基于故障樹的信號繼電器電氣特性故障診斷系統

張婉

(廣深股份公司廣州電務段，廣東廣州 510610)

0 引言

檢測技術是一門既古老又年輕的學科，它起源于上個世紀，隨著科學技術的進步而不斷自我更新。利用各種檢測技術來查找故障，稱為“故障檢測技術”或稱為“故障診斷”。故障診斷系統來自理論與實踐經驗的緊密結合，是提高檢修質量的有效方法。在電力變壓器[1]、汽車發動機[2]、軸承[3]和電源電網[4]等方面，故障診斷系統都發揮了很大的作用。

幅員遼闊的中國擁有公路、鐵路、水運、航空、管道構成的發達交通網，其中高速鐵路營業里程世界第一[5]。信號繼電器是高速鐵路自動控制、遠程控制信號設備的主要控制元件之一，其重要性不言而喻[6]。信號繼電器檢修的目的是排除繼電器在運行中產生的故障，恢復其電氣、機械特性，確保其可靠、安全的工作。

信號繼電器電氣特性故障的誘因很多，包括：可動部分磨損、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。這些都會引起電氣特性的變化。信號繼電器的電氣特性故障，其故障模式來源于底層的故障機理。同樣的故障模式在不同型號的信號繼電器中有不一樣的故障機理，這就給故障點的定位帶來了困難。信號繼電器電氣特性故障的多樣性和復雜性導致故障診斷在邏輯和細節上的不確定性。通過人的感官或簡單儀表，獲得故障現象，根據經驗、繼電器檢修標準來判斷當前的故障模式。當出現故障現象時，需要參考相關操作手冊和以往案例結合檢修人員的經驗進行處理。新接觸信號繼電器檢修和調試的人員，往往對其電氣特性故障感到困惑。即使有一定經驗的人員，也難以全面掌握不同信號繼電器的故障。將故障診斷系統與信號繼電器檢修工作相結合可以快速準確地發現故障并定位到故障點，從而提高信號繼電器檢修工作的效率。

1 信號繼電器電氣特性故障診斷方案設計

故障診斷系統分為離線設計模塊和在線診斷模塊，圖1為信號繼電器電氣特性故障診斷流程圖。

1.1 離線設計

1.1.1 知識獲取與故障樹的建立

本方法采用專家系統的框架結構，收集信號繼電器電氣特性故障的專家診斷并整合相關技術資料，選用故障樹通過演繹分析法，對種類繁雜的繼電器電氣特性故障信息進行獲取。對不同型號的信號繼電器電氣特性故障建立對應的故障樹，增加了知識庫的完整度，進一步提高了故障診斷的精確度。實現了對繼電器電氣特性故障的快速診斷和分析提示。故障診斷系統按信號繼電器的型號例如：JWXC型無極繼電器、JZXC型整流式繼電器、JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器、JY(J)XC型極性保持(加強接點)繼電器、JPXC-1000型偏極繼電器、JDBXC-1100型單閉磁繼電器、JSBXC-850型半導體時間繼電器等，分為若干個故障樹子集。本文以JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器故障為例，分析其故障信息，構建了20個基礎事件、6個中間事件和一個頂事件的故障樹。故障樹如圖2所示，頂事件為T，中間事件為M，基礎事件為X，如表1、表2、表3所示。

圖2 JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器故障樹

1.1.2 故障機理建模與診斷規則表

在單元系統設計中引入故障機理模型，考慮到故障模式和特征參量單一，所以模型結構相對簡單。基于故障樹分析，并結合信號繼電器的故障模式、機理進行建模。故障樹分析為建模提供可靠的數據支撐，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”，因此規則式產生式使用“if......，then......”。如表4所示，不同的故障模式激活相應的故障規則，對應不同的故障原因。其中故障模式M4下還有M1、M2兩個子故障模式，分別激活Rule3、Rule4兩條故障規則。

1.1.3 統計分析與故障特征

采用模式匹配法，在故障機理研究和工作經驗總結基礎上，確定故障現象與對應的特征參量構成參考模式。在信號繼電器檢修過程中，選擇某個電氣特性故障，跟蹤其變化規律并與參考模式相結合，定位故障點和故障原因。

1.2 在線診斷

具有解釋程序的人機界面是連接用戶和診斷系統的橋梁。它向用戶解釋推理步驟，讓用戶容易接受系統的推理結果和決策。信號繼電器電氣特性的主要性能指標有：工作值、釋放值、緩放時間、緩吸時間、定位吸氣值、反位打落值、電阻。對同一故障現象，通過人機界面與用戶的信息交換，逐級定位故障點并給出有效的維修建議。在系統啟動后，用戶根據實際情況選擇對應的故障信息，系統根據規則進行推理，將推理結論和維修建議通過人機界面展示給用戶。用戶無需查找相關操作手冊或咨詢專業技術人員，只需按照提示檢查和嘗試克服故障，縮短了故障處理的時間，提高了問題的解決效率。模式匹配推理過程如下：

(1)根據故障現象和給定信息，選定對應選項；

(2)進入下一級子故障列表，依次逐級進行匹配，在完成最后一級的事件的匹配后，結合定位的故障點在解釋表(如表5所示)中標記故障結論和維修建議；

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 規則參數表

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

2 測試用例分析

本文以“JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器”的電氣特性故障為例，進一步驗證所提方法的有效性。故障診斷系統根據故障樹展開故障點定位和故障原因查找。

操作系統：Windows 10專業版64位；處理器：Inter(R)Corem3-6Y30；內存：4GB。

2.1 初始化界面

系統初始化如圖3所示，標題為“信號繼電器電氣特性故障診斷系統”，對話框提示“請選擇信號繼電器類型”，下方對話框里顯示六種信號繼電器名。例如：JWXC型無極型繼電器、JZXC型整流式繼電器、JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器等。由于測試用例為JWJXC(H)型，所以選擇“JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器”。

圖3 初始化界面

2.2 推理界面

診斷系統如圖4所示，根據用戶對信號繼電器型號的選擇推送一級中間事件(具體的電氣特性故障現象)：工作值大、釋放值小、緩放時間不夠。并且對話框標題已更新為“JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器常見電氣特性故障診斷系統”。用戶觀察信號繼電器現象反饋給系統，點擊“緩放時間不夠”。

圖4 推理界面Ⅰ

圖5 推理界面Ⅱ

表5 診斷結果及維修建議解釋表

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

圖6 推理界面Ⅲ

圖7 診斷結論界面

如圖6所示，由于用例中的JWJXC(H)型無極加強接點(緩放)繼電器釋放值大則建議用戶檢查前接點壓力、動接點預壓力和止片厚度。推導至基礎事件選項：前接點壓力過大、動接點預壓力大、止片太厚。

2.3 診斷結論界面

如圖7所示，在用戶確認故障的基礎事件為前接點壓力過大后，系統搜索給出減少前接點壓力的解決方案，同時給出緩放時間不夠，釋放值大的故障描述。

3 結語

針對信號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繼電器的電氣特性故障狀態及其故障原因，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繼電器電氣特性故障診斷方法。并在此基礎上，設計出故障診斷系統。以智能故障診斷系統取代原有的人工檢測，幫助用戶快速地定位故障點，確定故障原因并給出對應的維修建議，提高了信號繼電器檢修工作的智能化程度。經過試驗用例的測試，證明該系統具有良好的通用性和廣闊的應用前景。