1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 故障诊断试验台的系统设计 故障定位 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 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)是针对现代流程工业的故障诊断，它发展起来的 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、
2、信息流的角度进行抽象，把系统目标和功能及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。 本系统针对流程工业的温度、压力等缓变信号的采集，但为了使采集器具有分布式系统设备故障定位的功能要求，结构上采用了单片机结构，主要负责对现场的故障定位。 该系统的现场数据通过各类传感器采集上来后经调理电路接入单片机进行A/D 转换、分析和处理、液晶实时显示，然后通过传感器对现场进行故障初诊断。 本文研究的基于 MFM 多级流模型的故障诊断优势在于实时性高、扩展能
3、力强，适用于流程工业领域的故障初诊断及定位。 关键词 ：故障定位；故障诊断； MFM；多级流；单片机 TRACT Industrial production in the process of industrial equipment condition monitoring and fault diagnosis is necessary. However, with modern large-scale industrial processes and complex system, the rapid development of the traditional fault diagno
4、sis technology has been difficult to meet the complex requirements of a distributed diagnostic equipment. Therefore, it was an urgent need to find the current situation of the fault diagnosis method to improve system reliability and security. Multilevel flow model (MFM, Multilevel flow models) is fo
5、r the fault diagnosis of modern process industry, which developed the system objectives and functions of the graphical, real physical system of material flow, energy flow, information flow point of view abstract, objectives and functions of the system and the relationship between the graphic symbols
6、 to express through the model. As a functional model, MFM usually higher than the corresponding event-oriented model is more simple and more complete description of the system, can significantly reduce the computational load, thus demanding real-time fault diagnosis has obvious advantages. The syste
7、m for the process industry temperature and pressure slowly varying signal acquisition, but in order to make acquisition a distributed system fault location equipment, functional requirements, structure using the single chip structures responsible for the on-site fault location. The system of field d
8、ata collected by various sensors onto the circuit after the conditioning access by the microcontroller A / D conversion, analysis and processing, liquid crystal display, and then through the sensor fault on the scene early diagnosis. In this paper, MFM-based multi-flow model of fault diagnosis advan
9、tage of high real-time, scalability, suitable for the process industry in early diagnosis and fault location. Key Words: fault location; fault diagnosis; MFM; Microcontroller 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.2.1 国外发展情况 . 2 1.2.2 国内发展情况 . 4 1.3 研究开发内容和技术关键、技术路线 . 6 1.4 论文章节安排 . 6
10、 第二章 多级流故障诊断方法 . 7 2.1 多级流的定义 . 7 2.2 多级流故障监测 . 7 2.3 故障诊断算法 . 7 2.4 基于 MFM 的故障诊断技术及实施过程 . 9 2.4 基于 MFM 的试验台总体设计方案 . 9 2.4.1 简介试验台总体实施过程 . 10 第三章 基于 MFM 的故障定位及实施方案 . 11 3.1 基于 MFM 的嵌入式故障诊断系统 . 11 3.1.1 障诊断系统功能需求 . 12 3.1.2 故障诊断 系统结构 . 13 3.2 故障定位之硬件 -单片机显示电路 . 14 3.3 故障定位之软件 -C 语言的开发与实现 . 15 3.3.1 故
11、障初诊断的实现 . 15 3.3.2 软件系统的集成 . 16 3.3.3 单片机故障初诊断 . 17 3.4 故障诊断试验台基于 MFM 的故障定位 . 17 第四章 结论与展望 . 19 4.1 本课题主要研究工作总结 . 19 4.2 对进一步研究工作的建议 . 20 参考文献 . 21 试验台的系统设计 故障定位 第一章 绪论 1.1 研究的背景和意义 近几十年来， 工业生产的过程监测与故障诊断一直是流程工业系统关注的主要问题之一。它通过监测生产过程的运行状态，及时检测故障发生、过程干扰以及其它的异常工况，定位并诊断引发故障的原因变量，从而保证生产过程安全运行，提高产品质量和生产效率。
12、 随着现代工业及科学技术的迅速发展，特别是计算机相关领域技术的重大突破，现代流程工业系统正在不断地朝着大规模化、复杂化与 智能化方向发展。这一趋势，一方面带来了更高的生产效率和经济利益；另一方面，也使得影响系统正常运行的因素骤然增加，导致其产生故障或者失效的潜在可能性也越来越大 l。这类系统一旦发生故障，其造成的后果不仅会带来经济或人员的损失，而且也可能对生态环境造成无法恢复的污染。国内 1950 1979 年统计的 186 起重大事故中，基于模式识别的流程工业生产在线故障诊断若干问题研究有 48 起与流程工业有关 2。 1979 年 ，美国 三里岛核电站由于操作人员失误 以及设备的连锁失效导
13、致放射性物质经贮存罐释放到大气中， 经济损失达到 十 亿美 元 3。1986 年 4 月，前苏联切尔诺贝利核电站因 操作人员违章 操作而使 4 号反应堆内石墨燃烧导致原子堆芯融化而发生反应堆爆炸，致使 20 多人死亡，经济损失高达几十亿美元 4。当然在流程工业中，重大事故是不可能经常发生，但是小事故却每天都在发生，这些小事故每年给美国造成了上百亿美元的损失，以及给世界造成上千亿美元的损失 5-6。这些大大小小的事故无时无刻不在提醒人们，现代流程工业系统运行的安全性和可靠性已成为人类朝现代化方向发展中一个必须解决的问题。国内外许多资料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的。据有关部 门统计，我国每
14、年用于设备维修的费用仅冶金部就达 250 亿元，如果将故障诊断这项技术推广，每年可以减少事故 50 -70，节约维修费用10 -30，效益相当可观 7。由于缺少故障诊断系统，美国石化工业每年估计将导致大约二百亿美元的损失 8。相似的事故每年导致英国二百七十亿美元的经济损失 9。 在线监测与故障诊断系统的研究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。 由于缺少故障诊断系统，美国石化工业每年估计将导致大约二百亿美元的损失。相似的事故每年导致英国二百七十亿美元的经济损失。 流 程工业的特点是控制环节多且各控制环节相互关联，一个控制环节出现故障将引起整个生产环节的瘫痪，直接影响到产品
15、质量和生产效益。对于化工、制药、炼钢等企业若故障不能及时诊断和排除还将造成重大事故，有时甚至造成巨大的灾难。因此，对流程工业实施过程监控是势在必行 。 试验台的系统设计 故障定位 浙江省是我国的经济发展大省，其中供电能力持续增强是保证工业经济增长的主要保证。主要通过利用我国风力、水力、火力、潮汐、核能等多种能源进行发电。其中 ,不仅在北仑、镇海、台州、温州、长兴、嘉兴等建有大型火力发电厂 ,还有新安江、富春江、乌溪江、紧水滩等大型水力发 电厂。省内的三门核电站、滩坑水电站等大型电力项目正在筹建之中 ,一批大型火电厂可望在近年内建成发电。也就是说 电力是浙江能源的主要部分，要充分保证浙江的能源安
16、全，首先必须确保发电系统的安全运行。所以，对发电大机组，实施状态监测与故障诊断技术和系统，是保证这些大型发电机组的安全、可靠、高效连续运行的必要手段。同时，本项目的研究成果还可以推广应用于炼化、冶金、交通及其它的工业生产部门，在本省也具有广泛的市场前景。 通过国内外许多资料表明， 在线监测与故障诊断系统的研究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。 对于正在大力提倡、推行节约型地低碳社会更是有着现实意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 早期的故障诊断主要是依靠人工，利用触、摸、听、看等手段对设备进行诊断。通过经验的积累，人们可以对一些设备出现的故障做出判断，但这种手段
17、由于其具有局限性和不完备性，在目前已经不能适应生产对设备可靠性的要求。而信息技术和计算机技术的飞速发展以及各种先进数学算法的出现，为流程工业故障诊断技术的发展提供了有利的条件。人工智能、计算机网络技术和传感技术等已经成为故障诊断系统不可缺少的部分。 1.2.1 国外发展情况 国外状态监测、故障诊断近 20 年来取得了飞速发展 ， 据最新资料报道 :西方国家正投入大量人力、物力进行这项技术的工业化应用研究以及相 关基础性应用技术研究。如欧洲共同体的英、法、芬兰、希腊从 1996 年 5 月起，开始了一项利用人工智能和仿真技术提高状态监测和故障诊断功能与精度的“ VISIG”大型联合项目的研究。法
18、国自从 70 年代末开始实施了一项名为“利用永久性状态监测实现状态检修 (SAD)”的研究计划，现已成功地用在了法国 4 个核电厂的汽轮发电设备、反应堆循环泵、压力容器上，并计划配给法国全部核电厂。 PSAD 系统是主工作 站、分析工作站和远程站组成，该系统可以实现主要部件的在线故障检测、并且可以利用专家系统对故障的进行评估和向全国分析中心发送监测数据等功能。 美国是最早从事流程工业故障诊断研究的国家之一，在故障诊断研究的诸多方面都处于世界领先水平行列。美国国防部从 70 年代开始进行以可靠性为中心的状态检修技术的研究，并部分已经应用在军用飞机、船舶和车辆上。在 80 年代，民用工业也逐渐开始
19、采用，在能源、电力、机器制造和电子工业等行业取得试验台的系统设计 故障定位 了举世瞩目的成绩，如 NASA、 3M 公司、 德克萨斯仪器仪表公司、 KRCC/ Sycamore 电力公 司、田纳西电站、勘萨斯市政动力和照明公司等。目前国外已有许多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合自动化整体解决 方案供应商转化，如 Honeywell、 ABB、 Rockwell 等著名公司。它们在原来的主营业务基础上推出了相应的实时数据库产品，如美国的 OSI 公司的 Plant Informmion System，简称PI； 美国 AspenTech 公司的 Infoplus21 系统；美 国 Honeyw
20、ell 公司的Uniformance(PHD)系统；英国 Wonderware 公司的 Industrial SQL Server 产品等 。日本从事这方面研究的机构主要有东芝电气、日立电气、富士和三菱重工等 10。日立公司和三菱公司也在八十年代初期分别开发了汽轮机寿命诊断装置 MHM振动诊断系统。欧洲也有不少公司和部门从事汽轮机故障诊断技术的研究与开发。西方国家设备状态监测和故障诊断的在商业上得到应用的有本特利公司的数据管理 DM2000 和 趋势分析 系统 200PR3000 状态监 测系 统，申克的VIBROCOM4000 和 VIBROCOM 5000 计算机化的状态监测系统， CSI
21、 的 3130，IRD 公司的 6600 机器保护和诊断系统， B&K 的 COMPASS 系统等等。把这些硬件和软件产品有效地用于了工业生产，大大提高了故障诊断效率。利用它们高速传输信息，建立了州级和地区性的振动监测分析大型网络系统，实现远距离对设备的集中实时监测、分析、诊断；并且还可以利用建立的设备运行状态数据库，准确预测设备性能或设备潜在故障的趋势，为电厂的运行监测和状态检修提供了可靠的技术指导和理论依据。 二十世纪六十年代美国宇航局成立机械事故预防小组，开展状态监测与故障诊断技术研究。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
22、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 11。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，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 12。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。 丹 麦 技 术 大 学 的 Morten Lind 于 1990 年 提 出 了 多 级 流 模 型MFM(Multilev
23、el Flow Models, MFM) 的建模方法 13，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 14,15,16。 MFM 是一种图形表达的、形式化的建模方法 17。 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 也描述目标和激 活这些目标的功能之间、功试验台的系统设计 故障定位 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
24、是这些功能的条件 18。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 19,20,21，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的效率和实时性。 MFM 的研究还刚刚起步，国内尚未见 MFM的研究与应用方 面的报道。 分布式智能监测与诊断系统正确解决诊断问题的基础是对象的有效信息，一旦系统得到错误的信息，往往会得出错误的诊断结果（漏诊或谎诊） 22,23。所以系统传感器的故障诊断问题引
25、起了研究人员的重视。传感器的诊断一般是给定一个确定的输入，根据其输出来进行故障判别，难以在线实现。在分布式系统中可以根据信息的冗余，通过信息之间的约束关系，进行传感器的故障诊断，保证分布式智能监测与诊断系统诊断结果的准确性 24,25。 1.2.2 国内发展情况 我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，但是发展很快，经历了两 个阶段： 第一阶段是从 70 年代末到 80 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究； 第二阶段是从 80 年代初期到现在，在这一阶段，全方位开展了机械设备的故障诊断研究，引入人工智能等先进技术，大大推动了诊断系统的研制和实施，取得了
26、丰硕的研究成果。 1983 年春，中国机械工程学会设备维修分会在南京召开了首次 “ 设备故障诊断和状态监测研讨会 ” ，标志着我国诊断技术的研究进入了一个新的发展阶段，随后又成立了一些行业协会和学术团体，其中和汽轮机故障诊断有关的主要有，中国设备管理协会设备诊断 技术委员会、中国机械工程学会设备维修分会、中国振动工程学会故障诊断学会及其旋转机械专业学组等。这期间，国际国内学术交流频繁，对于基础理论和故障机理的研究十分活跃，并研制出了我国自己的在线监测与故障诊断装置， “ 八五 ” 期间又进行了大容量火电设备监测诊断系统的研究，各种先进技术得到应用，研究步伐加快，缩小了与世界先进水平的差距，同时
27、也形成了具有我国特点的故障诊断理论，并出版了一系列这方面的专著，主要有屈梁生、何正嘉主编的机械故障学、杨叔子等主编的机械故障诊断丛书、虞和济等主编的机械故障诊断丛书、徐敏等 主编的设备故障诊断手册等 26。 目前我国从事故障诊断技术研究与开发的单位有几十家，主要有哈尔滨工业大学、西安交通大学、清华大学、华中理工大学、东南大学、上海交通大学、华北电力大学等高等院校和西安热工研究院、上海发电设备成套设计研究所、哈尔试验台的系统设计 故障定位 滨电工仪表所、山东电力科学试验研究所、哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所及一些汽轮机制造厂和大型电厂等。国家在“七五”、“八五”计划期间安排的故障诊断攻关项目促进了一
28、大批研究单位参与故障诊断系统的研究与开发，许多重要成果都是在这一阶段取得的，并且开发出多套故障诊断系统，代 表性的国产诊断系统（如：哈尔滨工业大学的 MMMD-3 设备振动微机监测和故障诊断系统；东南大学的 MFD-2 汽轮发电设备智能诊断系统；西安交通大学的 RB-20 大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统；西安热工研究院的 ZJ-1， VDMS-2 汽轮发电设备状态监测与故障诊断系统；华中理工大学和扬子石化总厂的 HZ-1 汽轮发电设备振动监测与故障诊断系统； 郑州工业大学的 MMDS 90 大型旋转机械故障诊断系统；山东电科院和清华大学的大型汽轮发电设备远程在线振动监测性能分析与诊断
29、系统） 27,28,29。但是，这些产品真正 能够成功获得应用，在现代生产中发挥实际作用的已经非常少了。主要的原因就是该系统的开发研制都是科研院所或者高校自行研制，没有实际的应用单位参加，因此缺乏现场实施经验，这也使得其在技术水平受到了很大程度的限制。单从这个观点来看，电厂和研究院所在的这个研发领域还需要做很多的工作。并且这些系统的研究和开发侧重点放在研究诊断技术中的数学算法上，对故障诊断系统如何在现场实际中达到预期目标考虑得不多，这偏离了故障诊断最根本的实质，也影响了故障诊断技术在工业现场的应用和推广。因此就目前来说国内在实现工业现场的监测和故障诊断 ，使有经验的故障诊断专家来远程参加故障诊
30、断，充分利用专业人员的故障诊断经验，提高故障诊断的及时性和准确性，记录故障产生、发展整个连续过程，提供故障频谱特性，建立故障数据库，为状态维修提供相应研究数据等方面还需做进一步的研究。 在国内，浙江大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、清华大学等高校经过多年的研究与开发，也推出了相应的系统，在电力、石化等工业行业得到成功应用 30,31,32,33。但这些系统目前基本上都的针对单设备进行研究与开发的，对于结构、分布更复杂的设备群系统的智能诊断几乎未予以考虑。 从 国内外复杂设备的分布式智能监测与诊断系统的研究现状可以得知： 1、 分布式智能监测与诊断能解决复杂诊断问题的求解，已经成为故障诊断研究
31、的重要发展方向； 2、 分布式智能诊断特别是基于智能体和多智能体技术的监测与诊断方法及其应用的研究已经取得了一定的进展，包括对分布式智能诊断系统的体系结构、分布式 的构造及其应用系统的开发，但在诊断对象建模方面还比较局限于结构化建模未能全面考虑系统在物质、能量和信息这三方面的关系； 3、对于分布式智能诊断系统的方法、软件的开发等研究比较多，但是在硬件上还仅依赖于现有控制或管理网络； 试验台的系统设计 故障定位 4、对 于分布式智能监测与诊断系统内部的信息交互机制及其应用的研究较多，但对被诊断对象的故障信息有效获取、校验方法的研究目前还不多见。 1.3 研究开发内容和技术关键、技术路线 本文主要
32、研究基于 MFM 多级流的故障初诊断及定位的具体的研究开发内容、技术关键和技术路线如下： 1、研究开发内容 基于 MFM 的智能检测和故障初诊断方法； 2、技术关键 分布式智能节点对现场的故障初诊断。 3、 技术路线 本项目采用继承、吸收与自主创新相结合，网络化远程智能监测与诊断方法研究与网络化监测与诊断系统研究与开发相结合，实验与应用研究相结合 的研究方法。在具体实施中采用方法研究、系统研究与开发、实验与应用研究同步并行展开，并及时反馈研究结果信息对研究方案进行及时补充与修正。 1.4 论文章节安排 本文首先介绍了多级流故障诊断的特点及故障定位实施的方法，本文的结构安排如下： 第一章 绪论
33、介绍论文课题研究的背景和意义，对国内外相关研究的现状进行分析，最后提出了本论文课题的研究内容。 第二章，多级流故障诊断方法 首先介绍远程数据采集结合多级流对故障进行诊断，着重介绍了基于多级流技术的故障诊断方法。 最后介绍了基于 MFM 的故障诊断系统、 分布式节点智能协作的实现， 然后介绍了系统功能需求，最后给出了整个采集系统方案总体结构设计。 第三章，多级流故障定位的实施 本章主要包括硬件部分和软件部分：完成的硬件部分是各个部分硬件电路的具体实现。每个分布式设备的硬件电路分成两个部分：数据采集部分和故障诊断部分。在故障诊断部分，我们完成了 CAN 总线电路的设计。 完成的软件部分是故障初诊断的实现（软件编程）介绍了相关技术、液晶显示的实现、网络通信的实现、并且详细介绍了 CAN 总线初始化、发送数据和接收数据的实现。 第四章，结论与展望 总结了本文的研究工作，指出了在今后工作中其 需要进一步完善之处，以及下一步研究的方向。
