1 引言
目前随着遥测装备复杂程度不断增加,其出现故障的概率及类型繁多,对其进行故障诊断也变得越来越困难。故障诊断系统研究经过不断发展和进步,出现了一系列先进理论在故障诊断系统中的应用研究。但实际上对绝大部分故障诊断系统来说还是以故障树理论为基础进行的构建和设计,故障树分析是一种多因素的分析法,可以分析几种因素同时起作用才能导致的某种后果。其逻辑推理严谨,数学计算严密,既能定性地判断,又能定量地计算各底事件对顶事件影响程度的大小[1],是故障诊断系统的基础,也是最有效、最基本的故障诊断技术之一。
测量技术的的不断进步为故障诊断的进一步发展奠定了基础,虚拟仪器技术就是提高测量精度和效率的有效手段之一,它改变了传统仪器的测量模式,使测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立仪器发展成为紧密结合的虚拟测量系统,把计算机技术与仪器技术完美的结合起来。因此论文结合虚拟仪器技术构成故障诊断硬件平台设计。
2 遥测装备故障特性分析
某遥测装备主要由接收天线、接收信道、变频器、接收机,遥测计算机,天线跟踪单元等构成,其主要组成如图1。
虽然遥测装备出现故障的类型繁多,但通过对使用过程中出现过的大量故障实例分析,其故障的类型大体分为三种[2]:突发型:装备自某一时刻开始突然工作不正常,其后可能恢复正常,也可能不再恢复。这类故障一般为某单元模块故障或者通信故障;波动型:在装备的使用过程中,检测到的数据虽然与对应要素值变化趋势相同,并且其变化的幅度也不是太大,但是检测数据在较小时间单位里会出现波动异常。这种类型的故障主要是由于线缆或电缆接头接触不良的原因造成的;渐衰型:这种类型的故障从单要素的角度来看,要素值在短时间内没有明显的异常变化,但是在数小时乃至更长的时间里才能发现这种趋势性变化。这种故障主要表现为板卡或器件的性能逐渐衰落,所以这种故障也最难判断。
从遥测装备的组成及特点分析,其常出现的故障主要包括信号的频率,装备单元模块的电压,信号的频谱及波形(渐衰型故障);单元模块损坏(突发型故障);板卡或者插头接触不良故障(波动型故障),本文研究的遥测装备在设计制造时已经将主要的测试点都引至一信号测试板,极大的方便了对装备的检查和测试,也为故障诊断系统的测试信号输入提供了方便。
3 基于虚拟仪器的故障诊断系统硬件设计
虚拟仪器由硬件设备与接口、驱动软件和面板组成。其通过底层设备驱动软件与仪器系统进行通讯,并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件,用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便[3]。
本文所设计的故障诊断系统就是在通用计算机平台上,根据遥测装备的故障特性来定义和设计仪器的测试功能,选择合适测虚拟仪器测试模块获取装备实时状态数据,利用故障诊断软件来完成遥测装备故障的诊断与排除。该诊断系统以实时诊断数据库为核心,将信号采集、信号分析、诊断专家系统集成为一个有机的整体,具有强大的设备故障诊断能力[4]。系统有硬件和软件两大部分组成。
遥测装备故障诊断系统的硬件主要为计算机、数据采集模块和I/O接口设备。根据某遥测装备的特性,通过对装备出现故障的类型及形式,在进行故障诊断时需测试的内容主要有:电压(单元模块电源5V、12V等);信号频率(中频70MHZ,基准频率10MHZ等);中频信号的频谱及波形(PCM信号波形)等,因此在选择虚拟仪器中的信号采集模块时主要采用NI公司的NI PXI-4065 6?位数字万用表模块、NI PXI-5152高速数字化仪/示波器模块、NI PXI-5660矢量信号分析仪模块。如图2所示。
本诊断系统采用虚拟仪器测试模块进行遥测装备测量数据的采集和处理,系统的主要工作原理是[5]:由装备类型数据库定义测点部位、信号类型和门限判据等;由测试仪器数据库定义测试仪器,并由仪器库中的仪器构造测量方案;装备故障树知识库和测量方案库中的数据形成信号采集方案,系统按采集方案驱动信号采集模块完成信号采集工作;然后系统按分析方案对测试信号进行分析、处理工作,并将分析结果送装备运行状态数据库;最后系统根据装备的实时运行状态数据,利用装备故障树知识库和装备故障诊断案例库中的数据进行推理诊断,完成一次诊断任务。
4 基于故障树的专家系统
故障诊断专家系统总结在装备生产、调试、使用、维修过程中所遇到的各种问题,故障所表现出的现象及解决问题的方法来建立专家知识库。专家系统故障诊断方法,是指计算机在采集被诊断对象的信息后,综合运用各种规则(专家经验),进行一系列的推理,必要时还可以随时调用各种应用程序,运行过程中向用户索取必要的信息后,就可快速地找到最终故障或最有可能的故障,再由用户来证实。
故障树(FT)模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型,是一种定性的因果模型,以系统最不希望事件为顶事件,以可能导致顶事件发生的其他事件为中间事件和底事件,并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。它反映了特征向量与故障向量(故障原因)之间的全部逻辑关系[6]。构建装备故障树时,首先分析装备系统各个组件的功能、结构、原理、故障状态、故障因素及其影响等,并作深刻透彻的了解,确定一个不希望的顶事件,由此开始,逐级找出各级事件的全部可能的直接原因,并用故障树的符号表示各类事件及其逻辑关系,直至分析到各类底事件为止。
在故障树分析中,建树是一个关键和基本的步骤,建树是否完善将直接影响分析诊断结果的准确性。而建树的关键是要清楚了解所分析的系统功能逻辑关系及故障模式、影响及致命度,建树完善与否直接影响定性分析和定量计算结果是否正确[7]。整个建树过程是工程技术人员对系统的分析思考过程,通过不同角度的建树过程,使分析人员进一步得到系统各种信息而更加熟悉系统,可以帮助设计人员判明潜在故障,以便改进设计,改进运行和维修方案。论文研究的遥测装备包含了上下变频器模块、时码模块、接收机模块、天线驱动单元、遥测数据处理计算机等,我们以下变频器输出故障为例来构建故障树模型如图3所示。
在故障树推理中先根据故障树顶事件的故障表现形式,从上到下逐个测试中间事件和底事件,从而搜寻出故障元器件[8]。图中若顶事件下变频器输出故障表现形式为“变频单元故障”,则依次测试底事件“变频模块”,“基准频率”,“12V电源”。若顶事件故障表现形式为“变频器无输入”,则分两种情况测试对中间事件“馈源输出故障”则依次测试底事件“LNA(低噪声放大器)”,“12V电源”,另一种情况是测试底事件“线缆及接头”。假如还有更下一层的中间事件,同样可依已有的故障树结构,层层深入,逐个测试分析比较,直到搜寻到故障元器件。
5 系统软件构建
软件系统是装备故障检测诊断系统的核心部分,它使系统中每个模块的功能有机结合,在多个模块相互协作和数据传递的过程中起着决定性的作用,并使整个系统的运作有效、稳定。该遥测装备故障诊断系统软件开发选用虚拟仪器标准的软件开发平台LabVIEW,以实现操作灵活、功能强大、用户界面友好的软件要求。根据遥测装备故障诊断系统的要求及特点,其软件的基本组成如图4。
a.系统设置及用户管理:为用户提供各种窗口界面,管理使用该测试软件的用户的权限,可以添加、删除用户,修改用户的密码等。允许用户输入各种参数,装备编号和测试操作人,选择不同的系统配置等。
b.测试仪器选择模块:应用软件调用仪器驱动,设置数字万用表、示波器等测试仪器,它根据数据采集系统的要求,完成数据采集功能,为数据分析、运算、显示提供原始数据。
c.系统自检模块:该模块检测故障诊断系统中的各种测试仪器是否能够正常采集或测量,并能将自检结果输出。
d.数据处理模块:进行各种数据管理、数据格式转换、数据运算、数据传递等功能,能够对测试结果分析统计、合格项判定,并能将统计结果保存、输出,方便用户查阅和打印。
e. 故障测试诊断模块:执行具体的测试步骤,包括使用仪器采集和测量各种信号,交换信息,并获取相应的测试结果,并提供对测试的控制功能,如暂停运行、终止程序等。操作人员在执行测试过程中,能够从软件界面中直接观察模拟或数字波形,能够监视系统测试结果的图形显示、处于更新状态的重要参数值和开关量状态。当测试项不合格时,测试系统通过出错对话框、状态指示灯或者报警方式告诉操作人员及时进行故障处理。
f. 数据保存模块:将测试过程中获得的需要保存的测试数据,保存在后台的数据库中。
g. 测试报告模块:读取数据库中保存的测试数据、测试人员的信息以及测试结论等,并将这些数据输出到一定格式的表格中,生成测试报告,可以供用户进行数据查询。
h. 测试日志模块:记录用户登录系统所进行的任何操作,并保存在数据库中,便于用户察看日志。
i. 参数设置模块:用于设置装备故障诊断系统PXI设备模块的参数
故障诊断系统故障测试的流程如图5所示。
6 故障诊断系统实验分析
故障树诊断按照流程通过检测故障树的各个节点中检测点的信号状态来判断故障节点是否正常。图6为采用故障树方式进行故障诊断实时运行示意图,在该界面中选择设备类型以及所属分系统或单元,在故障树选项中选择所需的故障树开始进行故障诊断。在故障诊断过程中,按照故障树流程选择适合测试信号的仪器对故障节点进行检测,对检测出的节点实际数值或者信号频谱、波形与真值进行比对,查找出有故障的节点,然后对故障节点进行故障排除,完成一次基于故障树的故障诊断。图7为矢量信号分析仪检测故障树节点结果示意图。
7 结束语
本文针对一种遥测装备分析了其故障特性,将虚拟仪器和故障树技术相结合,结合该遥测装备特点构建了基于故障树的专家诊断系统,设计了基于虚拟仪器的故障诊断系统硬件,给出了系统软件的组成及故障诊断实现流程。该故障诊断系统大大提高了遥测装备故障检测诊断的效率和准确性,具有较好的应用前景,对其他装备的故障诊断研究具有参考价值。
参考文献:
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[7] R Remenyte.J D Abdrews.A simple component connection aporoach for fault tree conversion to binary decision diagram,2006.
[8] 蔡宗平,汤正平,闵海波,故障树分析法的专家系统在故障诊断中的应用[J].微计算机信息,2006(8-1):135-138.
作者简介:李中伟(1976-),男,在读硕士研究生,研究方向:先进控制理论及应用,智能故障诊断。