基于故障樹的信號(hào)繼電器電氣特性故障診斷系統(tǒng)

張婉

(廣深股份公司廣州電務(wù)段，廣東廣州 510610)

0 引言

檢測(cè)技術(shù)是一門既古老又年輕的學(xué)科，它起源于上個(gè)世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷自我更新。利用各種檢測(cè)技術(shù)來查找故障，稱為“故障檢測(cè)技術(shù)”或稱為“故障診斷”。故障診斷系統(tǒng)來自理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的緊密結(jié)合，是提高檢修質(zhì)量的有效方法。在電力變壓器[1]、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)[2]、軸承[3]和電源電網(wǎng)[4]等方面，故障診斷系統(tǒng)都發(fā)揮了很大的作用。

幅員遼闊的中國(guó)擁有公路、鐵路、水運(yùn)、航空、管道構(gòu)成的發(fā)達(dá)交通網(wǎng)，其中高速鐵路營(yíng)業(yè)里程世界第一[5]。信號(hào)繼電器是高速鐵路自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制信號(hào)設(shè)備的主要控制元件之一，其重要性不言而喻[6]。信號(hào)繼電器檢修的目的是排除繼電器在運(yùn)行中產(chǎn)生的故障，恢復(fù)其電氣、機(jī)械特性，確保其可靠、安全的工作。

信號(hào)繼電器電氣特性故障的誘因很多，包括：可動(dòng)部分磨損、線圈因受潮而絕緣降低、金屬零件的龜裂或變形、永久磁鐵的變化等。這些都會(huì)引起電氣特性的變化。信號(hào)繼電器的電氣特性故障，其故障模式來源于底層的故障機(jī)理。同樣的故障模式在不同型號(hào)的信號(hào)繼電器中有不一樣的故障機(jī)理，這就給故障點(diǎn)的定位帶來了困難。信號(hào)繼電器電氣特性故障的多樣性和復(fù)雜性導(dǎo)致故障診斷在邏輯和細(xì)節(jié)上的不確定性。通過人的感官或簡(jiǎn)單儀表，獲得故障現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、繼電器檢修標(biāo)準(zhǔn)來判斷當(dāng)前的故障模式。當(dāng)出現(xiàn)故障現(xiàn)象時(shí)，需要參考相關(guān)操作手冊(cè)和以往案例結(jié)合檢修人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理。新接觸信號(hào)繼電器檢修和調(diào)試的人員，往往對(duì)其電氣特性故障感到困惑。即使有一定經(jīng)驗(yàn)的人員，也難以全面掌握不同信號(hào)繼電器的故障。將故障診斷系統(tǒng)與信號(hào)繼電器檢修工作相結(jié)合可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障并定位到故障點(diǎn)，從而提高信號(hào)繼電器檢修工作的效率。

1 信號(hào)繼電器電氣特性故障診斷方案設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)分為離線設(shè)計(jì)模塊和在線診斷模塊，圖1為信號(hào)繼電器電氣特性故障診斷流程圖。

1.1 離線設(shè)計(jì)

1.1.1 知識(shí)獲取與故障樹的建立

本方法采用專家系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，收集信號(hào)繼電器電氣特性故障的專家診斷并整合相關(guān)技術(shù)資料，選用故障樹通過演繹分析法，對(duì)種類繁雜的繼電器電氣特性故障信息進(jìn)行獲取。對(duì)不同型號(hào)的信號(hào)繼電器電氣特性故障建立對(duì)應(yīng)的故障樹，增加了知識(shí)庫(kù)的完整度，進(jìn)一步提高了故障診斷的精確度。實(shí)現(xiàn)了對(duì)繼電器電氣特性故障的快速診斷和分析提示。故障診斷系統(tǒng)按信號(hào)繼電器的型號(hào)例如：JWXC型無極繼電器、JZXC型整流式繼電器、JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器、JY(J)XC型極性保持(加強(qiáng)接點(diǎn))繼電器、JPXC-1000型偏極繼電器、JDBXC-1100型單閉磁繼電器、JSBXC-850型半導(dǎo)體時(shí)間繼電器等，分為若干個(gè)故障樹子集。本文以JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器故障為例，分析其故障信息，構(gòu)建了20個(gè)基礎(chǔ)事件、6個(gè)中間事件和一個(gè)頂事件的故障樹。故障樹如圖2所示，頂事件為T，中間事件為M，基礎(chǔ)事件為X，如表1、表2、表3所示。

圖2 JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器故障樹

1.1.2 故障機(jī)理建模與診斷規(guī)則表

在單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入故障機(jī)理模型，考慮到故障模式和特征參量單一，所以模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單?；诠收蠘浞治觯⒔Y(jié)合信號(hào)繼電器的故障模式、機(jī)理進(jìn)行建模。故障樹分析為建模提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，而模型的建立可以更好地明確故障邏輯。由于故障樹使用的邏輯門為“或門”，因此規(guī)則式產(chǎn)生式使用“if......，then......”。如表4所示，不同的故障模式激活相應(yīng)的故障規(guī)則，對(duì)應(yīng)不同的故障原因。其中故障模式M4下還有M1、M2兩個(gè)子故障模式，分別激活Rule3、Rule4兩條故障規(guī)則。

1.1.3 統(tǒng)計(jì)分析與故障特征

采用模式匹配法，在故障機(jī)理研究和工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)基礎(chǔ)上，確定故障現(xiàn)象與對(duì)應(yīng)的特征參量構(gòu)成參考模式。在信號(hào)繼電器檢修過程中，選擇某個(gè)電氣特性故障，跟蹤其變化規(guī)律并與參考模式相結(jié)合，定位故障點(diǎn)和故障原因。

1.2 在線診斷

具有解釋程序的人機(jī)界面是連接用戶和診斷系統(tǒng)的橋梁。它向用戶解釋推理步驟，讓用戶容易接受系統(tǒng)的推理結(jié)果和決策。信號(hào)繼電器電氣特性的主要性能指標(biāo)有：工作值、釋放值、緩放時(shí)間、緩吸時(shí)間、定位吸氣值、反位打落值、電阻。對(duì)同一故障現(xiàn)象，通過人機(jī)界面與用戶的信息交換，逐級(jí)定位故障點(diǎn)并給出有效的維修建議。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)應(yīng)的故障信息，系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則進(jìn)行推理，將推理結(jié)論和維修建議通過人機(jī)界面展示給用戶。用戶無需查找相關(guān)操作手冊(cè)或咨詢專業(yè)技術(shù)人員，只需按照提示檢查和嘗試克服故障，縮短了故障處理的時(shí)間，提高了問題的解決效率。模式匹配推理過程如下：

(1)根據(jù)故障現(xiàn)象和給定信息，選定對(duì)應(yīng)選項(xiàng)；

(2)進(jìn)入下一級(jí)子故障列表，依次逐級(jí)進(jìn)行匹配，在完成最后一級(jí)的事件的匹配后，結(jié)合定位的故障點(diǎn)在解釋表(如表5所示)中標(biāo)記故障結(jié)論和維修建議；

表1 頂事件故障信息

表2 中間事件故障信息表

表3 基本故障事件信息表

表4 規(guī)則參數(shù)表

(3)通過人機(jī)接口將信號(hào)繼電器的電氣特性故障診斷結(jié)論、故障原因和維修建議等信息推送給用戶。

2 測(cè)試用例分析

本文以“JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器”的電氣特性故障為例，進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性。故障診斷系統(tǒng)根據(jù)故障樹展開故障點(diǎn)定位和故障原因查找。

操作系統(tǒng)：Windows 10專業(yè)版64位；處理器：Inter(R)Corem3-6Y30；內(nèi)存：4GB。

2.1 初始化界面

系統(tǒng)初始化如圖3所示，標(biāo)題為“信號(hào)繼電器電氣特性故障診斷系統(tǒng)”，對(duì)話框提示“請(qǐng)選擇信號(hào)繼電器類型”，下方對(duì)話框里顯示六種信號(hào)繼電器名。例如：JWXC型無極型繼電器、JZXC型整流式繼電器、JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器等。由于測(cè)試用例為JWJXC(H)型，所以選擇“JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器”。

圖3 初始化界面

2.2 推理界面

診斷系統(tǒng)如圖4所示，根據(jù)用戶對(duì)信號(hào)繼電器型號(hào)的選擇推送一級(jí)中間事件(具體的電氣特性故障現(xiàn)象)：工作值大、釋放值小、緩放時(shí)間不夠。并且對(duì)話框標(biāo)題已更新為“JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器常見電氣特性故障診斷系統(tǒng)”。用戶觀察信號(hào)繼電器現(xiàn)象反饋給系統(tǒng)，點(diǎn)擊“緩放時(shí)間不夠”。

圖4 推理界面Ⅰ

圖5 推理界面Ⅱ

表5 診斷結(jié)果及維修建議解釋表

如圖5所示，標(biāo)題已更新為“電氣特性故障：緩放時(shí)間不夠”。界面提示用戶檢查釋放值、電磁系統(tǒng)的情況，并且考慮二級(jí)中間事件：釋放值大、電磁系統(tǒng)有缺陷。通過檢查，用戶確定電磁系統(tǒng)正常但釋放值大，故障屬于前者，所以選擇第一個(gè)。

圖6 推理界面Ⅲ

圖7 診斷結(jié)論界面

如圖6所示，由于用例中的JWJXC(H)型無極加強(qiáng)接點(diǎn)(緩放)繼電器釋放值大則建議用戶檢查前接點(diǎn)壓力、動(dòng)接點(diǎn)預(yù)壓力和止片厚度。推導(dǎo)至基礎(chǔ)事件選項(xiàng)：前接點(diǎn)壓力過大、動(dòng)接點(diǎn)預(yù)壓力大、止片太厚。

2.3 診斷結(jié)論界面

如圖7所示，在用戶確認(rèn)故障的基礎(chǔ)事件為前接點(diǎn)壓力過大后，系統(tǒng)搜索給出減少前接點(diǎn)壓力的解決方案，同時(shí)給出緩放時(shí)間不夠，釋放值大的故障描述。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)信號(hào)繼電器電氣特性故障診斷的迫切需求，本文研究了常見信號(hào)繼電器的電氣特性故障狀態(tài)及其故障原因，給出了故障的故障樹分析的流程，提出了基于模式匹配的信號(hào)繼電器電氣特性故障診斷方法。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出故障診斷系統(tǒng)。以智能故障診斷系統(tǒng)取代原有的人工檢測(cè)，幫助用戶快速地定位故障點(diǎn)，確定故障原因并給出對(duì)應(yīng)的維修建議，提高了信號(hào)繼電器檢修工作的智能化程度。經(jīng)過試驗(yàn)用例的測(cè)試，證明該系統(tǒng)具有良好的通用性和廣闊的應(yīng)用前景。