船載起重機液壓系統故障診斷專家系統的分析

李強

摘要：起重機為海洋船舶輔助系統核心裝備之一，因運行環境特殊，起重機運維管理及故障檢修難度大，若故障處理不及時會嚴重影響船舶各項工作的開展。為此本文介紹了一種船載起重機液壓系統的故障診斷專家系統，通過對起重機液壓系統運行狀態的實時監控及故障專家診斷，有效排除設備故障風險，確保船載起重機穩定運行。

關鍵詞：船載起重機;液壓系統;故障診斷;專家系統

引言：

船載起重機服務于海上作業活動，例如設備吊運、生產補給、物資運輸等，其運行狀態關系到相關活動的順利開展。隨著海上作業等活動的頻繁開展，船載起重機的重要性和使用需求也明顯上升，對其運行質量提出更嚴格的要求，因此有必要引入故障診斷專家系統，對起重機故障管理方式做全面升級。

一、船載起重機液壓系統簡介

船載起重機液壓系統利用控制元件控制換向閥的開閉狀態，結合起重機運行工況，對液壓系統油路方向、壓力、流量等參數做針對性調整，使起重機始終保持穩定的運行狀態。液壓系統運行過程可實現無級調速，且可調范圍非常大，同時具備操作便捷的優點，在起重機系統中的應用非常普遍。起重機液壓系統起升單元通過上限位、下限位、變幅下限位等方式進行控制，新型液壓系統還添加了應急釋放功能，可在起重機動力中斷后以手動方式啟動起升單元。

二、液壓系統故障診斷專家系統構建

2.1系統架構搭建

船載起重機液壓系統故障診斷專家系統架構可劃分為四個模塊，分別為人機交互模塊、數據庫、內核模塊和輸出模塊。其中，人機交互模塊提供起重機運行狀態監控及故障診斷管理的有關功能，如歷史數據查詢、信息上傳、資料打印、權限管理、故障報警提示等。人機交互模塊采用賬號密碼登錄的方式，防止無關人員私自進入專家系統，以確保系統運行安全。數據庫用于存儲大量起重機液壓系統運行的標準數據、實時數據、常見故障的原因、診斷規律及處理措施等。數據庫為專家系統的核心，有關故障診斷的信息、知識均存儲在數據庫當中。內核模塊處于專家系統的底層，在此完成液壓系統故障信息的處理和分析，其包括知識處理、知識預處理、解釋機、推理機等模塊。輸出模塊則用以輸出液壓系統故障診斷結果，如診斷信息、分析流程、故障處理意見等。

2.2軟件系統設計

船載起重機液壓系統故障診斷專家系統以專家系統技術為基礎，可利用AMESim軟件完成故障仿真分析。利用Visual Basic軟件調用Matlab函數完成液壓系統故障的在線診斷，將診斷結果存儲至數據庫當中。軟件系統具體設計流程如下：

2.2.1開發環境選擇

在工控機上安裝SQL Server數據庫、Visual Basic、PLUS+1 GUIDE5.0等軟件，構建專家系統軟件開發環境[1]。其中，SQL Server數據庫負責實時數據存儲及故障診斷知識。PLUS+1 GUIDE5.0為一種先進的通信軟件，可滿足多種通信方式需求，實時采集、顯示起重機運行現場數據。

2.2.2人機交互界面

起重機液壓系統故障診斷專家系統的使用主體為管理人員和技術維修人員，為滿足不同使用主體的操作需求，人機交互界面的設計必須簡潔明了，能夠便捷化開啟各功能項。但同時也要兼顧人機交互界面的美觀性，保證界面后期使用體驗。

2.2.3故障診斷模塊

故障診斷模塊提供人工和離線兩種故障診斷方式，以啟用數據庫中起重機液壓系統的運行數據，完成故障在線診斷。

2.3硬件系統設計

2.3.1系統結構

故障診斷專家系統功能實現依托于來自起重機運行現場的各類狀態信息，確保信息采集精度和全面性是專家診斷質量提升的前提。專家系統應保證信息采集通道不低于17路，其中3路用作模擬量，采集信號的頻率在100Hz以上，對于采集到的起重機運行狀態信息，最短的保存時間不應低于2周。以壓力信號的采集為例。壓力傳感器采集起重機液壓系統實時壓力的電流信號，并在控制器完成電流信號向電壓信號的過渡。

2.3.2設備選型

專家系統終端硬件設備主要是安裝在起重機運行現場的各類傳感器和儀器儀表，依照起重機液壓系統運行產生信號源類型，傳感器設備的選型方案如下：

（1）壓力傳感器。壓力傳感器選擇需根據起重機現場運行條件、工作電壓、輸出信號等因素進行，且要求壓力傳感器具備優良的防碰撞、抗外部干擾、防壓力峰值的能力。

（2）轉速傳感器。本文研究的故障診斷專家系統使用HD傳感器，該轉速傳感器的原理為非接觸測量，將傳感器安裝在液壓系統馬達軸向柱塞元件的測量孔內。傳感器采集電壓頻率信號，經處理后可計算得出液壓系統馬達的實際轉速。

2.3.3監測點布置

在確定專家系統硬件結構并完成設備選型后，監測點選取的科學性就在很大程度上決定了專家系統獲取液壓系統狀態信號的精確性，進而對故障專家診斷的結果產生影響。起重機液壓系統運行信號源包括開關量、模擬量和編碼等，不同類型的信號需使用不同的采集方法，具體監測點的選取應涵蓋油箱液位、油溫、濾油器堵塞信號、液壓泵出口壓力、變幅油缸壓力、起升馬達壓力及轉速、回轉馬達壓力及轉速等[2]。

2.4系統功能實現

考慮到故障診斷專家系統的使用價值和適用范圍，在系統功能實現上不拘泥于液壓系統故障診斷，將系統運行狀態管理及故障診斷功能相結合。

（1）信息實時顯示。人機交互界面實時更新起重機運行核心參數，包括液壓系統壓力值、液壓油油位、起重機關鍵部位應力值等。各項狀態指標均在系統內預設標準范圍，若實際值超出標準值，系統自動給出聲光報警提示。

（2）運行工況記錄。系統自動采集起重機運行參數，構建運行工況趨勢模型，對起重機的實際運行情況進行監督，為故障原因分析提供理論參考。

（3）自動預警功能。系統內存有起重機液壓系統正常運行的各項標準化數據，并設置系統正常運行的參數范圍，當來自各類傳感器的現場運行參數超出該范圍后，系統可自動報警并顯示運行異常的系統節點，提示管理人員及時關注，避免引發實質性的運行故障。

（4）遠程監控功能。通過海油內網，可將船載起重機運行狀態信息實時傳輸回地面監控中心，使管理人員詳細了解平臺起重機運行情況，向系統下達調控指令，并以語音、視頻指導的方式指導現場故障處理工作的有序開展。

（5）數據分析功能。專家系統可對起重機液壓系統的運行數據做自動統計，依照時間維度或具體的運行參數，輸出起重機液壓系統運行統計圖表，輔助平臺設備設施管理工作開展。

（6）故障診斷功能。故障診斷為專家系統的核心功能，系統數據庫中存有大量起重機及起重機液壓系統的設備信息、歷史運行數據、標準運行參數、常見故障類型及診斷方案、專家意見等。將來自生產現場的狀態信息與數據庫中的標準信息相對比，以及時挖掘是否存在異常數據，發現異常數據第一時間報警并進行故障診斷，使系統故障可在短時間內被有效排除，避免影響起重機系統的正常運行。

結論：

船載起重機液壓系統故障診斷專家系統的應用大大提高了液壓系統故障診斷效率和準確性，從而有效降低液壓系統故障概率，并將故障不利影響控制在最小范圍。隨著專家系統性能提升及功能完善，液壓系統故障診斷能力也將進一步提升，確保起重機運行質量。

參考文獻：

[1]羅朝霞，許巍，楊濟增，等.船載起重機液壓系統故障診斷分析[J].中國修船，2020，33（01）：47-48.

[2]崔寶柱.海上平臺起重機典型液壓系統功能原理及故障分析[J].內燃機與配件，2019（13）：150-151.