提供進行故障分析的起點。下面重點對監(jiān)控界面進行設(shè)計。

監(jiān)控界面主要包括以下幾部分：1)故障部位隔離顯示區(qū)；2)和3)是狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控區(qū)；4)功能控制區(qū)；5)實車的典型故障測試顯示區(qū)。監(jiān)控界面的詳細(xì)構(gòu)成如圖6所示。

3.1.1 故障部位隔離顯示區(qū)

該區(qū)根據(jù)預(yù)設(shè)的各種故障，進行報警指示，并利用熱區(qū)技術(shù)在裝備結(jié)構(gòu)圖上顯示故障隔離區(qū)域，為故障的診斷過程提供直觀場景。

3.1.2 狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控區(qū)

以裝備駕駛員終端上的信息為主要內(nèi)容設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示區(qū)，顯示反映裝備運行狀態(tài)的各種傳感器數(shù)據(jù)，為受訓(xùn)人員提供身臨其境的環(huán)境，為設(shè)置故障，提供數(shù)據(jù)。

圖6 系統(tǒng)的監(jiān)控界面

3.1.3 功能控制區(qū)

功能控制區(qū)提供四個功能按鈕，分別對應(yīng)4種運行模式：一是“訓(xùn)練模式”，采用軟件模擬的方式，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，并通過預(yù)設(shè)故障，進行分析判斷；二是“實車測試”模式，即將裝備運行的實時數(shù)據(jù)作為輸入，通過數(shù)據(jù)的變化，對裝備的狀態(tài)進行監(jiān)控，對故障狀態(tài)分析評判；“故障設(shè)置”模式，本系統(tǒng)設(shè)置了12個典型的故障模式(F1～ F12)，用于施訓(xùn)人員設(shè)定故障對受訓(xùn)人員實施考核，或受訓(xùn)人員選擇典型故障課目進行自我學(xué)習(xí)；“排除訓(xùn)練功能”模式，是依據(jù)故障樹設(shè)置出邏輯判斷的步驟，為故障的分析判斷提供規(guī)范的方法步驟，幫助使用人員學(xué)習(xí)。

監(jiān)控界面的程序如圖7所示。

圖7 監(jiān)控界面的程序框圖

3.2 故障設(shè)置與再現(xiàn)

本節(jié)以水上液壓傳動故障為例說明故障設(shè)置與再現(xiàn)功能的實現(xiàn)。

3.2.1 表征運行狀態(tài)參數(shù)的選取

用來表征液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)的參數(shù)一般有兩個：1)溫度；2)壓力。壓力參數(shù)反映了功能故障，而潛在故障往往是通過溫度變化來體現(xiàn)的。為及早發(fā)現(xiàn)潛在故障，防止出現(xiàn)功能故障，本系統(tǒng)選取溫度參數(shù)來描述水上液壓傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

溫度參數(shù)判斷故障有兩個指標(biāo)：1)正常使用過程中達(dá)到的熱平衡溫度，用T表示；2)在開機階段的溫升曲線，用溫度-時間曲線描述，如圖8所示。

圖8 溫升曲線的示意圖

圖8中的縱坐標(biāo)是溫度(℃)，橫坐標(biāo)是時間(s)；最上面的曲線故障曲線，溫升速度快，且超過了溫度的閾值；最下面的曲線是正常曲線，溫升慢，且溫度未超過設(shè)定的溫度閾值；中間曲線是一個過渡，即液壓系統(tǒng)處于劣化狀態(tài)但未達(dá)到故障的狀態(tài)?？梢岳肔abView程序模擬三種曲線，通過調(diào)用不同的曲線，作為監(jiān)控數(shù)據(jù)的輸入，若選用故障曲線，則就是進行故障設(shè)置。其程序?qū)崿F(xiàn)如圖9所示。

圖9 模擬溫升曲線的程序框圖

3.2.2 故障判據(jù)選取

故障判據(jù)1：熱平衡的溫度不大于110℃；

故障判據(jù)2：同一個時間點上，溫升曲線對應(yīng)的溫度值不能超過5℃(和理想溫升曲線做比較)。

3.2.3 數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)分析

裝備的運行數(shù)據(jù)由兩路輸入，一路是由車載的傳感器提供即“監(jiān)控數(shù)據(jù)”,另一路是由軟件“設(shè)置故障的數(shù)據(jù)”；這兩路數(shù)據(jù)輸入完全分開，每次只能由其中一路提供。

本例中，將實車數(shù)據(jù)作為“監(jiān)控數(shù)據(jù)”輸入，使受訓(xùn)者了解和掌握裝備各分系統(tǒng)的監(jiān)控項目、參數(shù)，熟悉監(jiān)控項目的內(nèi)容，并且通過軟件系統(tǒng)將采集的溫度數(shù)據(jù)擬合出正常溫升曲線；基于“設(shè)置的故障數(shù)據(jù)” 用于故障排除課目訓(xùn)練，通過選擇故障列表，調(diào)用故障曲線，并與正常曲線對比，依據(jù)故障判據(jù)，給出故障報警，獲取再現(xiàn)故障，使受訓(xùn)者熟悉分系統(tǒng)故障現(xiàn)象。

3.2.4 典型故障的規(guī)范查詢及排除訓(xùn)練

典型故障的規(guī)范查詢是以故障樹及診斷樹為依據(jù)，規(guī)范故障分析的過程，按照規(guī)范的流程給出故障分析的結(jié)論及故障排除方法。

本例就是利用故障曲線設(shè)置故障，在獲取故障數(shù)據(jù)后，進行故障報警，觸發(fā)故障分析、診斷及排除過程，如圖10所示。

圖10 水上液壓傳動故障設(shè)置與排除運行流程

4 實驗結(jié)果與分析

經(jīng)過對系統(tǒng)試用，結(jié)果表明：

1)實現(xiàn)了對實車數(shù)據(jù)的采集及處理，通過監(jiān)控界面能夠?qū)崟r顯示反映裝備運行狀態(tài)的二十多種數(shù)據(jù)，給受訓(xùn)人員創(chuàng)造了一個認(rèn)知裝備運行狀態(tài)的虛擬環(huán)境；

2)實現(xiàn)了故障再現(xiàn)，通過分析運行狀態(tài)參數(shù)，選取反映裝備系統(tǒng)劣化過程的數(shù)據(jù)，進行潛在故障的監(jiān)控，通過設(shè)定故障判據(jù)，進行故障報警，再現(xiàn)故障，使受訓(xùn)者熟悉分系統(tǒng)故障現(xiàn)象；

3)實現(xiàn)了故障分析和排除的形象化，依據(jù)故障樹，建立故障診斷和排除的邏輯框圖，并利用熱區(qū)技術(shù)在裝備結(jié)構(gòu)圖上顯示故障隔離區(qū)域，為故障的診斷過程提供直觀場景。

系統(tǒng)下一步需要完善的是：編輯更多典型故障入庫；豐富故障再現(xiàn)手段；探尋表征系統(tǒng)運行參數(shù)的故障數(shù)據(jù)與故障樹中表征底事件的故障數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系及形象化表達(dá)。

5 結(jié)論

結(jié)合某新型裝備的模型車進行了故障設(shè)置與排除訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)研制，該系統(tǒng)利用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，能夠完成數(shù)據(jù)、記錄的輸入、存儲、更新，構(gòu)建起一個開放的平臺；通過該平臺能夠進行故障的虛擬設(shè)置，完成故障特征再現(xiàn)，用于故障分析與診斷方面的教學(xué)；通過系統(tǒng)平臺進行維修性試驗，收集故障數(shù)據(jù)，可以開展裝備故障規(guī)律研究；最后將收集到的故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為記錄，豐富完善平臺的數(shù)據(jù)庫，為新裝備維修保障方面探索性課題的研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

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