TBM故障诊断专家系统的设计与开发_王满增

论和方法，把数十位长期从事 !"# 机电液系统使 用、维修、故障诊断专业技术人员 （ 即领域专家） 的经验和知识系统化，通过计算机专业人员 （ 即知 识专家）借助于专家系统工具开发出实用性强、人 机界面友好的 !"# 故障诊断系统。 系统应能反映 !"# 故障诊断技术的先进方法 和先进成果，集监测、数据库管理、故障诊断推 理、检修方案等功能于一身；对 !"# 渐进型的故 障作出提前预报，对突发型的故障迅速诊断并确定 其部位，以提高设备的完好率及利用率；具有先进 性、可维护性、安全性、实用性和可扩充性，并符 合软件工程设计要求。 ) $系统设计思路 针对 !"# 系统庞大、结构复杂的特点，对不 同的子系统和部件采用不同的监测手段，包括温 度、油液、摩 擦 磨 损、振 动、压 力、电 压、电 流 等，对重要子系统和重要部件的重要参数进行全方 位、全面监测。
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系统的检测对象和检测方式。 由于测控系统受起重机工作时的电磁干扰很 大，故采用了多级隔离及数字滤波技术，大大提高 了抗干扰能力。同时，测控系统的电源采用多路直 流稳压电源，并带隔离变压器，防止电源窜入干扰 信号。此外，为避免测控系统与起重机电气系统之 间的相互干扰，在硬件设计和软件编程上采用了双 重隔离技术，防止信号交错。例如测绝缘时，虽然 测控系统产生一个高压送到被测对象，由于采用了 隔离技术，也不会造成相互影响。测控系统的工作 原理如图 ! 所示。
［ 责任编辑：孔庆璐］
! 应用实例
将 "#$ 型龙门起重机电气故障诊断装置应用 于长沙铁路总公司长沙北站装卸货场的龙门起重机 上。该装置由一台便携式故障诊断仪和传感器及控 制线路组成，其诊断仪的测控系统采用单片计算
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （ 上接 %& 页） 故障诊断包括逻辑诊断和专家系统诊断两个部 分，其中逻辑诊断采用 ’’’ 页面常用的技术超级 链接形式进行诊断，专家系统设计为一面向对象的 开放式系统，用户可以根据需要，选择相应的诊断 对象，输入相应的诊断规则和已知事实，即可进行 故障诊断，确定故障部位。专家系统用 #()*+,%-. 来集成，其中的数据库部分用 /"01... 来构建，专 家系统推理机部分用 23 4 4 %-. 来实现。 专家系统设计考虑到了功能的完备性、层次的 鲜明性。结构完全实现模块化，系统设计为三个模 块：事实库维护模块、规则库维护模块、诊断推理 模块。各功能模块之间既相互独立、又存在有机的 逻辑联系，这样既便于系统维护，又保证了功能的 完整和操作的连续。事实库维护模块用于已知事实 库的构造及维护，规则库维护模块用于对各子系统 对应规则的构造及维护，诊断推理模块主要完成一 些必要的诊断推理初始条件的设置，并完成故障推 理，给出相应的推理结论和解释。 故障诊断和管理提供了先进的技术手段，本系统的 知识库总结归纳了 567 使用以来所积累的使用、 维护、管理等方面取得的成功经验以及各个领域专 家对 567 各部位故障诊断、故障排除所积累的知 识，具有专家级的知识水平，还具有强大的数据库 和文件资料管理能力；已有诊断规则 1.89 条，诊 断的准确性高、实用性强。据现场应用专家系统判 断故 障 的 统 计 资 料 表 明， 567 故 障 确 诊 率 88: ， 漏诊率 !1: ，及时避免了多起 567 重大事故发生， 多次消除了故障隐患，减少了 567 停机时间，提 高了 567 掘进速度和掘进效率，在桃花铺隧道施 工中，有 ; 个月掘进超过 ;..<，最高进尺 ;;!-8<； 该系统的成功开发和使用，特别是系统开放型的设 计，对大型成套设备及机电设备集中用户的设备管 理有重要的参考价值。
度，减少对使用人员经验的依赖；另一方面也可以 将现场工程技术人员的经验和知识充分、系统地存 储在专家系统的知识库中，既可避免经验和知识随 着人员的流动而流失，又可在诊断中充分发挥现场 人员的经验和知识，使诊断的准确率不断提高。 将 "#$ 的数据、资料 （ 含文档、图纸、音像 等） 、维修管理也集成到系统中，使之成为一个集 监测、诊断、管理于一体的系统。 采用最先进的面向对象的开放式结构，以便系 统的扩展和完善。 ! "# 研究方法 以 "#%%&’ 型掘进机的刀盘驱动系统 （ 含主电 机、变速箱、大齿轮箱，主轴承） 、润滑系统、卸 碴机、料车拖拉系统为重点诊断研究对象 （ 共计 ，研究开发集监测、诊断、预报、 !&! 个诊断对象） 管理于一身的 “ ， "#%%&’ 型掘进机故障诊断系统” 实现以下功能模块： （ !）故障现场分类及故障原因的逻辑分析 根据机电液设备故障发生的一般规律，对诊断 对象按基本功能分类，针对该项诊断对象在秦岭隧 道!线和桃花铺 ! 号隧道 "#$ 施工期间已经出现 的故障现象和可能出现的故障现象，对每个诊断对 象列出故障现象分类，总结对该系统故障的逻辑诊
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(］ 断［ 。在逻辑诊断中，按照从电气控制系统— — —电
气系统— — —液压控制系统— — —液压系统— — —机械部 分的顺序，遵循从外到内、由简到繁的原则并根据 发生故障的频率大小确定流程图中故障原因的先后 次序，并结合故障原因给出相应的解决方案。 （ (）诊断对象管理 该部分由数据库和数据库操作系统组成。具有 监测对象的基本情况，如功能简介、结构原理、诊 断对象实物照片等信息，供技术人员查询；数据库 包括一级诊断对象数据库、二级诊断对象数据库、 三级诊断对象数据库等三个库，动态生成诊断对象 管理树；数据库操作系统包括数据添加、修改、删 除、编辑、定位、插入、上一条、下一条、首条、 末条、浏览、查询及查询结果打印等内容。这部分 是整个系统实施的基础。 !!
图" 测控系统工作原理框图
机技术和传感器技术，能在线显示起重机的运行状 态和运行参数。发生故障时，除报警外，数码管显 示器以代码形式显示故障类型和故障部位。该装置 安装简单，无须对起重机进行改造，也不影响起重 机的正常操作与生产。自投入使用以来，工作性能 稳定，检测数据和故障诊断结果客观、真实。 目前龙门起重机上大都没有电气故障诊断系 统，故本系统具有很强的实际推广应用价值。
试验研究
!"# 故障诊断专家系统的设计与开发
王满增，徐明新
（ 石家庄铁道学院 机械工程分院，河北 石家庄 $%$$&’）
［ 摘要］基于专家系统工具，开发了 !"# 状态监测和故障诊断专家系统，阐述了系统的结构原理、推理规 则、目标实现过程。系统集监测、数据库管理、故障诊断推理、检修方案等功能于一体，能预报 !"(($) 型掘进 机渐进形故障，对突发形的故障能迅速诊断故障部位，可缩短故障诊断时间，提高设备的完好率及利用率。 ［ 关键词］ !"#；故障诊断；专家系统 ［ 中图分类号］ !"##$% & ’ ［ 文献标识码］ ( ［ 文章编号］)**)+##", （ -**%） ))+**.#+*"
!］ 主要诊断方法［ 。一方面可以降低现场人员使用难
（ )）状态监测数据管理 "#$ 故障诊断专家系统数据库中可存储大量 的监测及分析数据，状态监测根据监测种类划分为 温度监测、油样分析、性能参数测试、噪声监测、 振动监测、专项测试六个部分。对每一类监测都有 异常征兆分析、趋势分析、同比对照、记事本四个 方面的处理，针对油样分析还有光谱和铁谱分析 等。 数据库包括油料光谱分析数据库、直读铁谱磨 粒浓度数据库、每个诊断对象的状态监测数据库和 基本数据库等共有 !&& 多个子库。 （ *）监测数据处理与故障诊断 油液监测数据处理与分析方法包括直读铁谱分 析和光谱分析。振动监测有实时监测与分析功能， 包括振动的时域波形、轴心轨迹、谱分析等。故障 诊断功能模块包括逻辑诊断、专家系统诊断、诊断 史志三部分，其中逻辑诊断采用 +++ 页面常用的 技术超级链接形式进行诊断。 专家系统诊断主要有事实库维护、知识库维 护、推理主界面等模块组成，包括 "#$ 掘进机 !% 个子系统常见故障的诊断推理，有正向推理和反向 推理两种诊断方式，可根据当前已知事实推出会出 现什么故障，也可根据出现的故障推出导致故障的 原因，解释为什么会得出这样的结论，并会在逻辑 诊断中给出相应的维修建议。 （ ,）安全管理、文献管理和帮助功能 主要由用户基本数据和权限设置来对本系统的 操作员进行划分，由一般操作员、管理员、超级管 理员三个部分组成，可以进行角色和用户的设置 等。此外还有 "#$ 的基本资料，录像资料，标准 的管理；以及 +-./012 窗口化设计下目录和关键词 供使用者查询的帮助功能。
建筑机械 $%%# （ !!）
试验研究
图!
“ "#$$%& 型隧道掘进机故障诊断专家系统”系统流程图
图’
“ "#$$%& 型隧道掘进机故障诊断系统”拓扑图
诊断对象划分为 ! 级 "# 个子系统，诊断对象数据 库包括一级、二级和三级等三个库。设计为动态生 成诊断对象管理树，并具有管理诊断对象本身及其 基本情况，如功能简介、结构原理、诊断对象实物 照片等信息的功能。其监测项目及相应数据是现场 列举的扩充了的共 "$" 个诊断对象。 （ %）状态监测数据管理功能模块 状态监测数据根据监测种类划分为温度监测、 油样分析、性能参数测试、噪声监测、振动监测、 专项测试六个部分内容。对每一类监测结果都有异 常征兆分析、趋势分析、同比对照、记事本四个方 面的处理，针对油样分析数据还设计了光谱分析和
!"(($) 隧道掘进机 （ !"#）是我国首次利用 外资从国外引进的应用于铁路隧道施工的大型施工 机 械。 该 机 开 挖 断 面 !(Q(?， 全 长 R%S?， 重 约 TU%$>，集机、电、液、 VWJ 于一体，结构庞大、技 术复杂，可同时完成隧道的破岩、支护、喷锚、通 风除尘、出碴运输等作业，使隧道施工工厂化，具 有快速、安全、高效、连续的特点。由于 !"# 配 置的设备数量多、关联性强，任何一套独立设备出 现故障都将不同程度地影响 !"# 的掘进速度，关 键部位的损坏会导致整合 !"# 处于停滞，影响整 个工程的进度，还会大大增加工程成本。 !"# 故障诊断与排除，过去多依赖于专业工程师 或专家的经验，如果专家不在现场，就会影响故障的 及时排除。因此，设计一套 !"# 故障诊断专家系统， 对设备渐进形的故障作出提前预报，对突发形的故障 迅速确定其部位，缩短故障诊断时间和故障停机时间 并提出相应的维修建议，工程意义巨大。
［ 收稿日期］R$$’ X $% X T’ ［ 通讯地址］王满增，河北省石家庄市北环东路 T% 号
) 系统目标及设计思路
) $) 系统目标 故障诊断系统的总体目标：利用人工智能的理
建筑机械 -**% （ ))）
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试验研究
采用光谱分析、铁谱分析、诊断分析等多种分 析手段提取故障特征。 采用故障诊断专家系统等智能方法作为系统的
$ 系统的功能设计与实现
$ "! 系统结构及流程设计 图 ! 为 "#%%&’ 型隧道掘进机故障诊断系统的 流程图。它反映了该系统的输入、输出及数据之间 的调用关系。图 ( 为 "#%%&’ 型隧道掘进机故障诊 断系统拓扑图，它反映了系统功能模块的划分。 $ "$ 各功能模块的设计与实现 （ !）诊断对象管理模块 “ "#%%& ’ 型 隧 道 掘 进 机 故 障 诊 断 专 家 系 统 ”
建筑机械 ’%%( （ !!）
直读铁谱分析数据的管理等功能。 （ !）监测数据处理与分析功能 油液监测数据处理与分析方法包括铁谱和光谱 分析。具有对各种油液监测分析方法的数据处理和 特征提取的功能，包括多种有效的、成熟的数据处 理方法，实现了数据的有效处理及设备的运行状态 判别。振动信号数据的分析包括实现实时显示诊断 波形、轴心轨迹和谱分析结果等功能。 （ &）故障诊断专家系统 专家系统主要由知识库、综合数据库、推理 机、解释器和接口五部分组成。 （ 下转 ’( 页） "!