（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊神经网络的电梯故障诊断系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代化城市的高速发展，电梯的需求量越来越大。电梯给人们的工作 和生活带来了前所未有的方便，人们对电梯的安全性和可靠性也提出了更高的 要求，其中电梯故障的及时发现和解决显得尤为重要。伴随着电梯控制系统的 微机化和高性能化，对检测人员的专业技术和检测手段的要求也必然相应提高， 因此只有配备先进的检测设备，方能较好地保证对电梯进行故障诊断。 根据当前电梯控制技术的发展，本文以基于c a n 总线的电梯控制系统为对 象，将模糊理论和神经网络相结合的理论应用于电梯控制系统的故障诊断进行 研究，拟在设计出一种智能便携式电梯故障诊断卡，可实现电梯故障的实时诊 断。主要研究内容如下： 首先详细分析了电梯控制系统的组成及其运行机理，通过故障模式与后果 分析得出了电梯控制系统故障的特点，提出故障诊断系统的结构，建立电梯控 制系统故障树，举例说明故障树分析法对电梯控制系统故障进行的分析。 然后分别对模糊理论与神经网络技术的基本原理进行了阐述，介绍了两种 理论应用于故障诊断的技术，说明了两者结合的必要性和结合方式。 本文还针对已开发的电梯控制系统为基础，完成了电梯故障检测与处理系 统的硬件电路设计，主要包括信号的采集、液晶显示电路和通信接口的设计等。 最后，本文选择了一种模糊理论与神经网络相结合的故障诊断模型，将基 于模糊神经网络的故障诊断方法应用于电梯的故障诊断，建立电梯故障诊断专 家系统。介绍了专家系统知识的获取、知识的表示、知识的推理、知识的解释 以及数据库的设计、管理和维护。重点阐述了用产生式规则和模糊神经网络推 理的方法对电梯故障诊断研究。 关键词：故障诊断，模糊，神经网络，专家系统 a bs t r a c t t h em a r k e td e m a i l do fd e v m o r sk e e p si n c r e a s ea st h er a p i d l yd e v e l o p m e n to f m o d e mc i t i e s e l e v a t o r sh a v eb r o u g h tu n p r e c e d e n t e dc o n v e n i e n tf o rp e o p l e sd a i l y l i f e p e o p l er e q u i r et h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mt ob eo fh i g h e rs a f e t ya n d r e l i a b i l i t y , a n di t i se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt o f i n da n de l i m i n a t ee l e v a t o rc o n t r o l l e r sf a u l t a st h e c o m p m e r i z e da n dh i g h - p e r f o r m a n c eo ft h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m t h er e q u i r e m e n t s o ft h ep r o f e s s i o n a lt e c h n i q u ea n dt e s t i n gm e t h o d sm e a nac o r r e s p o n d i n g i n c r e a s ei n t h ei n e v i t a b l e s ow ec a no n l ye q u i pw i t ha d v a n c e dt e s t i n ge q u i p m e n tm o r d e rt o g u a r a n t e eb e t t e rf a u l td i a g n o s i so ne l e v a t o r s a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td e v e l o p m e n t o fe l e v a t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y , b a s e do n c a nb u sf o rt h ee l e v a t o rc o n t r o l l e r ，t h ep a p e rw o u l d d or e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i so f t h ee l e va _ c o rc o n t r o l l e rw h i c ha p p l yac o m b i n a t i o no ff u z z ya n dn e u r a ln e t w o r kt h e o r y , a n dd e s i 窖皿ai n t e l l i g e n ta n dp o r t a b l ee l e v a t o rf a u l td i a g n o s i sc a r d sw h i c h c a nb e r e a l i z e dr e a l t i m ed i a g n o s i so fe l e v a t o r s f a u l t m a i nr e s e a r c hc o n t e n ta r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h ec o n s i s t e n to ft h ee l e v a t o rc o n t r o l l e ra n d i t s w o r kp t i n c i p l e r e c e i v e dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fe l e v a t o rc o n t r o l l e r sf a u l tb y f m e a ( f a u l tm o d e la n de f f i c i e n ta n a l y s i s ) t h es t r u c t u r eo f t h ed i a g n o s i ss y s t e mw a s s e tu p ，a n dt h ef a u l tt r e ew a sb u i l t e x p l a i n e dw i t he x a m p l e st h ef a u l to fe l e v a t o r c o n t r o l l e rw a sa n a l y z e d 埘t h ea n a l y t i cm e t h o do ff a u l t t r e e s e n c o n d l y , e x p o u n dt h eb a s i ct h e o r yo nf u z z ya n dn e u r a ln e t w o r kr e s p e c t i v e l y , a n di i l n d d u c et h i st w ot h e o r e t i c a lt e c h n i q u e su s e di nf a u l td i a g n o s i s t h e ns h o wt h e e s s e n t i a l i t yf o rac o m b i n a t i o no f b o t ha n d t h em o d eo fc o m b i n a t i o n b a s e do nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e v a t o rw h i c hh a sa l r e a d yb e e n e x p l o i t e d i th a sa c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i tf o rt h ef a u l td i a g n o s i s s y s t e mo fe l e v a t o r i n c l u d i n gt h ed e s i g no fs i g n a la c q u i s i t i o n ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y c i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e f i n a l l y , af a u l td i a g n o s i sm o d e lt h a tc o m b i n et h ef u z z yt h e o r y a n dn e u r a l n e t w o r kw a sc h o s e nt oa p p l yt oe l e v a t o rf a u l td i a g n o s i s s e tu pt h ef a u l td i a g n o s i s i i 武汉理工人学硕士学位论文 e x p e r ts y s t e mf o re l e v a t o r i ti s t h e o r e t i c a l a n a l y z et h em e t h o do fk n o w l e d g e a c q u i r e m e n t ，t h em e t h o do fk n o w l e d g ed e n o t a t i o n , t h em e t h o do fk n o w l e d g e i n f e r e n c ea n dt h em e t h o do fk n o w l e d g ee x p l a i n a n dd a t a b a s ed e s i g n ，m a n a g e m e n t a n dm a i n t e n a n c e f o c u s e so n u s i n gt h ep r o d u c t i o nr u l e sa n df u z z ya n dn e u r a l n e t w o r km e t h o dt or e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i so ft h ee l e v a t o r k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，f u z z y , n e u r a ln e t w o r k ，e x p e r ts y s t e m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名邋一e l 期：掣l 一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：黛罐 导师签名： 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电梯故障诊断研究的意义 在现代社会中，电梯已是城市物质文明的一种标志。在高层建筑中，电梯 更是不可或缺的垂直运输设备。现代电梯是机电一体化的高新技术产品，其结 构复杂，可靠性要求高。电梯出现故障，轻则影响电梯的乘坐舒适性，重则影 响电梯运行的可靠性与安全性，因此电梯的故障诊断技术一直是电梯行业技术 改造的重心之一。电梯作为一种特种设备，国家对其的质量和安全提出了严格 的要求。 现代电梯的可靠性已经大大提高，但是电梯运行中关人、夹人、蹲底、冲 顶、溜梯等事故时有发生。电梯运行可靠性的提高一方面要通过改进设计、提 高制造、安装质量来解决，另一方面要依靠完善的维修保养体系和先进的故障 监控诊断手段来解决。电梯故障诊断就是在电梯不拆卸的情况下，根据有限的 信息，鉴别电梯运行的工作状态，当电梯发生故障时确定故障的部位和性质， 寻找故障的起因及找出相应的对策。随着城市化进程的加速，高层建筑中电梯 的使用场合越来越多，这就加大了电梯操作、维修、保养人员的工作量及工作 强度。因此，伴随着电子元器件价格的不断下调，而人员维保费用却在日渐增 多，传统的仅靠人工发现和处理故障的方式显得越来越不适应，且效率低下， 当电梯出现故障时，维保人员往往不能及时、准确地了解电梯出现故障的原因 及相关信息，乘客的人身安全容易受到威胁，这就促使人们设法利用最先进的 科学技术开发各种电梯故障诊断报警系统i m 】。 本课题主要是针对电梯故障诊断的控制策略进行研究，建立故障诊断的模 型和专家系统数据库，设计出电梯故障诊断卡，方便于对电梯故障的及时诊断 和定位。 1 2 电梯故障诊断系统的发展概况 1 2 1 故障诊断系统的发展现状 机电设备故障检测诊断的基本过程包含两方面内容：对设备运行状态进行 武汉理工大学硕士学位论文 检测；发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。其发展也经历了从简易 诊断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发 展速度愈来愈快【3 j 。 根据系统采用的特征描述和决策方法，故障检测诊断的方法概括起来分为： 基于系统数学模型的故障诊断方法和基于非模型的故障诊断方法【4 】。 ( 1 ) 基予系统数学模型的故障诊断方法 基于模型的故障检测诊断技术是通过构造观测器估计出系统输出，然后将 它与输出的测量值比较，从中取得故障信息。该方法能与控制系统紧密结合， 是监控、容错控制、系统修复和重构的前提。 ( 2 ) 基于非模型的故障诊断方法 基于故障诊断专家系统的诊断方法。专家系统是近年来故障诊断领域最显 著的成就之一，内容包括诊断知识的表达、诊断推理方法、不确定性推理以及 诊断知识的获取等。随着计算机科学和人工智能的发展，基于专家系统的故障 诊断方法克服了基于模型的故障诊断方法对模型的过分依赖性，成为故障检测 的有效方法。 故障模式识别的故障诊断方法。这是一种静态故障诊断方法，它以模式识 别技术为基础，其关键是故障模式特征量的选取和提取。该方法分为离线分析 和在线分析两个阶段。通过离线分析来确定表达系统故障状态的特征向量集和 以该特征向量集所描述的故障模式向量，由此形成故障的基准模式集，并确定 区分识别这些故障模式向量的判别函数，然后通过在线诊断实时提取故障的特 征向量，由判别函数对故障进行分离定位。 基于模糊推理的故障诊断方法。故障诊断的模糊推理方法就是通过故障现 象的隶属度和故障征兆向量与故障原因向量之间的模糊矩阵来求出各种故障原 因的隶属度，再运用某种诊断原则来确定诊断对象所具有的故障。具体的诊断 原则有最大隶属度原则、阈值原则、择近原则等。 基于人工神经网络的故障诊断方法。该方法是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初 才真正具有实用性的一种故障诊断方法。由于神经网络具有原则上容错、结构 拓扑鲁棒、联想、推测、记忆、自适应、自学习、并行和处理复杂模式的功能， 使其在工程实际存在着大量的多故障、多过程、突发性故障、庞大复杂机器和 系统的监测及诊断中发挥较大作用。 由于电梯电气控制系统出现故障情况复杂，且不可能采集电梯的所有信号， 2 武汉理t 大学硕士学位论文 用物理模型和数学模型都难以准确地描述电梯的故障部位和故障原因，所以国 内外都倾向于运用基于知识的故障诊断方法对电梯控制系统进行故障诊断。本 文即采用了最为适合电梯系统结构及故障特点的模糊神经网络与专家系统相结 合的分析方法。 1 2 2 故障诊断技术在电梯中的应用 目前电梯控制系统的故障诊断是一个比较新的研究内容，它是电梯控制领 域的前沿技术，其主要目的是对在用电梯进行远程数据维护、远程故障诊断及 处理、故障的早期预告及排除，以及对电梯运行状态( 群控效果、使用频率、故 障次数及故障类型) 进行统计与分析等。 在电梯控制系统故障诊断方面，很多先进的技术和理论已经应用进去，各 个不同的电梯生产厂商都有自己的比较成熟的电梯控制系统故障诊断系统，国 外一些电梯公司的电梯故障诊断、维修服务系统已相继投入实际运行。例如三 菱和奥的斯都有自己的监控系统。对电梯控制系统故障诊断的方法主要有基于 规则的专家系统，模式识别等。 国内这方面的技术还不是很成熟，各个电梯厂商的员工普遍水平也还没有 上去，电梯控制系统故障诊断水平也是相当的低下。在实际的电梯故障诊断中， 国内的主要电梯生产厂商对电梯控制系统的故障诊断还停留在依靠测试人员的 经验上。目前国内对电梯控制系统故障的自动诊断也开始进行研究，但真正用 到实际的还没有。主要的研究方法有：通过建立模拟电梯的运行，将电梯运行 过程状态写进数据库，在运行的时候到数据库中对状态进行查找和匹配，采用 专家系统理论对电梯进行故障诊断。 1 3 本论文研究的主要内容 本文将采用基于模糊神经网络专家系统的故障诊断方法进行电梯的故障诊 断，研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析电梯控制系统的组成、各部分的功能和电梯控制系统的运行机理， 进行电梯控制系统的故障模式与后果分析，得出电梯控制系统故障的特点，利 用故障树方法分析电梯故障的征兆以及引起故障的原因。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 通过学习模糊理论与神经网络的基本原理，研究设备故障诊断的模糊 诊断和神经网络诊断技术，结合模糊诊断模型物理概念明确、直观，人工神经 网络具有强有力的学习能力和并行处理能力的优点，研究将模糊理论与神经网 络相结合的故障诊断模型应用于电梯控制系统的故障诊断。 ( 3 ) 利用现有的电梯控制系统平台，完成一种便携式的电梯故障诊断卡的 硬件设计，功能包括：能实现从电梯控制系统实时的采集并处理信号、在液晶 上显示故障诊断信息以及能方便的与p c 机进行通信。 ( 4 ) 建立电梯控制系统故障诊断专家系统，包括知识的获取、知识的表示、 建立推理机制和数据库等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电梯控制系统的故障分析 2 1 电梯控制系统分析 2 1 1 电梯控制系统的组成及各部分功能 在交流变频变压调速电梯系统中，电梯控制系统是最重要的部分。它主要 由电梯控制器、轿厢控制器、呼梯控制器、变频器、安全回路、电动机驱动电 路等等。按照功能来分为以下几个控制环节【5 】： ( 1 ) 电梯自动开关门的控制环节。要求自动门机构必须随电梯轿厢移动， 同时各楼层的外层门能随着轿厢门的启闭而启闭；要求开关门动作要平稳，开 关门时间要满足要求。 ( 2 ) 电梯的方向控制环节。能根据电梯轿厢内乘客欲往楼层的位置信号或 者各楼层大厅乘客的召唤信号位置与电梯所处楼层位置信号进行比较：凡是在 电梯位置信号上方向的轿内呼叫或外呼，则电梯定上行方向信号；凡是其下方 向的，则定下行方向。同时要求满足轿厢内指令信号优先于各楼层外呼信号而 定向；要保持最远楼层召唤信号所要求的电梯运行方向，而不能轻易地更改以 保证最高楼层乘客的要求；在有司机的电梯，在启动之前，司机有强行改变电 梯运行方向的可能性；在检修情况下，电梯的方向控制由检修人员控制，按住 慢上( 慢下) 按钮，则上( 下) 运行，松开立即停车。 ( 3 ) 发生制动减速信号的控制环节。电梯要求能正确的停车，就必须使电 梯在到达楼层之前的某一距离点开始减速，以保证准确停车时所需要的尽可能 低的速度，在测试的电梯控制系统中，发出减速制动信号都是自动的，即能根 据预先确定的距离位置而自动发出减速信号。 ( 4 ) 主驱动控制环节。不同的电梯，主驱动控制环节不一样，常用的变频 器交流调速电梯是电梯控制器根据电梯的运行方向和距离来给变频器速度和方 向信号，变频器输出对应的电压信号来控制电动机的转速和方向。 ( 5 ) 电梯的安全保护环节。主要有超速保护，门联锁保护，强迫减速保护， 上下限位保护等，目的是让电梯运行更安全。 武汉理工大学硕士学位论文 本课题研究针对的是基于c a n 总线的分布式电梯控制系统，可分为三个主 要部分： ( 1 ) 电梯主控单元。电梯主控单元是电梯控制系统的主要部分，负责整个 电梯的运行控制。一般主控器和位于楼房的顶部电梯机房内的电梯动力装置曳 引机构成了整个电梯控制系统的核心。它不但要保证整个系统的稳定运行，而 且要在极短的时间内( 小于l o m s ) 对系统所有的任务进行响应。其任务包括：接 收、处理电梯的各种状态，并做出相应的动作，控制电梯的总体运行；实施对 电梯驱动部分的控制，包括抱闸的松放、门机的开关、变频器低、中、高速的 给出等控制；接收轿厢控制器送来的内选信号；执行内选外呼指令：向轿厢控 制器、呼梯控制器发送楼层指示信号；实施安全保护等。 ( 2 ) 电梯呼梯单元。电梯呼梯单元负责电梯的呼叫部分，位于每一层楼电 梯门的左边或者右边，是每一层楼的呼叫装置，用于给出每一楼层的呼叫请求 信息，并显示电梯当前运行情况。按照功能来说，呼梯控制器包括三大部分， 电梯显示部分、呼叫接收部分和通信部分。 ( 3 ) 电梯轿厢单元。轿厢是电梯系统中运载乘客的装置，也是乘客与电梯 控制系统人机交流的一部分。曳引机通过钢丝牵引轿厢的上下运行，用于运送 乘客。在轿厢的顶部有一个门机控制器，用于电梯的开关门动作；其显示部分 和通信部分与呼梯显示相同，只是呼叫接收部分根据各个电梯系统所应用不同 大楼的楼层数而不同。轿厢的键盘按键的个数随着楼层数的增加而增加，并且 新添加了开门按键、关门按键、有无司机按键等一些功能按键。另外，轿厢还 增加了语音功能。 此外，电梯整个系统还包括上、下限位开关，上、下限速开关，限速器， 安全闸，对重，随行电缆，平层检测板，道轨和缓冲器等一系列电梯运行机械 装置和安全保护设备。 2 1 2 电梯控制系统的运行机理分析 要检测电梯控制系统的故障，就必须对电梯控制系统的运行机理有清楚的 了解，因此能清楚的知道电梯控制系统是怎样控制电梯进行正常工作的是相当 必要的。如图2 1 所示曲线描述的是电梯控制系统运行过程图【卯】。 6 武汉理工人学硕士学位论文 图2 - 1 电梯控制系统运行过程图 其运行过程的描述：过程1 ，即登记内选指令和层外召唤信号；过程2 ，即 关门或门自动关闭；过程3 ，启动加速；过程4 、5 ，即电梯满速或中间分速运 行；过程6 、7 ，即按信号登记的楼层前预置距离点减速制动；过程8 、9 ，即平 层开门。本系统所涉及到的故障诊断均基于该过程。 用面向对象的观点对电梯控制系统进行分析，可以将电梯控制系统的运行 过程分为5 个状态：电梯停留在平层、电梯向上运行满足乘客的服务、电梯停 靠在某一楼层让乘客上下电梯、电梯向下运行满足乘客的服务、电梯空闲在某 一楼层。电梯控制系统状态转换图如图2 2 。 图2 - 2 电梯控制系统运行状态转换图 电梯控制系统运行过程描述如下：电梯控制系统在没有楼层召唤的时候， 控制电梯停留在平层；当有楼层召唤的时候，根据当前楼层与目标楼层进行比 较，给出运行方向信号，开始向上或者向下运行；在运行过程中，如果在电梯 7 武汉理工人学硕士学位论文 当前楼层和目标楼层之间与电梯运行方向相同的召唤命令也会得到响应；同时 在运行过程中门处于关门到位状态，安全回路要求闭合，变频器能正常工作； 当到达目标楼层后，停梯开门，等待一段时间后关门，电梯控制器判断电梯当 前是否还有召唤信号，如果有根据当前电梯控制器输出的方向，按照同方向优 先的原则进行运行；如果没有召唤则在一段时间后回到平层待命。 在整个过程中，电梯控制系统需要处理的事件有：响应外部的楼层呼叫， 包括外呼和内呼；根据内外呼情况和电梯轿厢位置输出运行方向：电梯控制系 统根据位置信号给变频器速度信号，开始运行；到达目的地后消除目的地楼层 相应的呼叫，开门和关门；如果有超载信号，则超载输出，电梯将不能运行， 处于开门状态；如果有其它功能信号，则电梯控制系统将控制电梯按照预先设 置好的模式运行。 2 2 电梯控制系统的故障模式分析 2 2 1 电梯控制系统的故障特点 通过对电梯控制系统故障模式与后果的分析，可以看出，交流变频调速电 梯的故障具有以下特点【9 】： ( 1 ) 复杂性 复杂性是交流变频调速电梯故障的最基本的特性。由于构成电梯控制系统 的各组成部分之间相互联系，相互耦合，致使故障原因与故障征兆之间表现出 极其错综复杂的关系，即同一种故障征兆往往对应着几种故障原因。这种原因 与征兆之间不确定的对应关系，使得电梯控制系统故障诊断具有极大的复杂性。 ( 2 ) 层次性 电梯控制系统系统是一个复杂的多层次系统，这就决定了其故障的层次性。 任何故障都是同系统的某一层次相联系的，高层次故障可以由低层次故障所引 起，而低层次故障必定引起高层次故障。这种故障由低层次向高层次的逐级发 展就是故障的层次性，也称为故障的“纵向性 。故障的层次性为电梯控制系统 故障诊断的策略和模型都提供了方便，使复杂系统诊断问题的求解效率更高。 ( 3 ) 相关性 当电梯控制系统系统的某一层次的某个元素发生故障后，势必导致同它相 武汉理t 大学硕士学位论文 关的元素的状态发生变化，从而引起这些元素的功能也发生变化，致使该故障 所处的层次产生新的故障，这就带来了系统中同一层次有多个故障并存的现象。 任何一个原发故障都存在多条潜在的传播途径，可能引起多个故障并存，这就 是系统故障的相关性，也称为故障的“横向性 。多故障诊断是电梯控制系统故 障诊断的一个关键问题。在电梯控制系统中主要体现为相互信号输入线接错的 情况。 ( 4 ) 不确定性 不确定性是电梯控制系统故障诊断的一个重要特性。由于电梯控制系统中 的控制器参数设置很多，如果出现某一个重要参数的设置错误，将可能带来不 确定的故障，表现形式为故障现象的不确定性。 2 2 2 电梯控制系统的故障模式与后果分析 故障模式与后果分析【lo 】( f m e a ) 是通过分析系统中的每一个可能发生的故障 模式，确定其对系统( 使用、功能和状态) 所产生的后果，并把每一个可能的故 障模式，按它的严重程度予以分类的一种分析方法。这种分析方法，实际上是 由故障模式分析，故障后果分析和危害程度分析三个部分组成。 故障模式分析，是通过从元件、材料至系统( 即由下而上) 的分析，确定出 在系统不同的结构层次上( 或者不同功能层次上) 的故障模式。要求分析能覆盖 系统在实际运用中的所有可能发生的故障模式。但是，由于故障机理的复杂性， 系统在实际运用过程中，可能会发生未能预见的故障模式。 故障后果分析是对每一个故障模式，确定其影响后果。一般将后果分为局 部后果，高一级的后果和最终后果三类。 危害度分析是对每一个故障模式，按其严酷程度和发生频率的综合影响进 行分类，以便于确定纠正错误的内容和顺序。例如后果严重且发生频率高的故 障模式，应优先采取预防措施，即使措施比较费钱也在所不惜。相反，对那些 后果较轻，发生频率也不高的故障模式，应进行费用权衡后才采取预防措施。 费用权衡指的是：预防该故障发生的费用应该小于或者等于让故障发生后再加 以排除的费用。 交流变频变压调速电梯控制系统集中了电梯的所有电气控制单元，内部接 线和参数设置比较复杂，由于电梯控制系统运行的功能繁多，出现的故障现象 9 武汉理t 大学硕十学位论文 也很多。要尽可能多的收集系统的故障现象和原因，则采用故障模式与后果分 析的步骤如下： ( 1 ) 收集系统的数据信息。主要是收集电梯控制系统在各种参数设置情况 下的工作原理，以及在各种不同功能情况下的运行原理，收集电梯运行过程中 电梯控制系统各端口的变化情况。 ( 2 ) 定义系统及故障判据。明确定义电梯控制系统系统要执行的各种功能 以及所需要的条件。 ( 3 ) 构造电梯控制系统故障逻辑框图( 也称故障可靠性框图) 。用图解方式 表示系统各组成部分的故障和他们的组合，如何导致系统故障的逻辑关系图， 称为可靠性框图。例如电梯要能启动运行的可靠性框图如图2 3 所示。 有楼层安全回路 变频器参数输入三相电 召唤信号已接通 设置正确压相序正确 图2 - 3 电梯启动可靠性框图 ( 4 ) 列出电梯控制系统所有可能发生的故障模式并进行故障机理分析。通 过对电梯控制系统系统故障模式的研究，分析其对电梯控制系统功能的影响。 表2 - 1 是电梯控制系统故障模式与后果分析报告表。 表2 - 1 电梯控制系统故障模式与后果分析报告表 名称功能故障模式 故障原因处理方法 电梯 根据输入命令控制电梯不能运行 电梯控制器 检查控制器 电梯的运行，以满或不能正确运 参数设置错 参数设置和 控制器误；控制器电 足需要行电源接线 源接错 控制牵引机的速度自保护；错误变频器参数检查变频器 变频器 和方向的速度和方向设置错误参数设置 安全电梯运行的安全保出现常开或常有继电器粘检查安全回 回路护闭现象连或接错路接线 电梯楼 给电梯控制系统楼楼层召唤选不 楼层接线错检查接线，检 层召唤 层召唤命令，显示 中，呼叫楼层 误接口接触查各功能信 电梯控制系统对召 不登记，呼叫 电路不良号输入线 唤的响应情况 与显示不符 三相电给变频器、电梯控 三相中有两相 电梯控制系 源输入制系统、牵引机供统保护、牵引 检查线路 单元电 接反 机反转 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 功能输入线 电梯控 给电梯控制系统功检查电梯控 接错、电梯控 制器参数设 制系统 能运行命令，使电 电梯功能运行制器参数设 功能输 梯控制系统控制电置和外部接 梯按照指定的功能 模式出错置错误，c a n 线，重新调整 入单元总线通信错 进行运行c a n 总线 误 ( 5 ) 致命故障的预防。对于电梯控制系统系统，最致命的错误就是电梯控 制系统的三相电源接错、电梯控制器的电源接错、低压电输入端口接成为了高 压输入。这些都可能烧毁电梯控制系统中的核心部分：电梯控制器和变频器。 因此这些故障需要在上电测试之前由测试人员仔细的检查。 ( 6 ) 通过电梯控制系统故障机理的分析，确定电梯控制系统故障的监测与 诊断方法。 2 3 电梯控制系统的故障树分析方法 根据前面对电梯控制系统故障的分析知道电梯控制系统的故障检测是相当 复杂的工作。要对电梯控制系统的故障进行检测，就必须对电梯控制系统的所 有输入输出端口进行检测，对电梯控制系统的整个运行过程进行判断分析。由 于电梯控制系统的故障现象很多，而且相同的故障现象可能的故障原因可能不 同，不同的电梯参数设置的电梯可能功能运行也不是相同的，因此需要建立的 判断规则和诊断过程是相当复杂的。为了能快速准确的查找出各种不同电梯控 制系统的故障，我们采用了故障树分析的方法。 2 3 1 故障树分析方法概述 故障树分析法【1 2 1 4 】( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 简称f t a 法，是一种将系统故障形 成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，因而是对复杂动态系统 的设计，工程试验或者现场发现失效形式进行分析的工具，其目的是判明基本 故障，确定故障的原因，影响和发生概率。 故障树所用的基本符号有三类：事件符号、逻辑门符号、转移符号。 ( 1 ) 事件符号 顶事件：顶事件就是所分析系统不希望发生的事件，它位于故障树的顶端， 因此它总是逻辑门的输出而不可能是任何逻辑门的输入。通常在故障树中顶事 武汉理工大学硕士学位论文 件用“矩形符号表示。 中间事件：除了顶事件外的其他结果事件均属于中间事件，它位于顶事件 和底事件之间，它是某个逻辑门的输出事件，同时又是另一个逻辑门的输入事 件。通常在故障树中中间事件也用“矩形”符号表示。 底事件：位于故障树底部的事件称为底事件，它总是所讨论故障树中某个 逻辑门的输入事件，它在故障树中不进一步往下发展。通常在故障树中底事件 用“圆形 符号表示。 基本事件：己经探明或尚未探明但必须进一步探明其发生原因的底事件， 基本元部件故障或人为失误、环境因素等均属于基本事件。 除了上述的几种事件之外，还有房形事件、菱形事件、条件事件等事件， 由于这些事件在静态故障树中不常用，故在此不作详述。 ( 2 ) 逻辑门符号 或门：表示所有输入事件中，至少有一个输入事件发生时，门的输出事件 发生。故障树中1 1 个底事件由或门相连接，则等同于逻辑图中的n 个单元串联。 与门：表示仅当所有输入事件同时发生，门的输出事件才发生。故障树中n 个底事件由与门连接则等同于逻辑图中的n 个单元并联。 异或门：表示或门中输入事件是互斥的，即当单个输入事件发生时，其他 都不发生，则输出事件才发生。 ( 3 ) 转移符号 三角符号表示转移事件，故障树中同一故障事件常不在同一位置上出现， 三角符号加上相应线条可表示从某处转出或转入，说明在图上不宜直接相连重 复的相同的树与树之间的连接关系，也可以表示规模较大树的转页。 2 3 2 故障树的建立 故障树建立过程的实质是寻找出所研究的系统故障和导致系统故障的诸因 素之间的逻辑关系，并将这种关系用故障树的图形符号( 事件符号与逻辑门符号) 表示，成为以顶事件为根，若干个二次事件和基本事件( 底事件) 为干枝和分枝 的倒树图形。建树的开始几条，应只考虑主要的、高度可能的或是关键性的事 件，然后随着分析的展开，再考虑次要事件、发生概率较小的事件。展开的每 一个故障事件，都要有确切的定义，避免含糊不清。故障树各故障事件逻辑关 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 系、条件应分析清楚，避免紊乱和自我矛盾。 建造故障树的大致步骤如下： ( 1 ) 了解系统的基本情况 在对一个系统进行故障树分析之前，首先应了解系统的功能、结构、原理、 故障机理、模式、后果等，收集有关系统设计、经验、运行、修理等各方面的 资料，为建树做好准备。 ( 2 ) 选择顶事件 根据收集到的资料和故障档案，将系统功能丧失的所有可能故障模式，按 后果严重程度分类排队，以便确定最小希望的事件，作为顶事件。为了能够进 行分析，顶事件必须有明确的定义，能够定量评定，而目能进一步分解出它发 生的原因。一个系统可能有多个不希望发生的事件，因此可以建立几棵故障树， 但个故障树只能有一个顶事件。 ( 3 ) 构造发展故障树 由顶事件出发，逐级找出导致各级事件发生的全部可能的直接原因，直至 分析到各类底事件为止。 ( 4 ) 简化故障树 建立好故障树之后，全部底事件和它的顶事件就构成了一种逻辑关系，简 化的原则是去掉逻辑多余事件，用简单的逻辑关系表示。 下面以电梯控制系统安全回路系统故障来说明电梯控制系统故障树的建立 方法。电梯控制系统安全回路系统的简化电气图如图2 4 所示。x l 为输入电压， x 2 为限速器开关，x 3 为门联锁开关，x 4 为主接触开关，x 5 为强制停车开关。 其主要功能如下： ( 1 ) 在正常情况下，安全回路在运行过程中是闭合的，即y 1 ，) ，2 有电流 流过。 ( 2 ) 当强制停车时，x 5 断开，y 2 无电流流过。 ( 3 ) 当电梯速度过快时，x 2 断开；或当厅门或电梯门未关闭时，x 3 断开； 或主接触未接触时，x 4 断开，此时y 1 无电流流过。 x l 图2 4 安全回路电气简图 y l y 2 武汉理工大学硕士学位论文 根据电气简图和安全回路功能分析，画出的电梯控制系统安全回路故障树 如图2 5 所示。其中，m 1 ：急停开关故障；m 2 ：无输入电压：m 3 ：限速器开关 故障；m 4 ：门开关故障；m 5 ：主接触开关故障。 图2 - 5 电梯控制系统安全回路故障树 2 3 3 电梯控制系统的故障树模型 通过对电梯控制系统故障的表现形式进行分析，电梯故障大致可分为安全 回路系统故障、运行系统故障、门系统故障、选层系统故障、指令召唤系统故 障、楼层指示系统故障等。建立其故障树模型分别如图2 6 、2 7 、2 - 8 、2 - 9 、 2 - 1 0 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 运行系统故障树模型 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 7 门系统故障树模型 图2 - 8 选层系统故障树模型 图2 - 9 指令召唤系统故障树模型 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 0 楼层指示系统系统故障树模型 2 3 4 故障树定性分析 对故障树进行定性分析的主要目的是：寻找导致与系统有关的不希望事件 发生的原因的组合，即寻找导致顶事件发生的所有故障模式。从中确定系统的 薄弱环节，采取措施，予以补救。 ( 1 ) 割集和最小割集 考虑由刀个不同的独立底事件构成的故障树。引入二值变量，表示第f 个 底事件的状态。定义底事件的状态为： x ：j 1乞发生(21)i 2 1op f 不发生 “以 同样，引入二值变量，表示顶事件丁的状态。定义顶事件的状态为： ：j 1鲅兰。( 2 - 2 ) 。 l0不发生 割集是导致正规故障树顶事件发生的若干底事件集合。若有k 个状态向量 x ，能使( x ) = 1 ，则称x 为割向量，割向量对应的底事件集合称为割集。 最小割集是导致正规故障树顶事件发生数目不可再少的底事件集合。 ( 2 ) 求最小割集的方法 求最小割集的方法，可以用布尔代数的化简方法，但是随着底事件的增多， 运算量大大增加。现在比较常用的方法有上行法和下行法。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 a 上行法 上行法的算法是：在给定故障树中，从最下一级结果事件开始，若底事件 用与门和结果事件相连，则结果事件表示为底事件的交；若底事件用或门与结 果事件相连接，则结果事件表示为底事件的并。如此，由下往上，在展开的过 程中应用布尔运算法则中的分配率和吸收率来消除冗余部分，直到顶事件。 对于图2 - 5 ，运用上行法可得： g 4 = m 2 - i - m 3 g 32m 4 + g 4 2 m 2 + m 3 + m 4 g 22g 3 + m 5 2 m 2 + m 3 + m 4 + m 5 g i2m l + m 2 g o = g 1 + g 22 m 1 - i - m 2 - i - m 3 + m 4 + m 5 由此可以得出最小5 组最小割集：砌。) ，k ：) ，如， ，知。 ，锄，) 。 b 下行法 由于故障树中，与门只会增大割集的容量，或门只会增加割集的数目，下 行法的基本过程是，从顶事件开始，逐渐向下，用输入事件置换输出事件，把 与门的输入写成一行，把或门的输入写成一列，直到完全变成底事件的矩阵为 止。同时应用布尔代数化简法，剔除非最d , n 集，余下的便是最小割集。对于 图2 - 5 的故障树，用下行法可得： s t e p hg ls t e p 2 ：m l s t e p 3 ：m l m 2 g 4 m 4 m 5 由此得出， 2 3 5 故障树定量分析 在进行故障树分析时，我们除了要求确定造成顶事件发生的各种故障模式 外，还希望用底事件的发生的概率和频度去评定顶事件发生的概率和频度，以 1 8 拓kk z 加k胁良炽纳胁肌加肌黟 龟 割 甲 小 & 最 组 武汉理工大学硕士学位论文 便做出风险评价：还要确定每个最小割集发生的概率大小。故障树进行定量分 析的目的，就是计算和评估系统顶事件的可靠性特征量( 故障率、平均寿命等) ， 确定底事件和割集的发生对顶事件发生的影响程度以分析系统的薄弱环节，改 进系统的设计。 在故障树进行定量计算时，一般认为，底事件之间是相互独立的，底事件 和顶事件只有两种状态，即正常状态与故障状态。 ( 1 ) 顶事件发生概率的计算 故障树分析中用布尔代数变量来表示底事件的状态 t c d = ?差：筹裂：霪妻箨：耍董生 ( 2 - 3 ， 工t ( ) 21 1 在f 时刻，底事件f 发生 ( 2 3 计算事件f 发生的概率，也就是计算随机变量_ o ) 的期望值e b ，o ) 】： e b 如) 】= p b 以) = 1 】= e ( f ) ，e ( f ) 表示在 0 ，f 】时间内发生的概率，也就是第f 个 部件的故障( 失效) 分布函数，由刀个事件组成的故障树，其结构函数是： ( x ) = k ，屯，z 。j 与门的结构函数： 西( x ) = x i x 2 x 。= 几而 ( 2 4 ) 或门的结构函数： ( x ) = 1 一( 1 一工1 ) ( 1 一z 2 ) ( 1 一z 。) = 1 一ii ( 1 一x f ) ( 2 5 ) ( 2 ) 用最小割集表示的结构函数，求顶事件的发生概率 设故障树有，z 个底事件而，石：，x n ，c k ，z ，；为某些底事件的集合，当 其中全部底事件都发生时，顶事件才发生，则称c 为故障树的一个割集。若c 是 一个割集，而任意去掉其中一个底事件后就不是割集了，这样的割集称为最小 割集。在故障树中，只要任何一个最小割集发生，顶事件就发生，因此，可以 用最小割集表示结构函数。 假设给定故障树有k 个最小割集，则每个最小割集表示为：k ，( x ) = n t ， 故障树的结构函数可写成： 耶而 巾( x ) = u k i ( x ) = un t ( 2 6 ) 若定义顶事件发生的概率为：g = p 枷( x ) = 1 ) 又由于( x ) 是只取0 或者1 的二值函数，所以又可记为 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 g = e 枷( x ) ) = 尸 u k ，( x ) = l ( 2 7 ) l i = lj 一般来说，故障树的最小割集是相容的，因此，可以用相容时间的和的概 率来计算g ： rk1 g = p u k ，( x ) = 1 u - 1o ( 2 8 ) = 尸( e ) 一p ( e i e y ) + p ( e ，e j 乜) + + ( 一1 ) 卜1 p ( n 易) ，= l l s i j k1jmsk