基于扩展故障树的通用机床电控故障诊断专家系统研究

张乐平

(江西理工大学软件学院，江西南昌 330013)

0 前言

通用机床包括车床、铣床、刨床、磨床、镗床等，种类繁多，电气控制设备各异，目前广泛应用继电接触器控制系统。在电控设备中，由各种电器元件构成的电器控制系统是重要的组成部分，它们结构复杂，控制性能各异。而电器控制系统的复杂化导致出现故障的可能性增加，也导致诊断定位决策的难度增加。因此，如何对电器控制系统实现故障快速定位显得尤其重要［1］。

故障树是由美国贝尔电话实验室的H A Walson首先提出，它是一种系统可靠性分析方法。利用故障树来构建诊断系统知识库，不仅可以方便推理机构寻找潜在故障或进行故障诊断，而且可以进一步预测未来系统故障发生的概率［2］。

1 目前存在的问题

通用机床适应于单件小批生产，应用非常广泛。其电控故障的诊断与维修现状比较复杂，目前存在的主要问题表现在:

(1)高效、精确地完成故障排查的秘诀在于:确定含有故障的部分电路，并且找出故障元件［3］。电气图是工程技术人员交流的语言，也是判别故障源的一个根本依据。如果只是基于故障树的故障诊断，其搜索结果仅表示可能的故障原因。故障树和电气图等技术资料间较少联系，最终确诊往往不方便。

(2)维修资料、维修档案与记录大多仍采用纸介存储。文件的完好程度受企业技术管理水平影响，调阅和归纳整理不便，利用效率不高。

(3)从业人员较多，专业知识和技术水平差异较大，目前大多仍采用人为的传统方法。因而其维修方法、维修效率受技术人员人为因素影响较大。

综上所述，研究一个融合传统的故障诊断、维修技术与故障树于一体的专家系统，通过故障树快速地查找故障发生的原因，同时可选择依据数字化的相关技术图纸进行确认和完善，将维修档案记录在相应数据单元中，实现传统维修的智能化和数字化、节约维修和高效维修，具有广泛的现实意义。

2 基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统

2．1 专家系统总体框架

基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统的总体结构如图1所示，主要包括综合数据库、知识获取管理机构、人机交互界面、解释模块、诊断推理模块和维修日志管理模块等。其中，综合数据库中的故障树和诊断推理模块为整个专家系统的核心。

图1 基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统结构

2．2 专家系统知识库核心——故障树

2．2．1 电气故障诊断知识表示方法

知识库的建立是专家系统建立的中心任务，其目的在于通过知识的有效表示使专家系统利用这些知识进行正确的推理和做出正确的决策，较快解决用户提出的问题。

该系统将故障按照机床型号类别进行分类，然后再按照部件系统划分为主电路系统、控制电路系统和辅助与信号电路系统，每个分系统建立其对应的故障树，这样可以保证故障诊断仅在一个或几个知识链表中进行，从而减少推理时的搜索范围，加快系统推理速度。而且在产生式规则库中，由于各规则之间相互独立，这有利于知识库的修改和扩充［4］。系统知识表示基本框架如图2所示，图中以上海第五机床厂生产的Z3040×16型摇臂钻床控制电路系统故障为例［5］。

图2 系统知识表示基本框架

2．2．2 建立电控故障诊断故障树

以上述摇臂钻床控制电路系统故障为顶部事件建立故障树，如图3所示。因篇幅限制，该处仅列出其“摇臂升降与夹紧故障”所对应的分支。

图3 Z3040×16型摇臂钻床控制电路故障树故障树中，各故障序号对应的故障事件如表1所示。

表1 故障树明细表

该专家系统设计时，除上述Z3040×16型摇臂钻床外，通过调研通用机床使用型号和类别的广泛性和典型性，分别选用C650-2卧式车床、M7475B立轴圆台平面磨床、XA6132型万能升降台铣床、T68卧式镗床建立分系统(主电路、控制电路、辅助与信号电路)故障树［6］，作为专家系统的基本知识。

2．3 综合数据库——故障树的扩展

综合数据库采用SQL实现，主要包括故障树知识库、电气图和维修记录三部分，其基本数据库结构如图4所示，图中虚线框表示扩展的功能、虚线连接表示可选。首先分解每一棵故障树，抽象出每一节点的相关信息，连同节点的父节点和子节点，组成一系列故障记录，然后将分解结果保存在数据库中每一个节点信息对应数据表中一条记录，而每一个故障树流程图对应数据库中的一张表，如此就可完成基于故障树的知识表示［7］。其故障树知识由机床电控系统表、故障事件表、故障树信息表、特征参数表和维修信息表组成。

图4 专家系统数据库结构

综合数据库的扩展包括两个方面:一方面是通过人机交互界面对设备类型和故障事件等进行扩展、修改和完善，最终形成一个对应于本单位通用机床具体型号、类别和具体使用环境的完整系统，实现设备维护的系统化，该功能主要通过故障树的编辑实现;二是对故障诊断功能的扩展:主要包括电气图和维修档案的扩展。

2．3．1 电气图的扩展

本研究强调故障诊断专家系统的故障树知识与经典的电路分析方法相互印证，故障源的具体安装位置快速确认，为此扩展了电气图表。该表通过ID与设备单元、故障事件链接。其内容包括:

(1)通用机床设备型号单元，对应该型号设备电控系统的电路图、接线图和互联图等技术信息;

(2)各电控分系统对应该系统的电路图、接线图及相关互联图;

(3)中间事件对应单元电路(局部电路)、接线图(对应部分用虚线标出);

(4)部分底事件对应接线图(对应部分用虚线标出)或互联图。

2．3．2 强化维修知识及维修档案的扩展

为实现传统维修技术的高效融合，在故障树知识中分别设置了特征参数表和维修信息表。特征参数表给出了某些检验单元所对应的参数类型、正常参数范围等信息;维修信息表则给出了相应的维修建议和维修方法。

维修日志表则用于故障维修记录的数字化与档案化。包括机床名称型号、故障、诊断维修结果及时间等信息。

3 基于最小割集重要度的推理机实现

系统根据输入的故障征兆自动寻找匹配的顶事件且生成顶事件故障树并按Fussell算法求出最小割集;按照重要度大的最小割集优先检测的原则生成测试流程［7］。因其推理过程与常用故障树无异，在此不再赘述。

4 电控故障诊断专家系统的诊断方法

电控故障维修人员(操作员)直接进入故障诊断系统，根据故障事件进行诊断，其主要步骤如下:

(1)用户在诊断界面上选择设备类别、型号，在分系统中勾选列出的故障事件(现象);

(2)系统将收到的故障信息传给诊断推理模块;

(3)根据最小割集及重要度排序，推理出故障原因;

(4)将推理结果与故障路径显示在推理界面上;

(5)(可选):打开电路图验证;

(6)(可选):打开接线图进行位置确认;

(7)按照路径所示检测流程、维修方法进行测试;

(8)如果此时仍未诊断出故障根源，则转到(3);

(9)记录诊断结果，诊断成功。

5 故障诊断专家系统软件实现［8］

基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统采用Visual Studio 2005和Microsoft SQL Server 2005作为开发工具，C#作为开发语言。

Visual Studio 2005是一个非常庞大的软件，是基于．NET2．0框架的。C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于．NET Framework之上的高级程序设计语言，在集成了C和C++强大功能的同时去掉了一些它们的复杂性，使其更易用，更少出错。

为了实现可视化建树以及系统的其他功能，需要一种图形系统来高效的完成故障事件与连接线的绘制和编辑等操作。本平台使用的是．NET下System．Drawing命名空间中的GDI+图形系统。

Microsoft SQL Server2005是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能工具提供了企业级的数据管理。系统采用ADO．NET完成数据集对象的建立后，便可以通过SQL结构化查询语言对知识库实现操作访问。

为了维修档案向用户使用的规范文档的转换，需要增加系统对于Word文档的操作。在建模与诊断平台中，通过引用Microsoft Office．Interop．Word实现与Word对象模型进行交互。

6 结束语

综上所述，所设计的基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统智能、简便、直观、工作稳定可靠。将维修专家、工程师的经验、计算机技术和智能故障诊断技术进行整合，研究开发的该基于故障诊断专家系统的维修工具，从而帮助设备维修维护工作人员快速、准确地找出故障原因，并提供维修建议和参考取值等，对于通用机床设备现场抢修具有重要的现实意义。后续将考虑将其改进为用于Pocket PC平台、基于关系数据库技术的故障诊断专家系统，实现传统维修的便捷化、智能化和规范化［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］杨盛泉，刘萍萍．基于故障树的梭式窑故障诊断专家系统［J］．计算机应用研究，2008，11(11):3401-3403．

［3］［印］S．K．Bhattacharya Brijinder Singh．电气控制技术及应用［M］．陶国彬，张秀艳，译．北京:科学出版社，2012．

［4］刘江．基于故障树的通用航空器故障诊断专家系统研究［D］．广汉:民航飞行学院，2011．

［5］周希章．电修手册(下册)［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［6］赵明，许翏．工厂电气控制设备［M］．2版．北京:机械工业出版社，2006．

［7］宗群，李光宇．基于故障树的电梯故障诊断专家系统设计［J］．控制工程，2012，3(2):305-308．

［8］丁小磊．基于故障树的建模与诊断平台应用研究［D］．北京:北京航空航天大学，2013．

［9］彭智勇．基于PocketPC的便携式故障诊断专家系统设计［J］．装甲兵工程学院学报，2008，2(1):62-67．