专家系统在船舶电站优化维护中的应用
作者
摘 要
船用电厂的可靠性和经济运行取决于运营工厂技术人员的设计质量，能力和技能。 船舶机械的正常故障和计划维护的频率主要基于确保这种故障被最小化的操作员的主观判断。 为了实现这些目标，必须采用各种类型的计算机软件来实现最佳维护目标，这些计算机软件具有高速处理速度的专家系统，这些系统已经被开发用于帮助故障或故障诊断。 这样的系统处于不同的应用阶段。 本文提出了一个典型的状态监测，预算和备件管理专家系统，以提高船舶电站的最优管理水平。 这种技术与已知型号的使用将大大减少停机时间，并充分利用船上和岸上的技术人员。 从作者在渡轮管理方面的经验来看，对于任何特定的情况都有最佳的维护工作量。
KDH Bob-Manuel
河流州立科技大学
尼日利亚哈科特港
介绍
M
Arine电厂正处于一个深入研究和发展的时期。 节能和人员配置是导致运营成本不断上升的因素之一，并迫使长期建立的设计和运营实践发生快速变化。 大部分船队拥有大量船公司的船舶公司正在采用无人驾驶的发动机舱概念和发电厂的自动化控制系统。 这些新的和不断变化的要求大大增加了发动机设计的复杂性，以在给定的限制范围内提供最佳的运行特性
人们普遍认识到，维护成本是船舶运行中最可控制的因素。发电厂的维护取决于工厂的拆卸和修理的容易程度，技术人员的技能和数量以及部件的成本（Inozu和Karabakal，1993）。 因此，船舶操作人员认为优化维护系统的潜在节约可能很大。 节省还取决于维护技术和工作组之间的交互水平。 在海上钻井平台上使用船舶和设备主引擎的状态监测系统现在非常普遍。
使用交互式系统（Goto和Kaibara，1993）从船舶或海上钻井平台上的控制室中的计算机向海岸基地的控制部门提供有关海上设备的信息。 微电子和人工智能的显着发展使得这一切成为可能。 该系统的经济用途取决于机队的规模和技术人员的技能。
本文介绍了三种不同维护策略的优缺点：
（1）分解/替换，（2）仅限预防（计划），和（3）最佳（基于状态和预测）维护方案。
维护政策
正常的故障和计划维护系统完全基于主观判断，这可以确保将故障保持在最低限度。 最经济的系统将是故障和计划维护系统之间更好平衡的系统。
细分/仅修复维护策略
细分/替换政策考虑遭受重大损失
的组件并将花费大量的维修或更换。 在发电厂发生重大故障后，维修或更换部件可以定义为维修工作，其中涉及通过修理或更换损坏部件来纠正发生故障的部件，使其恢复到工作状态。 在大修或更换期间，将执行检查和其他小修。 但是，如果处于相当好的工作状态的其他部件应该被替换或者不能同时更换，这并不是很明显。 如果一个部件磨损到一定程度，即它在不久的将来会变得无效并且造成麻烦，或者所涉及的部件几乎无法替代，那么必须做出非常关键的决定。 一个明智的决定是立即更换组件，以避免意外的主要故障。
更换磨损部件
磨损部件的更换在大修期间，更换和维修失效或磨损的部件必须由合格的机组人员执行，或者由合同给制造商。 让制造商安装一个主要组件来吸引保证是明智的决定。
是否替换一个磨损的部件应立即避免灾难性故障或将其推迟到下一个维护时间表通常是非常困难的决定。 如果船东决定等待大部分部件磨损以节省成本，那么他们将面临与性能下降和材料退化以及意外故障相关的成本。 除了部件的成本和更换之外，这可能会使人员和其他设备的安全处于危险之中。 例如，如果在日常维护和检查过程中发现某个组件被破坏或磨损，则有关该组件的可能决定仍然可用，这将是以下情况之一：
- 立即更换组件。
- 等到组件最终失败。
- 在下一次计划维护中等待并更换组件。
图1
威布尔曲线和失效概率（Shields等，1995）
即时更换或等到组件最终失败的成本需要新组件的成本，并且人工剥离旧组件并适合新组件。 等待下一次计划维护的决定会产生一定程度的不确定性，因为组件可能会在计划的时间段之前失败。
剩余寿命评估
使用图1所示的正常理论威布尔分布曲线可以评估替换前旧组件的剩余使用寿命。 在本文中，分布仅考虑由于磨损而导致的故障。 威布尔曲线的高度定义为（Shields et al。，1995）：
(1)
确定分布的形状。
是组件的特征寿命。
t0确定分配时间因素的来源。
假设旧的分数
使用一段时间后的组件寿命是xn，剩余寿命是
更换时的组件是
（1-xn）。 在此期间的故障率可以通过组件解锁来确定，
标志因子和操作条件。 在部件磨损期间应该预期失效率增加。
预防（计划）维护政策
在预防性维护或计划维护策略中，通常通过观察组件中的磨损和进行状态监视来预防意外故障，从而减少停机时间。 预防性或计划性维护策略也称为基于日历或计划维护系统。 在这种情况下，无论组件的工作周期或其状态如何，都可以使用基于工厂运行小时数或日历间隔的检查系统对维护进行编程。 根据制造商的规定，维护周期几乎保守。 有了这个政策，经常会观察到组件中的磨损，并进行更换以防止出现意外故障。 工程师可能无法预见实际的服务条件等。
（s）他以意想不到的方式执行政策
由于设计错误而可能发生的故障，不能被推翻。
可以计划大部分预防性维护工作与船舶进港时或其他部件的维修工作一致。 它也可以在组件开放供船级社调查时使用。 但是，政策的优点取决于花费在检查上的工时和减少故障的频率。
表中可以看到不遵守计划维护期的风险，它表明大多数标有（*）的参数都不符合规范。 这是由于运营需求导致拖轮在规定的时间内未进行正常的计划维护。 当最终将拖船C中的发动机拆下进行维修时，发现活塞环过度磨损，并且发现气缸盖垫片已烧焦，发现大端轴承已磨损。
这项政策的一个主要缺点是，它假定所有发动机小时数相等，但运行速度和负载，燃料质量，环境条件等因素都会影响发动机的磨损率或加速恶化。
表格1
使用光谱油分析程序（SOAP）（Chugbo，1999）分析来自3（三）艘拖轮的润滑机油的分析。
|
参数 |
润滑油规格 |
TUGBOAT A |
TUGBOAT B |
TUGBOAT C |
|
密度@ 15 |
0.916 |
0.9253* |
0.9026* |
0.8887* |
|
C（千克/升） |
||||
|
含水量（％体积） |
零 |
0.40 |
0.15 |
— |
|
运动粘度 @ 40C（cst） |
182.0 |
150.23* |
125.23* |
68.45* |
|
运动粘度 @ 100C（cst） |
14.4 |
33.49* |
13.21* |
8.95* |
|
总酸值 （Mg KOH / gr） |
16.0 |
太暗观察 颜色变化 |
2.56 |
0.43 |
|
硫酸盐灰％重量 |
2.0 |
1.73 |
1.09 |
0.46 |
*值不符合规范
专家系统在故障诊断中的应用
运行发动机的传统故障诊断方法是使用听觉，声音检测棒，润滑油分析等来检测性能的变化。检测的准确性取决于专家的技能和经验，因此使用的专家系统。 振动测量是旋转和往复机械故障诊断中使用最广泛的方法。 该原理基于结构传播噪声，这是一种高频振动，由旋转和往复力引起，在微小的非稳定点出现。 工厂的总体状况将会改变结构传播的噪音特性。
不考虑润滑油。 然而，由于发动机停机时间以及发动机暴露于由维修引起的故障的风险将增加，因此过度维护不具成本效益。
最佳维护策略
仅在故障/维修或预防性（计划中）维护策略中提供的程序不能提供解决方案，以最小化整体维护成本。 提供最佳解决方案的策略是具有特定程度的计划和故障/替代维护策略的策略，如图2所示
预计会导致维护和停机的最低成本。 确定预防（计划）维护的水平需要以数学为导向的分析和分析能力。 实际应用可能涉及复杂，需要使用合格的熟练工程师。 另一种选择是引入综合维护政策，利用最优政策的优势，同时尽量减少前面讨论的其他政策的弊端（Haller and Kelleher，1999）。 该策略已被证明能够在故障发生之前识别组件降级。
部件的断裂
图3显示了发电厂轴承箱在不同频率下的振动水平频谱（Bob-Manuel，1999）。 当显示在视频显示单元（VDU）上时，可以将结果扫描到计算机内存进行诊断。 振动水平的测量通常通过将加速度计放置在轴承壳体上不同的位置来获得振动水平的最大振幅。
可以从排气尾管收集如图4所示的运行期间正常和故障部件获得的声信号的频率分析，以确定不同负载下的波形并且
图二分解和计划维护策略的组成和总维护成本（Shields等，1995）
速度条件。 用手段进行线性回归的最小二乘法可应用于信号的每个区域，衰减或由直线近似的幅度上升来确定断层的特征趋势（Hikima等，1993）。 在诊断使用专家系统失败的组件时，计算机将被编程以作出判断。 在图5中，输入变量将确定组件的操作条件。 比较实际和参考输出变量通常是诊断的起点。 但是，会有一个工程师与计算机的交互，即对故障组件的诊断
图3
用于诊断的振动频谱计算机显示（Bob-Manuel，1999）
显示在计算机的VDU上并显示组件的功能内容。 将显示故障的可能原因和设备的历史记录。 在诊断项目菜单上，将显示用代码标记的显示突出故障的测量值结果。 结果和解决方案指导可以打印出来供详细研究。 通过现有的通讯系统，如果船上或海上钻井平台发生故障并需要紧急更换，诊断结果可通过互联网直接发送到岸基管理部门。
专家系统中的引擎签名分析涉及在加载条件下记录各种引擎操作签名。 这包括燃烧压力，气缸振动，润滑油分析，机油和涡轮增压器增压压力，机油和空气滤清器压降，排气温度过高等等。部件故障通常不会出现症状，这些症状在发动机性能上很明显，直到出现严重损坏发生。 作者在振动分析中观察到，发动机在运行几个小时后性能没有下降，但是从振动情况来看并没有恶化
图4
在排气管处采集的声学噪声水平谱（Hikima等，1993）
图5
用于监视和诊断的组件模型
签名分析，确定了故障（Bob-Manuel，1999）。 当这些数据通过振动测试进行诊断时，可以对计算机进行编程，以预测何时将超过某些性能参数或磨损极限。
在图6的左侧示出了当在四冲程柴油发动机的压缩和动力冲程期间出现意外噪音时所采取的超声波签名。 有人怀疑气缸内的窜气是造成这一趋势的原因。
图6
被盘旋。 气缸套和活塞环更换后，窜气会停止，如图右侧所示的签名所证实。 随后对环和衬套的检查证实，过量的衬里磨损导致了漏气（Haller和Kelleher，1999）。 从压力图中可以注意到，由于窜气尚未损害性能，所以燃烧压力没有变化，但振动特征分析已经确定了过度磨损，这一点很重要。
备件和商店管理
船舶的备件开支占船舶年度运营成本的很大一部分。 一个重要的问题是，一个相对较低成本的部件的不可用性可能会阻止船舶航行相当长的时间，从而增加运营成本。 因此，任何维修方案中对备件的有效管理都是至关重要的。 由于需求可能会很快或很慢，因此利用模式会有所不同。 在大多数情况下，意想不到的需求。
用于中速柴油发动机的气缸套更换前后的超声波签名（Haller and Kelleher，1999）
对于没有库存的备件可以制作如果没有给出足够的通知，停机造成的成本可能会过高。 采购部分不应该是短视的，因为在考虑备件成本时通常是这种情况。 必须考虑发票成本，可用性，质量，运输和人员成本等因素。 必须做出正确的决定，以尽可能低的成本提供零件。 店主面临知道什么时候需要备件以及是否有资金执行订单的问题。 因此，有必要定义库存
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