舰船操舵系统的故障树诊断方法*

王 冬 刘建业

(南京航空航天大学自动化学院 南京 200016)

舰船操舵系统的故障树诊断方法*

王 冬 刘建业

(南京航空航天大学自动化学院 南京 200016)

舰船操舵系统系统维修难度大,故障不易排除,因此故障诊断技术在该领域越来越受到重视。论文根据舰船操舵系统的一般故障模式,采取了故障树的诊断方法,结合故障树分析法建立了故障诊断专家系统,提高了故障诊断水平。

舰船操舵; 维修; 故障树

Class Number TN97

1 引言

舰船操舵系统是舰船航行的重要系统之一,是舰船安全航行的重要保障。近年来,随着科技的不断进步,我国设计生产的操舵系统性能不断提高,结构与功能越来越复杂。但是舰船操舵系统工作环境极端恶劣,在此基础上追求高性能必然会影响操舵系统的可靠性。由于我国的基础工业依然薄弱,加之对研制过程中的规律认识不足,往往在追求高性能的同时牺牲了质量和可靠性指标方面的要求,导致我国设计生产的舰船操舵系统总体的可靠性较差,故障率较高。因此如何快速诊断出故障,以保证舰船的安全航行就成为一个重要的问题。本文通过对舰船操舵系统故障模式的分析,运用故障树的分析方法,找到故障模式的原因与传播路径,从而为准确的故障定位和及时的诊断维修创造条件,对提高舰船操舵系统和整个舰船的可靠性、维修性和安全性具有重大意义[1]。

2 舰船操舵系统的组成

舰船操舵系统是控制舰船航行的主要手段,为了保证航行安全,一般采用双系统交互工作。在组成上,由主操台、启动器、液压舵机、反馈机构等分机构成。各分机通过连接电缆组成舰船操舵系统,由主操台控制各分机协同工作,最终输出需要的舵角以控制舰船航向。

· 主操台:整套系统的核心。由航向跟踪系统、报警系统、随动控制系统等模块组成。协调控制系统各部件的工作,通过选择合适的操纵方式控制舰船航向[2]。

· 启动器:联接380V船电,输出110V交流和24V直流电到主操台,并通过主操台分配给各分机。

· 液压舵机:操舵系统的执行机构,由主操台控制启动器启动液压舵机,为舵叶提供液压源。

· 反馈机构:反馈实际舵角,在主操台显示或在随动操纵方式工况下输出反馈信号。

2.1 操舵系统故障模型分析

对于舰船操舵系统,要精确地建立其数学模型有时是很困难的。这时可以考虑建立系统的故障过程模型。本文选用故障树分析法[3]。

故障树分析法是一种由果到因的演绎推理方法。根据分析人员对研究对象原理的深刻把握,尽可能多的提出系统故障,并逐级分析故障原因,形成树状推理图。故障树分析主要应用于系统设计过程中,拥有直观、灵活、通用等优点,但复杂系统的建树过程复杂,为避免在建树过程中出现错漏和脱节,对分析人员要求很高。

针对舰船操舵系统,根据各分系统功能上的差别,将操舵系统故障模型进行分类研究。

2.2 操舵系统故障模型分类

供电系统故障:供电系统为整个舰船操舵系统供电,如果供电系统故障,整套系统将瘫痪,舰船将无法操纵[4]。

液压系统故障:当前操舵系统的执行机构一般以液压系统为主,当液压系统出现故障,前端电路控制部分失效,对舰船安全影响最大。

航向跟踪系统故障:操舵系统的航向跟踪分系统一般来自于舰船的罗经系统,进行实时同步,通过主控制单元计算航差计算出舵叶的打舵角,实现自动操纵。当航向跟踪系统出现故障,会引起航向跟踪不稳定,舰船无法稳定的在给定航向航行。

线路故障:舰船操舵系统作为一个复杂系统,为了联接各分系统,需要大量的联接电缆,而电缆联接故障是日常使用中经常发生的故障。

主操纵台故障:主操纵台控制整个系统的运行,其中大量的电路板在恶劣的工作环境下,极易出现故障。

3 舰船操舵系统故障树的分析和建立

3.1 故障树分析法

故障树分析法是一种安全可靠的分析技术,也是目前故障诊断中应用最多的方法之一,它建立在对系统的故障经验库的基础之上,将系统级的故障现象(顶事件)与最基本的故障原因(底事件)之间的内在关系表示成树形的网络图,各层事件之间通过“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑关系相关联。通常把系统的故障状态称为顶事件,然后找出系统故障和导致系统故障的诸原因之间的逻辑关系。并将这些逻辑关系用逻辑符号表示出来,由上而下组逐层分解,直到不能分解为止。推导出各故障和各单元故障之间的逻辑关系,利用这些逻辑关系最终找出对应的底层故障原因[5]。

3.2 舰船操舵系统故障树的建立

本文对舰船操舵系统进行分析,根据以往的维修经验,建立故障树。以下是故障树建立的步骤[6]:

1) 选择和确定顶事件。顶事件即为故障事件。

2) 分析顶事件。寻找引起顶事件发生的直接的和必要的原因。

3) 分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解,则将其作为下一级的输出事件,如同步骤2)中对顶事件那样进行处理。

4) 重复上述步骤,逐级向下分解,直到所有的输入事件不能分解为止,建立倒置的故障树。

图1 舰船操舵系统故障树

当舰船操舵系统无法工作或工作时异常,就要对其进行维修。舰船操舵系统可分为主操纵台、电源系统、液压系统、航向跟踪系统等分系统,其主要故障可分为系统失电、液压阀故障、航向跟踪故障、主操随动故障四个部分[8]。

通过故障分析及整理,舰船操舵系统故障树如图1所示。

对图1所示故障树进行定型分析。从故障树可以清晰地看出,导致舰船操舵系统故障的原因主要有四个,但是主操纵台工作异常是导致舰船操舵系统发生故障的主要原因。以下是操舵系统故障树分析细化的两个例子,图2为舵角跟踪精度低的细化故障树。图3为反馈系统的细化故障树。

图2 舵角跟踪精度低的细化故障树

图3 反馈系统的细化故障树

4 实例验证

副操台随动操纵工况下,无法给出给定舵角。该故障属于复合故障,可能的故障原因有很多,而出现这种故障的时候,大多数是在航行状态,如果出现故障,很可能导致舰船无法航行。这种故障舰船操作人员是很难排除的,即使是专业维修工程师也需要大量的时间来排查。利用操舵系统专家诊断系统,可以不必依靠专业工程师维修,通过培训的舰艇操作人员就可快速定位故障,并更换随船备件,从而避免了对舰船航行的影响[9]。

图4 专家诊断系统

以下是整个故障诊断过程,只需轻点鼠标几步就可找到故障原因。更换备件后,故障排除。

第一步,在电脑中打开专家诊断系统,并选择复合故障诊断。如图4所示。

第二步,部件选择,选择付操纵台,如图5所示。

图5 部件选择

第三步,症状选择,选择“付操纵台随动时无法给出给定舵角”,如图6所示。

第四步,已选择的症状,根据实际症状选择“付操随动操舵是无法给出给定舵角”,如图7所示。

第五步,单击“可能的故障原因”,根据“故障导致的症状”内显示的症状,找到故障原因”,如图8所示。

图6 症状选择

图7 根据实际症状选择

图8 找到故障原因

第六步,更换控制板,开机验证后故障排除。

通过故障树的建立,完成了故障诊断专家系统。通过实验验证,相比过去凭借工程师经验维修提高了工作效率,节省了人力。通过培训,舰船操作人员就可现场诊断出故障,利用备件修复,大大提高了舰艇的在航率。

5 结语

本文通过对舰船操舵系统的分析,结合维修经验,利用故障树诊断方法建立了专家系统,对舰船操舵系统的维修提供了一种新的方法,相比过去依靠维修工程师的经验,极大地降低了舰船操舵系统维修的门槛。故障树诊断分析法,为专家系统提供了知识获取的便捷方式,结合专家系统的解释功能,保证了诊断结果的准确性。实践证明,该系统应用于舰船操舵系统故障诊断,能够有效、快速地进行故障定位,有很好的应用效果[10]。

[1] 王仲生.智能故障诊断与容错控制[M].西安:西北工业大学出版社,2005.

[2] 陈必然,霍立平,黄斌,基于模糊神经网络的机载设备智能故障诊断系统[J].光电工程,2007,34(11):131-134.

[3] 熊小龙,王洁,牛天林,等.复杂系统故障的综合诊断模型[J].电光与控制,2009,16(2):56-59.

[4] 姚文俊.一种混合遗传算法和BP算法的故障诊断方法的研究[J].计算机与数字工程,2004,32(5):80-101.

[5] 宋斌,王军,张培海,等.模糊遗传算法的神经网络方法在变压器故障诊断中的研究[J].华中电力,2004,17(6):17-21.

[6] 徐丽娜.神经网络控制[M].北京:电子工业出版社,2003:1-23.

[7] 佟刚,张国忠,苗君明.基于遗传算法优化的神经网络及其在机械故障诊断中的应用[J].机械与电子,2006(6):13-15.

[8] 肖元姣,苏广川,韩雷.基于神经网络的电子设备故障诊断专家系统[J].电光与控制,2005,12(3):47-49.

[9] 史慧,吕律,魏蛟龙.基于模糊神经网络的板级电路故障诊断研究[J].计算机测量与控制,2002,10(12):789-791.

[10] 张苗苗,谢剑英,方敏,等.基于模糊神经网络的智能诊断系统的研制[J].计算机工程,1999,25(3):53-54,57.

[11] 李琳,程昌银.模糊神经网络故障诊断研究[J].武汉理工大学学报(信息与工程管理版),2002,24(1):15-17.

Fault Tree Diagnosis Method of Ship Steering System

WANG Dong LIU Jianye

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 200016)

The system of ship steering is difficult to repair, and the failures aren’t easy to solve, so the fault diagnosis technology is more and more important in the field. According to general failure mode in the system of ship steering, the diagnostic method of fault tree analysis is combined by the flt diagnosis expert system, then the fault diagnosis is improved.

ship steering, repair, fault tree

2013年8月8日,

2013年9月23日

王冬,男,硕士研究生,工程师,研究方向:航海仪器测试。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.033