故障字典探讨.pdf

一状态监测与诊断技术 困圃图 囚画画 李葆义 一 引言 设备 的设计制造厂家和维护者将故障诊断经验 作 出条理化的总结 以表格形式反映出来 即为通常所说 的故障字典 目前 有些现代设备制造厂商 为了使其产品便于 维护 随产品自身附带一套自检测系统来对自身的运 行加以监控 一旦 出现故障便自动停机并显示其故障 编号 用户或专业维修人员即可根据显示的信号 查阅 该设备的故障字典手册 对故障的发生部位进行检修 及时排除故障以保证设备的正常运行 这种带有自检 系统和故障字典的设备 使设备 的维护和诊断有较好 的透明度 给检修带来方便 同时也增加 了该设备的用 户友好性和信誉 一般 常用的故障字典如表 l 表 2所示 故障类 原因 可表示为 S 关 K l K K 一 关 K 任 o l 亦即 i个故障出现 个故障未出现 第第 土 O S 显然 S 的值 由特征向量K的值所决定 根据设 备的实际 按照上述的方法可以制成一个标准化的故 障字典表格 如表 4所示 表 4 标准化的故障字典 故故障符号号故障现象象故障原因 因 故障元件件排除方法 法 编编号号 故障症兆兆 原因分析 析 排除方法 法 落落 认 X z X Z X 爪爪 S S S z z z z z z z z z z z S S S 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 S S S 口口 i一1 2 川少一1 2 m 例 1 屏蔽积分电路故障字典 表 5列 出了此电路的故障分析结果 表 5 在对模拟 电子线路系统进行诊断时 还有如 表 3 所示形式的故障字典 其 中凡表示故障名 vJ 代表电 压值 表 3 露露鬃哭哭 V 1 1 1 V 2 2 2 V s s s V V 5 5 5 V F F F l l l 0 3 3 3 0 1 1 1 0 5 5 50 4 4 40 4 4 40 4 4 4 F F F 2 2 2 0 1 1 10 5 5 50 7 7 70 1 1 1 0 0 00 0 0 尸尸3 3 30 3 3 30 6 6 60 5 5 5 0 4 4 4 0 4 4 40 2 2 2 故故障模式式 原因分 析 析 导导线连接 接 断开 短路 表面氧化 电阻增高高 金金属化化断开 击穿 短路 泄漏电流 流 屏屏蔽与扩散 散击穿 功能损耗 短 路路 封封装裂痕痕断开 热量 瞬变变 固固定颗粒 粒 MOS一I C中VT的改变 P一n 结短路 路 移移动颗粒粒参数漂移 泄漏 电流 低频噪音 音 银银迁移 移泄漏 电流流 芯芯片连接 接热 失控控 二 经典故障字典 的建表方式 设被检测 的设备 可能发生 n 种故障 即有相应 的 n 个故 障符号S S S 它总共有 m 个症状 特征 X X X 其特征取值为K l K K 其中 X 症状 特征 出现 X 症状 特征 未出现 上 n甘 一一 K 其中 少 1 2 一 m 于是有 K K x K Z K 称之为故障的特征向量 它反映了设备的状态特征 而 设故障名及为 5 1 一 导 线连接 52 二 金属化 5 3 屏 蔽与扩散 S 一 封装裂痕 S 固定颗粒 S 移动颗粒 S 银迁移 S 一芯片连接 i一z 2 8 特征 X 为 X l 一 断开 X 一 短路 X 3 表 面氧化 X 4 一 电 阻增高 xs一 击穿 x 一 泄漏电流 x 7 一 功能损 耗 XS 热量瞬变 X 一 MS 一I C 中V 了 改变 X 一 P一 结短路 x 1 参数漂移 x1 2一 低频噪声 X 1 3一 热失控 j一1 2 13 于是可得到标准化 故障字典如表 6 所示 K 为对 2 7 应的特征值 表 6 屏蔽积分电路的标准化故障字典 又 咦咦 X X XX 2 2 2 X 3 3 3 X 4 4 4 X 5 5 5 X 6 6 6 X 7 7 7 X 8 8 8 X X l o o o X l l l l X 12 2 2 X z 3 3 3 5 5 5入入 臼臼臼臼臼臼臼臼臼臼臼臼臼臼臼 5 5 5 1 1 1l l l 1 1 11 1 1 0 0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1O O OO O O0 0 00 0 00 0 0O O OO O O 人人 0 0 01 1 10 0 0 0 0 01 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 写写 l l l O O O 0 0 00 0 0 0 0 00 0 00 0 0 1 1 1 O O O0 0 00 0 00 0 00 0 0 S S S 弓弓 0 0 00 0 00 0 0 O O O 0 0 00 0 0 0 0 00 0 01 1 1 l l l0 0 00 0 00 0 0 万万 0 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 00 0 00 0 01 1 11 1 1 0 0 0 5 5 5 5 5 O O O0 0 00 0 00 0 00 0 0 1 1 1 0 0 00 0 00 0 00 0 0O O O0 0 00 0 0 困困巴 巴 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O O O1 1 1 0 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 口口 三 标准 化故障字典的不乱不漏原 则 好的故障字典既应有足够的特征或检测点以保证 分辨不同的故障 又不应设置冗余的特征 或检测点 造 成表格庞大和检测的浪费 标准化故障字典不乱不漏 的原 则应是 1 各行 向量中 任何一行均不为零向量 行向量为 零意味着各故 障特 征均未出现 即所设置 的故障特征 或检测点不 足以检测该行所代表 的故障 应适当增 加 检测 点或寻找新 的特征来判定该故障 2 两行以上行向量不相等 行向量相等 意 味着两 个或两个以上故障具有相同故障特征 亦即现有特征 或检测点无法 分辨不同的故障 应考虑 适 当增 加检测 点或 寻找新 的特征来区分不 同故障 3 列向量不为零向量或每一分量不全为 l 列向 量为零向量 意味着对所 有故障 该列所代表的特征均 未出现 列向量的每一分量全为 1 则表示对所有故 漳 该列所代表的特征全部出现 这 样的特征对于分 辨 不同的故障没有贡献 属于冗余的特征 可以去掉 换 成 其它的特征或检测点 4 两个以上列向量不应相同 两个以上列向量相 同 即意味着对于每一故障 两列所代表 的两个特征 同 时出现或同时不出现 亦即两个特征对分辨不同故障 的作 用相 同 因此 令保留其中一个特征 即可 5 树 个检测点或特征 最多可 产生 2 一1个故 障 m 个检测点或特征 每个 特征取值为零或者 1 最多 可 产生2 个特征向量 去掉 全为零 的零 向量 因此最多 可分辨2 门 一1个不同故障 只有当 2 一l N时 N个 故障 才可被分 辨 四 故障诊断中特征参t 的确定 故障特征可能 为不同的理化特性 其 中有 的可用 确定数值代表 有的用语 言变量代表 有的可用数值区 间代表 考虑到一般情况 设刃 22 2 为实测的特 征参数值 而 乙 乙 Z 为各 特征参量的标准取 值区间 其特征为一个点 对电参量 它们可能为容差 范围 于是有 由这样 的K 构成特征向量K 二 K l K K益 故障诊断的过程就是把实际测量的特征参数值转化为 特征向量值 然后与故障字典 中的向量逐一进行比较 若与第 i行相符 则可断定系统发生 了第 i个故障 五 模糊故障字典 在故障诊断的实际中 症状或表症往往 不能简 单 地用 有 无 或是 存在 与 不存在 来描述 也就是 说 症状需要 用 程度 来描述 即使如表 3 所示数字化 的故障字典 表上列出的 电压值不过是构成故障的典 型数值 在实际测量 时 总会有偏差出现 如 果出现了 偏差 我们是否仍可以作出故障的诊 断和判别呢 为了 解决这 个间题 我们可以利 用模糊集合理 论对实测值 及其中间结果进行运算处理 以便帮助我 们作 出正确 的判断 1 数值化故障字典的模糊化处理 表 7 补补补 K 1 1 1 K 2 2 2 2 2 2 2 K S S S 1 1 1口11 1 1比 12 2 2 2 2 2 2口1阴阴 S S S 2 2 2口21 1 1口 2 2 2 2 2 2 2 2口2用用 S S S 口 1 1 1 2 a月屁 i 1 2 j 1 2 m 如表 7 所示数字化故障字典 其中 么 为典型的故 障特征数值 由于实测的特征数值一般必然会偏离内 的值 我 们可以用一个模糊数来描述 实测数值 X x x x 二卜 中的元素x 与S 的特征K 的靠近 程度 例 如 我们可以用正态模糊数来描 述 其公式如下 X 一 a 2 产s 天又人少 expL一 少 一 t o 当Z 任Z 注 一1 2 m 当Z 百Z Jd 这里荀为比例系数 上式可表示为 尸s 二 X 一 exp 一W X 一 a 2 其中w 即为比例系数 当然 利用其它种类的模 糊数仍可定义这一隶 属度 可依故障症状 实际情况确 定 定义 艺 X 儿 x 一 上2了一 为检测值代表的特征对故障S 的隶属度 s x 一 m ax 脚 x 脚 x x 几 其 中入 1 为一确定阐值 上式 意为检测值X 所代表 的故障特 征表明它属于民 所代表的故障类 若 脚 1 x 几 则认为X不属于任何一类典型故障 2 带权重的模糊故障字典 例 3 下图给出一雷达设 备单极电r管电路 R R R RS 与G元件的故障引起 电路失效 而R 1 2 4 5 与G的故障 可以由阳极 a 栅极 g 及阴极 C 的 电压值 推断 若以 K a Kg与K 作为表征的特征值 那么我们有如下定义 1 若U a 在正常值范围内 0 其它 1 若U g 在正常范围内 O 其它 1 若U c 在正常范围内 0 其它 人 l J 七 了 l 之 K a心 K c 因为故障特征对故 障的贡献大小不 同 也就是其 权重所不同 我们很有必要将原有 的故障字典作进一 步的扩展 使之更接近故障诊断的实际 也更具有广泛 的实用性 我们从以下几个方面叙述建立和应用模糊故障字 典进行故障诊断的过程 1 建立带权重的故障字典 首先 对于每一类故障 其不同的特征对故障的贡 献是不同的 应赋与不同的权重 所谓权重 即为式 1 区间的数 取 1 即最大 取O即最小 对于每一故瘴 各不同特征的权重之和为 1 带权重的故障字典中的 数字为 O到1之 间的数 它表示该列所代表 的特征对 该行所表示的故津的重要程度 对于每一个 i有 3 00V 艺 一1 a e o 1 2 们 7一1 2 水 例如表8所示故障宇典 衰 8 禽禽截 截 K 1 1 1 K 2 2 2 K 3 3 3 K K 5 5 5 K 乃乃 K 7 7 7 5 1 1 1 0 0 00 2 2 20 3 3 30 0 0 0 0 00 4 4 40 1 1 1 S S S2 2 20 2 2 20 1 1 10 0 00 1 1 10 2 2 20 0 0 0 4 4 4 一 150V 由上表可以看出 图 因而 我们建立起经典 意义下的故障字典 见表 一1 艺 aZ 农 表中第一行表示故障s 出现K K K K 这 4 种特征 其 权重 a l 分 别为 0 2 0 3 4 和 1 显然 K 这个特征最重要 第二行表示故障S 出现K K K K K 7 这五种特征 其权重 a j分别为 0 2 0 1 0 1 0 2 和0 4 显然K 这个特征最重要 权重可由专 家评定 也可以通过统计数宇得到 权重反映了各特征 的重要程度 2 设备实测参数特征值的计算 设备实测参数的计算仍可通过三角模糊数或正态 分布等类型的模糊数 得到内内 凡 例 2 设某故障特征X 止 为电阻 对于模糊集 5 欧 姆左右 可定义其特征值 尸s K X e一 X 一 5 2 当X 一5 时 儿 x X 一1 当X 一4 或X 一6 时 权 二 X 一 e一 一 o 36 8 以此可计算灼 X户 的 值 通过以上方法 对每一特征参数 计算每一特征的 模糊取值附 X 得到 K K z K Z K 此即为待诊断 的故障特征向量 值得注意的是 由于每一特征参数的量纲可能不 同 在构造隶属函数时 要 注意适当调整相关 参数 以 便使特征值的计算值有较好的可比性 K K K K K a a a Kg g gK 凡凡 1 1 1 1 1 1 0 0 00 0 0 F F F尺2 2 2 0 0 00 0 0 1 1 1 F F F及 1 1 11 1 10 0 0 F F F及5 5 5 0 0 0 1 1 10 0 0 F F FG G G1 1 1 0 0 0 1 1 1 艺 j 1 在这个例子中 因电子元器件实测数允许有一定 的容差 然而这种差异必然会影响特征 症 状 的程度 进而影响故瘴诊断结果 根据现 场工程师的经验 我们 构造了表1 0 所示的故障字典和如下的隶属函数来计 算其特征值 表1 0 不 同症状的隶属度值 杀裁 裁 V 一 U V Z U V 3 U F F F l F Rz K ll l l K zZ Z Z K 2 3 3 3 F F F Z 凡2 K ZI I I K 22 2 2 K 2 3 3 3 F F F 3 F尺 K 31 1 1 K 32 2 2 K 3 3 3 3 F F F F及5 K 咯 1 1 1 K 2 2 2 K 曦3 3 3 F F FS FG K 51 1 1 K 5 2 2 2 K 53 3 3 1 2 31 1 2 5 函数式 中的x代表在 IJ a Ug U 处的实侧 电 i 值 K 1 2 K Z 一K 5 2 犷 了 了 沈 3 9 一21 蕊 x 镇一 18 一 1 8 x 毛一 1 2 一12镇 x 毛一 9 其他 O毛x 簇 2 2毛x 4 冬 粤 s i n 乙 乙 兀 9 二一气J 二 1Z 3 镇 x 4 n 1 一 2 K 3 3 汀 了 沈 一 二鱼1 2 万 一 万 sm 兀 11 不 工 一 万 少 落 4 板 5 5 x 30 0 294 IJ 了 要 一 李 si n 乙 2 35汀 乙db 丽以 一 万 夕 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