故障诊断试验系统设计----故障模拟【毕业设计】.doc

1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 故障诊断试验系统设计 -故障模拟 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 在流程工业生产中，对工 业设备进行状态监测和故障诊断是非常有必要的。但是，随着现代工业过程系统大型化和复杂化的快 速发展，传统的故障诊断技术已经难以满足复杂分布式设备的诊断要求。因此，人们迫切需要找到适合当前形势的故障诊断方法，用以提高系统的可靠性与安全性。 多级流模型 (MFM， Multilevel flow models)是系统目标和功能的图形化，对真实的物理系统以物质流、能量流、信息流的角度进行抽象，把系统目标和功能及

2、其之间的关系通过图形符号来表达的模型。作为一种功能模型， MFM通常比相应的面向事件的模型更简单，并且对系统的描述更加完全，能显著地减少计算量，因而在实时性要求很高的故障诊断中具有明显的优势。 本论文研 究的主要内容及章节安排如下 : 第一章论述了流程工业设备故障诊断的重要意义；阐述了流程工业设备故障诊断的研究现状；综述了 MFM 建模与故障诊断方法的研究现状与发展；分析了MFM在系统故障诊断应用中的优势 ,给出了本论文的主要研究内容。 第二章介绍了 MFM建模的基本概念和原理；研究了 MFM的建模方法，也概要介绍了基于 MFM的故障诊断，最后建立了供水系统的 MFM简化模型。 第三章是本次毕

3、业设计的最主要部分，本章分析了供水试验台的各部分元件的功能、目标，具体提出了基于 MFM的故障模拟方案设计，包括硬件电路设计、元器件的 选取等。 第四章对全文进行了总结，并对未来展望提出了一些设想。 关键词： 多级流模型，故障诊断，故障模拟 II The Design of Fault Diagnosis Trial System-Fault Analog Abstract In flow industrial production， it is important to care on the condition monitor and the failure diagnosis to th

4、e industrial equipment. But, Along with the fast development of modern industry process system large scale and complication, the traditional failure diagnosis technology is difficulty to satisfy the complex distributional equipments diagnosis request. Therefore, the people anxiously needed to find t

5、he failure diagnosis method to suit the current situation. Multilevel flow models, the graphic form of system objectives and functions, the abstraction of genuine physical system from the perspectives of material, energy and information flow. Serving as the model that expresses system objectives and

6、 functions and their relations through grahpic symbols. Serving as a functional model, MFM is easier than event-oriented model with more complete system description, capable of reducing amount of calculation remarkably. Therefore, it has obvious advantage in malfunction diagnosis with exigent Real-t

7、ime. The main contents are as follows: The first chapter discussed the significance of fault diagnosis in process industry, described the development history and current status on fault diagnosis in process industry, reviewed the development and current status of MFM, and comparatively analyzed the

8、advantages of MFM in the system fault diagnosis. Finally, the main contents and the overall framework of the thesis were presented with the specific requirements of scientific research projects. The second chapter introduced the basic principles and the related concept of MFM, studied the method of

9、modeling MFM, also introduced fault diagnosis based on MFM summarily, at last, built MFM of a water supply system. The third chapter is the most important part of the graduation project, this chapter analyzed function and goal of each physics element which from the water supply system, present proje

10、ct design of the fault analog which based on MFM, included hardware-circuit designed, chose component and so on. The fourth chapter sums up the work of the dissertation and presents conclusion and prospect. Keywords: Multilevel flow models, fault diagnosis, fault analogIII 目录 摘 要 . I Abstract . II 第

11、一章 绪 论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3故障诊断技术国内外发展现状 . 1 1.3.1 国内的研究现状 . 1 1.3.2 国外的研究现状 . 3 1.4课题研究的主要内容 . 4 第二章 基于 MFM 的故障诊断技术介绍 . 6 2.1引言 . 6 2.2多级流建模 . 6 2.2.1 目标 . 6 2.2.2 功能 . 7 2.2.3 设备元件 . 7 2.2.4 目标、功能、设备元件间的关系 . 8 2.3 基于 MFM的故障诊断介绍 . 8 2.4 基于 MFM的 故障试验台设计 . 9 2.5 本章小结 . 10 第三章 基于 MFM的故障模拟

12、系统设计 . 11 3.1引言 . 11 3.2 系统节点功能 . 11 3.3故障模拟 . 11 3.3.1 方案设计 . 11 3.3.2 系统硬件设计 . 12 3.3.3 模拟步骤 . 16 3.4 本章小结 . 17 第四章 结论与展望 . 18 4.1 总结 . 18 4.2 未来展 望 . 18 参考文献 . 19 致谢 . 错误 !未定义书签。 故障诊断试验系统设计 -故障模拟 1 第一章 绪 论 1.1 课题的来源 流程工业主要包括电力、石油炼制、化工、 造纸、冶金等行业 。它们主要的特点是设备环节多且各设备环节相互关联，一旦设备发生故障，系统将通过物质流、能量流、信息流把故

13、障传递给另一设备，引起整个生产过程的瘫痪。若故障不能被及时诊断和排除将造成重大事故，因此故障诊断对于 流程工业尤为重要。 1.2 课题的意义 由于流程工业通常是高温、高压、易燃、易爆的生产过程，故障诊断及安全保护系统是不可缺少的部分。特别是随着流程工业的高速发展，其生产设备的结构走向复杂化，不仅同一设备的不同部分之间互相关联紧密，而且不同设备之间也存在着紧密的耦合关系，在生产过程的物质、能量、信息方面形成一个统一的、分布的有机体。由于众多无法避免因素的影响，设备难免会出现各种故障。现代化流程工业一旦发生故障，不仅会造成人员和财产的巨大损失，而且对生态环境也将会造成不可挽回的影响。 世界各地经常

14、都会发生因为设备 出现故障而导致的事故。例如， 1984年位于印度伯帕尔市的美国碳化公司农药厂发生毒气泄漏事故，造成 2000 多人死亡， 20多万人受伤，成为世界工业史上的恶性事故典型。英国在制药、精细化工、电力等行业每年要付出大约 270亿美元的代价。 2005年 11月 13 日发生在我国吉林省的吉林石化爆炸，直接经济损失 4600 多万元，更严重的是造成了重大水污染事件。所以，确保流程工业安全、稳定的生产，又能够做到长周期、优化、满负荷运转是该工业特别需要解决的问题。 2002年，广东省的 茂名发电厂 、 沙角 A 发电厂 、 韶关发电厂 三个电厂连续发生 事故。为了避免重大事故的发生

15、以及安全进行工业生产，对于故障诊断技术的研究就显得尤为重要。它不仅可以保障系统和人身安全，还具有显著的经济效益和社会效益 1。 综上诉述，对于大型的生产系统，设备的可靠性和有效性在其中占了很大的比重，故障诊断技术就是保证设备有效运行的一种很好的方法。如果能及时找出故障，不仅能避免事故的发生，还可以安全地完成整个系统的生产。因此，为生产系统配备合适的故障诊断技术是十分迫切的问题。 1.3 故障诊断技术国内外发展现状 1.3.1 国内的研究现状 我国诊断技术的发展始于 70 年代末， 而真正的起步应该从 1983 年南京首届设备诊断技术专题座谈会开始。虽起步较晚，但经过近几年的努力，加上政府有关部

16、门多次组织外国诊断技术专家来华讲学，已基本跟上了国故障诊断试验系统设计 -故障模拟 2 外在此方面的步伐，在某些理论研究方面已和国外不相上下。目前我国在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的监测诊断产品。全国各行业都很重视在关键设备上装备故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统，在电力系统、石化系统、冶金系统、以及高科技产业中的核动力电站、航空部门和载人航天工程等 2-5。 在诊断理论方面，人们在其他各学科理论的基础 上演绎出各种诊断模型，如模糊诊断模型、层次诊断模型、因果诊断模型、覆盖诊断模型、序贯诊断模型、神经网络诊断模型、多级流诊断模型等等。同时也注重针对自身特点理论的

17、发展，如最近兴起的“小波”理论等 6；在传感器的设计研究方面，由于传感器被视为诊断的“瓶颈”，故相对于诊断系统硬件部分的其他环节，受到了人们更多的重视。对于高精度、高性能的传感器以及高信息量传感器的研究，将是今后的发展方向 7,8。 在诊断模式上面，人工智能已成为当今的主要发展趋势，不仅是因为人工智能的发展为其提供了强大的理论基础及实现工具，而且 还因为对于复杂系统的诊断需要人工智能才能达到最佳效果。智能故障诊断技术的发展主要围绕三大方面： （ 1） 分布式人工智能。分布式人工智能的发展为大规模诊断系统的设计和实现提供了一条极具潜力的途径，该技术是为解决大规模问题而发展起来的，其思想十分适合大

18、规模诊断问题的智能求解。 （ 2） 自适应诊断模型。实际诊断中，由于知识获取的瓶颈问题，诊断知识库是不完善的，复杂系统自身特性又容易受到影响发生改变，当新故障出现时，在知识库中找不到最佳匹配，就容易发生漏诊和误诊。所以若诊断系统具有一定的自适应能力，自身能够“学习”和“进化”就能有 效地适应求解环境和问题特征的动态变化。 （ 3） 混合式智能诊断系统。将多种不同的诊断技术相互融合，相互取长补短而形成的综合智能真的就技术，在未来的诊断系统中将起到很大的作用 9-12。 综上，可以看出故障诊断技术与当代前沿科学的融合是国内故障诊断技术的主要发展方向。当今故障诊断技术的发展趋势是传感器的精密化、多维

19、化；诊断理论、诊断模型的多元化；诊断技术的智能化。可以表现在如下方面： （ 1）与当代最新传感器尤其是激光测试技术的融合。 （ 2）与最新信号处理方法相融合。 （ 3）与非线性原理和方法的融合。 （ 4）与多元传 感器技术的融合。 （ 5）与现代智能方法的融合 13。 故障诊断试验系统设计 -故障模拟 3 1.3.2 国外的研究现状 在国外，在二十世纪 60年代就有故障诊断技术的基础。 60年代末，美国国家航宇局就创立了美国机械故障预防小组，英国成立了机械保健中心。欧美等发达国家和地区很早就将故障诊断技术广泛应用于航天、航空、军事、冶金、矿石、炼油、化工、石油、发电等各行业，并取得了极大的经济

20、效益和社会效益。目前，国外的大型企业基本上依靠故障诊断技术来实现对设备的动态管理。国外对故障诊断技术的投入也是很大的，美国对故障诊断技术的投入就占其生产成本的 7.2%， 日本为 5.6%，德国更是高达 9.4%。 至今，故障监测与诊断技术经过几十年的研究和应用，已经取得很大的进展。但由于复杂分布式设备的复杂性、分布性以及各子系统之间的非线性耦合，难以建立起足够精确的故障模型或获得较为完备的故障先验知识，使得复杂分布式设备的故障诊断仍无法像一些简单的设备一样得到有效地解决，仍有许多问题亟须进一步地研究。由于分布式智能本身具有分布性、自治性、自适应性和鲁棒性的特点，具有复杂分布式问题求解的能力，

21、对于解决复杂分布式设备的故障诊断问题具有很强的针对性。应用分布式智能方法解决复杂分布式设 备故障诊断问题得到了欧洲、日本和美国等工业发达国家的充分重视，成为故障诊断的重要发展方向 14。 随着近三十年计算机技术的飞速发展，出现了几种通用的理论建模方法，如有向图法、功能建模法等等，以借助计算机等先进技术实现对复杂机电系统的理论建模。基于有向图法建模主要是利用系统的深层知识，包括设计知识、制造知识、信息传播知识等，用附有约束条件的顶点和有向边对系统的结构层次与关联关系进行构造的方法 15。基于有向图建模的最大缺点是由于过程系统存在大量的参数，且有向图建立的模型缺乏目标与层次管理规则，而使有向图建

22、立的因果关系会显得十分复杂，不利于人们的理解和故障诊断。 丹 麦 技 术 大 学 的 Morten Lind 于 1990 年 提 出 了 多 级 流 模 型MFM(Multilevel Flow Models, MFM) 的建模方法，能建立起复杂分布式系统的物质、能量、信息的相互关系模型，为分布式智能系统的分析提供了有效的工具。 MFM是一种图形表达的、形式化的建模方法。 MFM包括系统的目标（ Goals）和功能（ Functions）模型，目标描述系统或子系统的用途，目标可以是生产目标、安全目标、经济或优化目标。而功能则通过物质流、能量流和信 息流来描述系统的性能。 MFM 也描述目标和

23、激活这些目标的功能之间、功能和提供这些功能的子系统之间的关系。一个目标可能通过条件关系与一个或多个功能相联系，意味者目标是这些功能的条件。功能通过获得关系 (achieve relation)与一个或几个目标相联系，意味着由这些功能来获得目标。瑞典 Lund 技术学院Jan Eric和 Larsson 领导的研究小组开展了 MFM在故障诊断方面的方法和应用研究工作，认为 MFM 方法比传统的基于模型的和基于规则的标准专家具有更高故障诊断试验系统设计 -故障模拟 4 的效率和实时性 16。 现在，国外，甚至国内也有些大型 企业中都安装了局域网（ Intranet）。网络化的状态监测与故障诊断已经

24、取得一定成果。其中比较典型的是由美国 XEROX公司开发的在线系统，其通讯速率为 100Mbps，可连接为数众多的工作站，这样可构成不同规模的网络化的监测与诊断系统，便于进行集中管理。这些技术也使得多级流建模方法在远程数据传输方面有了可行性。其信号传输可利用电话线、光缆或无线通讯方式。基于 Internet 的远程故障诊断，也有数家研究机构和公司进行研究。这些成果大大推动了远程诊断的研究 17。 1.4 课题研究的主要内容 本次设计的选题是针对 管道运输系统的基于多级流模型（ MFM） 的故障诊断，以多级流模型为理论基础，以管道运输系统为对象。我的任务就是 为在线故障试验台提出故障模拟方案，包

25、括在物质流、能量流中形成故障的具体实现方法。 MFM 是一种基于目标的层次化建模方法，它对真实的物理系统以物质流、能量流、信息流的角度进行抽象，通过使用一些特定的图形符号来描述系统过程的目标、功能以及设备元件，从而对系统的生产过程进行建模。 MFM 对系统主要进行了三个层次的描述：目标 (Goals)、功能 (Functions)、设备元件(Physical components)。 多级流模型的建模思想是把整个生产过程抽象成广义的“流”，以系统目标与实现目标的功能为模型主体，建立复杂流程工业系统的抽象层次模型。在建模过程中，“流”是建模的主线，它主要可分为：物质流、能量流、信息流。 物质流（

26、 Material Flow） 是生态系统中物质运动和转化的动态过程 ，在 MFM中主要是代表物质在系统中的流动和转化，比如一个水冷却系统：物质流就是水在不同的元件里流动的过程；能量流（ Energy Flow）是指 能量在区域生态系统的食物链、食物网内转变、转移与消耗的过程 ， 在 MFM中主要指为设备元 件提供能量的过程，比如 热传递，做功等 ； 信息流是指 对信号或信息的认识、决策、传播的过程，比如控制信号管理。 故障模拟系统就是人为的为一个系统制造故障，上面也提到了这里只需要在物质流和能量流中实现故障。不管是物质流还是能量流，它们都是目标或功能的其中一个，而目标和功能与设备元件中间存在

27、着映射关系，通过这些关系就可以实现故障。一个完整的试验平台的组件都应该是固定在每一个它们该存在的位置，在那里它们可以很好地完成目标或实现功能，一旦它们中的一个或多个位置发生了变化，那么这个系统就出现了故障，比如一个水循环系统：如果 我们断开水泵和管道的连接，水就不可能被运送到上面的水箱。设备元件的改变也不只是位置的变化，还可以都过状态的改变来实现：在一个单容下水箱循环系统中，如果我们让挡水板从打开状态调节到关闭状态，那么水箱就会过载而溢出水。这一故障诊断试验系统设计 -故障模拟 5 部分过程的实现，我们选择了单片机来完成。 多级流模型（ MFM） 是把系统目标和功能及其之间的关系通过图形符号来

28、表达的模型。在建模时不需要复杂的数学模型，而且由于它明确的建模目标、层次抽象的建模理念使得它具有高速的建模效率、良好的更新与重新修订的能力。所以，基于 MFM的故障诊断方法具有独特的实时性 优势。但是，多级流模型还是在发展初期，没准有些不确定因数。本次设计的预期结果：建立基于 MFM的故障诊断模型，构建基于 MFM的故障模拟硬件设计。 故障诊断试验系统设计 -故障模拟 6 第二章 基于 MFM 的故障诊断技术介绍 2.1 引言 多级流模型 (MFM, Multilevel flow models) 由丹麦技术大学的 Morten Lind首先提出 ,并成功应用于复杂系统的故障诊断 , 如用于核

29、电站、超高温加工乳制品工艺、用于手术后重症监护患者的监测与诊断系统 Guardian计划等。 MFM建模方法认为系统是通过一系列的物质、能量、动力 或者信息的流动来实现其目的 , 是基于流的思想而建立的模型。 MFM 作为一种功能模型通常比相应的面向事件的模型更简单 , 而对系统的描述更加完全 , 并能显著地减少计算量 , 因而在实时性要求很高的故障诊断中具有明显优势。 Larsson 归纳了利用 MFM 进行故障诊断的三种基本算法 : 测量值有效算法、告警分析算法和故障诊断算法。本章主要介绍 MFM的建模和基于 MFM的故障诊断。 2.2 多级流建模 MFM 是一种基于目标的层次化建模方法，

30、 它是对系统的一种规范化的描述，它说明了与人工系统有关的三个问题，即它被设计来 做什么，它应该怎么来做以及它应该用什么来做。因此， MFM 模型中的三种基本概念分为：目标 (goals)、功能 (functions)和物理元件 (physical components)。 2.2.1 目标 在 MFM中，目标是建模思想的基础，是系统各部分功能的实现。因此，能够从具体的对象中找出目标并加以描述显得十分重要。目标可以分为三类： (1) 产量目标 产量目标描述了这样一种情况，即为了使生产进行，某些特定的过程变量应保持在某一特定的区间内，也就是说，某过程变量应满足不等式（ 2.1）： 01x x x （ 2.1） 当然，其中的某个限制有可能是无穷大或者无穷小。这个不等式意味着，只有系统保持在某种状态下，才真正可能维持生产的进行。 (2) 安全目标 安全目标描述了如下情况，即从安全操作方面来考虑，某些特定的过程变量应保持在某个值以上或以下、一个特定区间之内或之外。从本质上来说，它与生产目标的检验标准是同样的。但一般情况下，安全目标是一个单边区间。实际上，这个不等式意味着某些过程变量应保持在安全的区域内，要离危险值足够 远。 (3) 经济目标 经济目标是从系统总体过程优化的角度考虑，一般被表示成函数 1 2 3( , , ,.)G x x x ，