特種冷卻裝備單機故障診斷與運維方法

袁漢欽

（海裝駐合肥地區軍事代表室，合肥，230031）

特種冷卻裝置要求可靠性高，其故障直接影響上級任務系統的可靠性。如船舶中心數據服務器冷卻裝置、大功率電子冷卻裝置等，冷卻裝置故障直接導致服務器、大功率電子設備停機失效、任務中斷。如何快速的定位故障、預判故障及自動處理故障尤為重要。隨著大數據、5G及智能邊緣設備的發展，故障診斷技術發展迅猛，在航天、軍工、機械電子等領域得到推廣，如核電廠冷卻系統采用基于Microsoft SQL 2000數據庫的故障專家系統［1］、基于專家系統的漿紗機故障診斷研究［2］等。故障診斷（FD）始于（機械）設備故障診斷，其全名是狀態檢測與故障診斷（CMFD）［3］。工業故障診斷采集模塊、故障分析軟件也發展迅猛，如日本（NOHKEN）2020年發行的預知保全系統、西門子設備廠商推出的Siplus CMC1200，將故障診斷技術融入到設備產品中。本文所描述的是故障診斷技術在單機、無網絡數據支撐的冷卻設備上的應用。

1 故障樹模型

故障診斷技術是指不進行設備拆卸的情況下，通過相應的方法和技術手段，在設備運行過程中掌握其運行狀態，確定是否發生故障并分析出發生故障的原因，預報故障未來的發展趨 勢［4］。如空天產品、風電、鐵塔及災警系統等，由于其結構復雜和工作環境惡劣，故障專家系統、降額控制系統在這些行業應用的相對集中。故障專家系統診斷過程，將工程師視覺、聽覺和觸覺轉換成數字量，再通過存儲、數據調用、分析及遞歸。單機故障診斷系統受到硬件、成本及數據鏈路等諸多因素限制，使得單機故障診斷沒有大的數據檢索、數據交互及存儲的能力，其最大的問題有二個方面，一是知識的獲取、二是數據的存儲、壓縮及檢索。解決了數據層面，專家系統可以嵌入到控制系統中。圖1是某個冷卻系統的故障樹。

圖1 冷卻系統故障樹

根據冷卻系統的復雜度設計多層故障樹，層數越多系統越復雜。該制冷系統的故障樹分成三級，故障是頂事件，A1～A15是通過設備上安裝的傳感器采集后控制系統給出的判斷，最終建立圖1故障樹。通過對故障多叉樹的遞歸檢索、插入完成冷卻系統故障分類和確認。

冷卻系統的主控單元是西門子可編程控制器（PLC），對照圖1的故障樹進行數字化轉換。根據圖1的三層故障系統，設計DB0、DB1、DB2數據塊，分別存儲頂故障、中間故障和底事件。圖2是故障樹的存儲數據機構模型。

圖2 數據結構圖

樹中的節點存儲在DB數據塊中，節點用自定義的數據結構（UDT）表示，father_ID記錄節點的父親節點，intergration_ID記錄孩子節點或、與關系，children_ID記錄孩子節點。

通過DB塊、數據結構完成樹狀數據結構的轉換。對于固定知識庫的專家知識庫，上面的數據框架設計可以滿足要求?？紤]專家系統的交互、動態故障的數據結構的設計，動態數組是不安全的。根據系統的大小，設置100個node，進行擴充。

雖然不同廠家的控制器開發環境不同，內核不同，都可以按上述思路實現。

2 設備運維軟件設計

2.1 故障系統控制框架設計

單機故障診斷可以快速定位故障，提高可靠性、增強容錯性。單機設備沒有網絡數據支撐。當故障發生時，故障系統自動根據故障的級別旁通故障或轉工況運行，保證任務的持續性。故障系統不是控制系統內部的模塊，而是控制系統上級模塊，設備的邏輯控制是故障系統內部模塊。圖3中A是特種冷卻裝置使用故障專家系統的軟件框圖，它將采集數據模塊、外部信號模塊優先輸入到故障分析模塊，故障分析模塊給出邏輯控制輸出。B是常規的冷卻裝置的故障框圖。

圖3 控制框架對比圖

故障自愈能力，不論是設備的使用方還是設備的生產方都帶來了深刻的影響。售后服務無法及時開展，故障影響重大電子系統任務執行。解決的途徑有二方面，一是借助工業互聯網的技術，通過對裝備的數字化、智能化提升；二是提升裝備對故障的自適應能力。大型電子冷卻設備將故障分為致命故障、一般性故障及提示性故障，根據生產廠商的數據統計，95 %的故障為非致命故障，都是可以通過熟練的工程師現場操作、更換零部件及時排除。

2.2 自適應性設計

自適應性功能，能幫助電子冷卻設備對故障的感知，并切換設備運行狀態，確保冷卻系統不停機的情況下安全運行。它是故障專家系統的擴充、延伸。如圖1所示“供溫高故障F7”，當故障發生時，故障系統定位傳感器故障，自適應模塊依據回液溫度、回液流量等關聯數據虛擬出一個“供液傳感器”來代替真實的供液溫度傳感器。壓縮機工作的過程中，有一個重要的參數冷凝壓力，它是通過壓力傳感器采集，故障形式通常為0、極小值、極大值及數據大幅度跳變，直接影響制冷系統，帶來一系列的關聯故障。根據進水溫度或環境溫度，通過三通水閥的開度或風機的風速，來控制虛擬傳感器，如圖4所示。

圖4 單個故障自適應設計示意圖

非致命故障的自適應設計并沒有降低設備的技術指標，只是通過不同的方法去保證設備正常運行。致命故障一般是指電源故障、動設備故障，這類故障，只能通過降指標或者啟用熱備份的方式保障設備的任務連續性。

單機故障專家系統，帶來的另一個問題就是軟件的復雜度，它增加了軟件的驗證工作，降低了軟件邏輯的可讀性，如圖5軟件框架。電子冷卻系統的模塊化設計從動設備開始，將運行狀態和條件分開，細分功能、拼接模塊。

圖5 軟件框圖

3 應答接口設計

故障系統采用交互應答的方式來確認冷卻系統故障發生時的狀態。圖6、圖7是設備發現冷凝壓力故障時控制系統彈出的操作窗口。冷凝壓力故障發生時，控制系統根據內部邏輯羅列出三類故障原因。用戶通過set按鈕對每一個故障干預，人工優先級高于控制系統。

圖6 應答窗口

圖7 人工確認窗口

4 結束語

與傳統的故障報警相比，該故障診斷模式具有可預測、自愈合特性，同時有助于實施冷卻設備預期管理措施，最終減少停機時間，提高設備的可靠性，獲得的用戶的好評并創造了良好的經濟效益。但同時，如何實現更簡潔、更高效的單機故障診斷系統，需要更多的工程實際的積累。