特種冷卻裝備單機(jī)故障診斷與運維方法

袁漢欽

（海裝駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥，230031）

特種冷卻裝置要求可靠性高，其故障直接影響上級任務(wù)系統(tǒng)的可靠性。如船舶中心數(shù)據(jù)服務(wù)器冷卻裝置、大功率電子冷卻裝置等，冷卻裝置故障直接導(dǎo)致服務(wù)器、大功率電子設(shè)備停機(jī)失效、任務(wù)中斷。如何快速的定位故障、預(yù)判故障及自動處理故障尤為重要。隨著大數(shù)據(jù)、5G及智能邊緣設(shè)備的發(fā)展，故障診斷技術(shù)發(fā)展迅猛，在航天、軍工、機(jī)械電子等領(lǐng)域得到推廣，如核電廠冷卻系統(tǒng)采用基于Microsoft SQL 2000數(shù)據(jù)庫的故障專家系統(tǒng)［1］、基于專家系統(tǒng)的漿紗機(jī)故障診斷研究［2］等。故障診斷（FD）始于（機(jī)械）設(shè)備故障診斷，其全名是狀態(tài)檢測與故障診斷（CMFD）［3］。工業(yè)故障診斷采集模塊、故障分析軟件也發(fā)展迅猛，如日本（NOHKEN）2020年發(fā)行的預(yù)知保全系統(tǒng)、西門子設(shè)備廠商推出的Siplus CMC1200，將故障診斷技術(shù)融入到設(shè)備產(chǎn)品中。本文所描述的是故障診斷技術(shù)在單機(jī)、無網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)支撐的冷卻設(shè)備上的應(yīng)用。

1 故障樹模型

故障診斷技術(shù)是指不進(jìn)行設(shè)備拆卸的情況下，通過相應(yīng)的方法和技術(shù)手段，在設(shè)備運行過程中掌握其運行狀態(tài)，確定是否發(fā)生故障并分析出發(fā)生故障的原因，預(yù)報故障未來的發(fā)展趨 勢［4］。如空天產(chǎn)品、風(fēng)電、鐵塔及災(zāi)警系統(tǒng)等，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工作環(huán)境惡劣，故障專家系統(tǒng)、降額控制系統(tǒng)在這些行業(yè)應(yīng)用的相對集中。故障專家系統(tǒng)診斷過程，將工程師視覺、聽覺和觸覺轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過存儲、數(shù)據(jù)調(diào)用、分析及遞歸。單機(jī)故障診斷系統(tǒng)受到硬件、成本及數(shù)據(jù)鏈路等諸多因素限制，使得單機(jī)故障診斷沒有大的數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)交互及存儲的能力，其最大的問題有二個方面，一是知識的獲取、二是數(shù)據(jù)的存儲、壓縮及檢索。解決了數(shù)據(jù)層面，專家系統(tǒng)可以嵌入到控制系統(tǒng)中。圖1是某個冷卻系統(tǒng)的故障樹。

圖1 冷卻系統(tǒng)故障樹

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜度設(shè)計多層故障樹，層數(shù)越多系統(tǒng)越復(fù)雜。該制冷系統(tǒng)的故障樹分成三級，故障是頂事件，A1～A15是通過設(shè)備上安裝的傳感器采集后控制系統(tǒng)給出的判斷，最終建立圖1故障樹。通過對故障多叉樹的遞歸檢索、插入完成冷卻系統(tǒng)故障分類和確認(rèn)。

冷卻系統(tǒng)的主控單元是西門子可編程控制器（PLC），對照圖1的故障樹進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。根據(jù)圖1的三層故障系統(tǒng)，設(shè)計DB0、DB1、DB2數(shù)據(jù)塊，分別存儲頂故障、中間故障和底事件。圖2是故障樹的存儲數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)模型。

圖2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

樹中的節(jié)點存儲在DB數(shù)據(jù)塊中，節(jié)點用自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（UDT）表示，father_ID記錄節(jié)點的父親節(jié)點，intergration_ID記錄孩子節(jié)點或、與關(guān)系，children_ID記錄孩子節(jié)點。

通過DB塊、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。對于固定知識庫的專家知識庫，上面的數(shù)據(jù)框架設(shè)計可以滿足要求?？紤]專家系統(tǒng)的交互、動態(tài)故障的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，動態(tài)數(shù)組是不安全的。根據(jù)系統(tǒng)的大小，設(shè)置100個node，進(jìn)行擴(kuò)充。

雖然不同廠家的控制器開發(fā)環(huán)境不同，內(nèi)核不同，都可以按上述思路實現(xiàn)。

2 設(shè)備運維軟件設(shè)計

2.1 故障系統(tǒng)控制框架設(shè)計

單機(jī)故障診斷可以快速定位故障，提高可靠性、增強(qiáng)容錯性。單機(jī)設(shè)備沒有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)故障發(fā)生時，故障系統(tǒng)自動根據(jù)故障的級別旁通故障或轉(zhuǎn)工況運行，保證任務(wù)的持續(xù)性。故障系統(tǒng)不是控制系統(tǒng)內(nèi)部的模塊，而是控制系統(tǒng)上級模塊，設(shè)備的邏輯控制是故障系統(tǒng)內(nèi)部模塊。圖3中A是特種冷卻裝置使用故障專家系統(tǒng)的軟件框圖，它將采集數(shù)據(jù)模塊、外部信號模塊優(yōu)先輸入到故障分析模塊，故障分析模塊給出邏輯控制輸出。B是常規(guī)的冷卻裝置的故障框圖。

圖3 控制框架對比圖

故障自愈能力，不論是設(shè)備的使用方還是設(shè)備的生產(chǎn)方都帶來了深刻的影響。售后服務(wù)無法及時開展，故障影響重大電子系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行。解決的途徑有二方面，一是借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，通過對裝備的數(shù)字化、智能化提升；二是提升裝備對故障的自適應(yīng)能力。大型電子冷卻設(shè)備將故障分為致命故障、一般性故障及提示性故障，根據(jù)生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，95 %的故障為非致命故障，都是可以通過熟練的工程師現(xiàn)場操作、更換零部件及時排除。

2.2 自適應(yīng)性設(shè)計

自適應(yīng)性功能，能幫助電子冷卻設(shè)備對故障的感知，并切換設(shè)備運行狀態(tài)，確保冷卻系統(tǒng)不停機(jī)的情況下安全運行。它是故障專家系統(tǒng)的擴(kuò)充、延伸。如圖1所示“供溫高故障F7”，當(dāng)故障發(fā)生時，故障系統(tǒng)定位傳感器故障，自適應(yīng)模塊依據(jù)回液溫度、回液流量等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)虛擬出一個“供液傳感器”來代替真實的供液溫度傳感器。壓縮機(jī)工作的過程中，有一個重要的參數(shù)冷凝壓力，它是通過壓力傳感器采集，故障形式通常為0、極小值、極大值及數(shù)據(jù)大幅度跳變，直接影響制冷系統(tǒng)，帶來一系列的關(guān)聯(lián)故障。根據(jù)進(jìn)水溫度或環(huán)境溫度，通過三通水閥的開度或風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，來控制虛擬傳感器，如圖4所示。

圖4 單個故障自適應(yīng)設(shè)計示意圖

非致命故障的自適應(yīng)設(shè)計并沒有降低設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，只是通過不同的方法去保證設(shè)備正常運行。致命故障一般是指電源故障、動設(shè)備故障，這類故障，只能通過降指標(biāo)或者啟用熱備份的方式保障設(shè)備的任務(wù)連續(xù)性。

單機(jī)故障專家系統(tǒng)，帶來的另一個問題就是軟件的復(fù)雜度，它增加了軟件的驗證工作，降低了軟件邏輯的可讀性，如圖5軟件框架。電子冷卻系統(tǒng)的模塊化設(shè)計從動設(shè)備開始，將運行狀態(tài)和條件分開，細(xì)分功能、拼接模塊。

圖5 軟件框圖

3 應(yīng)答接口設(shè)計

故障系統(tǒng)采用交互應(yīng)答的方式來確認(rèn)冷卻系統(tǒng)故障發(fā)生時的狀態(tài)。圖6、圖7是設(shè)備發(fā)現(xiàn)冷凝壓力故障時控制系統(tǒng)彈出的操作窗口。冷凝壓力故障發(fā)生時，控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部邏輯羅列出三類故障原因。用戶通過set按鈕對每一個故障干預(yù)，人工優(yōu)先級高于控制系統(tǒng)。

圖6 應(yīng)答窗口

圖7 人工確認(rèn)窗口

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的故障報警相比，該故障診斷模式具有可預(yù)測、自愈合特性，同時有助于實施冷卻設(shè)備預(yù)期管理措施，最終減少停機(jī)時間，提高設(shè)備的可靠性，獲得的用戶的好評并創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但同時，如何實現(xiàn)更簡潔、更高效的單機(jī)故障診斷系統(tǒng)，需要更多的工程實際的積累。