基于EXSYS的故障诊断专家系统的设计与实现

黄宏伟，陈 超，李永耀，谢国强，雷文平

HUANG Hong-wei1, CHEN Chao2, LI Yong-yao2, XIE Guo-qiang1, LEI Wen-ping2

（1.中电投河南电力有限公司 信息技术中心，郑州 450001；2.郑州大学 振动工程研究所，郑州 450001）

0 引言

随着工业的飞速发展，设备安全越来越受到人们的重视，企业越来越关注关键设备的运行状态[1]。应用物联网技术对旋转机械进行远程在线监测可以实时了解机组的运行状态。通过集成于在线监测系统的专家系统可以对监测中发现有故障的机组进行故障诊断，及时发现早期故障，提前采取相应的处理措施，避免事故的发生，对提升企业的故障诊断水平、积累设备诊断和故障分析经验具有十分重要的意义[2]。

EXSYS是美国EXSYS软件公司推出的专家系统建造软件，使用EXSYS不需要有编程的基础，具有操作简单、灵活性强等优点，大大简化了知识库及推理机建立及维护的过程，受到了国外众多用户的欢迎[3]。

本文利用EXSYS专家系统建造软件开发了集成于在线监测系统的故障诊断专家系统，针对不同企业不同机组建立了相应的知识库，通过在线监测系统自动提取一部分征兆，同时可以通过人机交互向推理机提供更多的诊断信息。

1 系统总体设计

本文中的故障诊断专家系统是集成于在线系统中的子系统，通过在线监测系统自动提取及人机交互得到征兆信息，利用EXSYS专家系统工具建立的模糊产生式规则[4,5]，进行故障诊断，最后显示诊断结果并生成诊断报告。故障诊断专家系统的总体结构如图1所示。

图1 故障诊断专家系统总体结构

故障诊断专家系统的诊断流程如图2所示。

1）当在线监测系统中有通道为报警状态时，在线监测系统的报警列表中会出现报警通道及“人机交互诊断”按钮。

2）点击“人机交互诊断”按钮后系统从在线系统自动获取当前通道的基本信息、振动信息及相关工艺信息。

3）将需要进行模糊处理的征兆进行处理之后建立征兆集。

4）在线监测系统调用EXSYS专家系统，读取征兆中间文件进行诊断，需要人机交互时并进行人机交互。

5）得到诊断结果，并产生故障报告。

2 知识库及推理机的建立

2.1 征兆的建立

对于旋转机械故障诊断，一般提取以下五类征兆信息：

1）工作状态：转速、负荷等。

2）频域特征：一倍频、二倍频等。

3）时域特征：轴心轨迹、振动幅值变化趋势等。

4）工艺参数：轴承金属温度、压力、流量等。

5）基本监测信息：机组信息、监测部位等。

我们采用EXSYS中的Variables模块进征兆的建立。Variables创建界面如图3所示。

图2 故障诊断专家系统诊断流程

图3 Variable创建界面

建立征兆时按获取方式分为两种情况。

1）建立通过系统自动计算获取的征兆时，选择Numeric vaule类型，并在Variables主界面的Prompt中输入征兆的描述等信息，如图4所示。

图4 征兆信息输入示意图

2）建立通过人机交互方式获取的征兆时，首先要建立一个和采用自动提取方式获取的征兆相同的Numeric vaule类型的Variables，然后建立一个相匹配的Static List类型的变量，用来对征兆进行模糊量化，如图5所示。Static List分为肯定、很可能、可能、有点可能、可能性小、不可能五种模糊量词，分别对应的隶属度为1、0.8、0.6、0.4、0.2、0。

图5 模糊量化征兆创建界面

最后，通过建立一个Logic模块对模糊量词进行量化，建立相应模糊量词与该征兆隶属度之间的关系，在推理至该征兆时，会自动转入Logic模块，通过选择模糊量词将相应的隶属度传递给对应的征兆，如图6所示。

2.2 故障的建立

建立故障时，在Variables创建主界面选择Confidence类型并在Variables主界面的Prompt中输入相应的描述信息。图7为建立不平衡故障的示意图。

图6 人机交互征兆的量化

图7 故障信息输入示意图

2.3 规则的建立

采用EXSYS中的Logic模块进行规则的创建。图8为不平衡故障的规则示意图。

图8 规则示意图

图8 中的规则为：

IF：1倍频较大（阈值0.7，权重0.6）

AND：轴心轨迹为椭圆（阈值0.6，权重0.1）

AND：振动幅值基本不变（阈值0.6，权重0.1）

AND：振幅随负荷变化不明显（阈值0.6，权重0.1）

AND：1倍频相位趋势基本不变（阈值0.6，权重0.1）

THEN：转子质量不平衡，可信度0.9

规则的建立过程如下：

首先，新建一个Logic模块，针对不同的机组，我们建立不同的Logic模块，在诊断过程中可以通过选择与该机组相应的Logic模块进行诊断。然后，通过系统主界面中IF子模块中的Add按钮，进行规则的添加。规则编辑界面如图9所示。

图9 规则编辑界面

当规则的前提条件编辑完成后，点击Then子模块中的Variable按钮选择相应的故障，并进行规则可信度计算，如图10所示。

图10 故障结论及可信度计算界面

2.4 推理控制策略的建立

采用EXSYS中的Command模块进行推理控制策略的创建。通过Control及Command对推理控制策略进行创建。本系统中，EXSYS首先读入在线监测系统输出的EXSYS规定格式的征兆中间文件，获得机组编号及通过自动计算获得的征兆信息，并通过进入相应的推理模块进行推理，最后输出推理结果。创建结果如图11所示。

图11 推理控制策略示意图

3 运行示例

以某一原水厂混流泵的诊断过程为例。当系统出现报警时，在报警列表中点击“进入人机交互诊断”按钮，系统后台自动进行自动获取类征兆的计算及提取，并弹出EXSYS人机交互界面，同时读入机组编号及通过自动计算获得的征兆信息。报警列表如图12所示。

图12 报警列表示意图

对于人机交互类征兆，诊断人员通过选择相应的模糊参量确定相应征兆的隶属度，如图13所示。

图13 人机交互示意图

当人机交互诊断结束后，系统会会生成Word格式的诊断报告，如图14所示。

图14 故障诊断报告

4 结论

1）通过EXSYS建立知识库及推理机，实现了知识库以及推理机与在线系统的相互独立，使知识的管理和维护可以相对独立地进行，提高了系统扩展性。

2）EXSYS的使用使知识库及推理机的建立及维护过程变得十分简单，减少了知识工程师和维护人员的学习量及工作量。

3）通过集成于在线监测系统的专家系统可以及时发现早期故障，提前采取相应的处理措施，避免事故的发生，对提升企业设备运行管理水平具有十分重要的意义。

[1] 何正嘉,陈进,王太勇,等.机械故障诊断理论及应用[M].北京：高等教育出版社,2010.

[2] 关惠玲,韩捷.设备故障诊断专家系统原理及实践[M].北京：机械工业出版社,2000.

[3] 陈超,李凌均,雷文平,等.基于多源信息融合的旋转机械故障诊断专家系统的研究和实现[J].制造业自动化,2014(19).

[4] 王永庆.人工智能原理与方法[M].西安：西安交通大学出版社,2006：205-206.

[5] 刘晓波.旋转机械故障诊断若干关键技术研究与应用[M].北京：机械工业出版社,2012：97-98.